适用于CH_(4)泄漏检测的全光光声光谱装置

光声光谱技术是一种高灵敏的光学检测技术,已成功应用于各种痕量气体检测场合。针对工业上CH_(4)气体泄漏的快速安全检测问题,研制了一套基于H形光声池和Fabry-Perot干涉式光纤麦克风的全光光声光谱装置。采用有限元分析方法对悬臂梁的振动特性进行了仿真分析,并优化了悬臂梁的结构参数,使其共振频率和光声池的共振频率相匹配,实现了对光声信号的双共振增强。同时利用平面镜使光声吸收池的投射光再次入射进入吸收池,进一步增强了光声信号。装置使用Q点稳定强度解调程序对干涉信号进行解调,解决了光纤麦克风在测试过程中的Q点随温度漂移的问题,确保了光纤麦克风长期工作时的稳定性。该光声测量装置采用1653 nm波长DFB激光器作为激发光源,利用Q点稳定强度解调方法,结合波长调制-二次谐波检测技术、声学共振放大技术实现了对CH_(4)气体的全光、高灵敏度检测。实验结果表明,全光光声光谱装置的共振频率为1594 Hz,在共振频率处CH_(4)气体的检测极限为7.47 ppm(1 ppm=1×10^(−6))。根据Allan方差结果,在142 s的平均时间下,全光光声光谱装置测量CH_(4)气体的检测极限为0.23 ppm。

高斯光束湍流大气传输远场扩展半径快速计算方法研究

高斯光束湍流大气传输的远场有效半径是工程中较为关注的远场光斑特征,文中研究其快速计算方法。基于多场景下高斯光束湍流大气传输波动光学仿真数据,建立了定标规律模型和3种人工智能模型LightGBM(Light Gradient Boosting Machine)、MLP(Multilayer Perceptron)、MFTT(Modified Feature Tokenizer Transformer),比较了不同模型的精度、泛化能力、样本量的影响和计算速度。结果表明:4种模型的精度受训练集样本量的影响,小样本量下定标规律模型精度最高,大样本量下MFTT模型精度最高;数据分为70%的训练集和30%的测试集时,MFTT在测试集上的平均相对偏差为1.36%;MFTT泛化能力最强,定标规律模型计算速度最快。希望为激光大气传输评估快速计算方法的选择和应用提供参考。

激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取

根据抽样原则、湍流介质特性、湍流效应和光传播效应等全面分析了网格间距、相屏间距和网格数目等关键计算参量选取的基本要求.通过数值计算,分析各种要求的可行性,表明在具体的数值模拟过程中,并非所有要求都能同时满足,若严格按照要求选择计算参量,所需的计算量常超出计算机负荷范围.结合具体数值计算,综合考虑计算机承受能力和计算准确度,给出了一种可靠实用的计算参量选取思路和方案.

地空激光大气斜程传输湍流效应的数值模拟分析

大气湍流效应是制约各种激光工程应用的重要因素之一。采用多层相位屏的模拟方法,针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟,通过变化天顶角、光束初始半径和激光波长等传输条件,定量分析了光束的有效半径、相对真空扩展倍数、光斑质心漂移均方根和63.2%环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律。结果表明:天顶角越大,湍流效应越强,光束受到湍流的影响越大;波长越短,光束受到湍流的影响越强;光斑的漂移随光束初始半径的增大而减小,且与波长无关;在湍流效应和衍射效应的综合作用下,光束有效半径和63.2%环围能量的功率密度随波长和光束初始半径均不是单调变化。这可为激光工程应用提供一定的理论分析和性能预测依据。

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。

高斯光束大气闪烁空间分布的数值模拟研究

利用数值模拟方法研究了高斯光束在弱湍流大气中闪烁的空间分布问题。详细给出了计算闪烁指数的方法,分析得出了闪烁指数空间分布的一般特征:闪烁指数在光轴上最小,随着离开光轴距离的增大而增大。模拟结果与Rytov理论预期的结果基本吻合,从而验证了两种方法的可靠性。

部分相干光在湍流大气中传输的研究进展

简要回顾了部分相干光在湍流大气中传输的主要研究方法,包括广义惠更斯-菲涅尔原理、交叉谱密度函数、相干模态分解、光束有效参数和ABCD矩阵等理论解析法,以及随机相屏近似、相干模态重构和随机光脉冲等数值模拟方法;介绍了几种典型的部分相干光的定义及其真空传输衍射性质,从光束扩展、光强起伏和到达角起伏三方面介绍了部分相干光在湍流大气中传输特性的研究状况和主要研究成果;提出了应进一步深入研究的问题。

湍流大气中高斯光束焦移的数值模拟研究(英文)

采用数值模拟方法对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的焦移进行了研究.结果表明:湍流大气中高斯光束的焦点不再位于真空焦点位置,而是向发射点移动,且前移的幅度随湍流强度的增大而增大,这与理论预计结果一致.引用焦深概念描述光束在焦点附近的准直特性,结果显示:在弱起伏和中等强度起伏情况下,光束的焦深随着湍流强度的增大而增大,焦点附近光束准直度提高;在中等和强起伏情况下,光束在焦点附近高度准直.

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明:聚焦高斯束在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。

丽江高美古视宁度、等晕角及相干时间的探空测量

对高美古的折射率结构常数C_n^2廓线和常规气象参数廓线进行了探空测量.实验期间,白天视宁度ε_(FWHM)为3〃,等晕角θ_0为0.3〃,相干时间τ_0为0.4 ms左右.夜晚ε_(FWHM)为1.04〃,θ_0为1.00〃,τ_0为1.84 ms.通过计算TER(turbulent energyratio)以及Richardson数表明,视宁度主要来自近地面层和自由大气层湍流的贡献,边界层湍流贡献不大.距地面几米的强湍流层、对流层顶附近强湍流层以及风速梯度变化较大所对应的强湍流层构成了高美古湍流空间分布的主要特征.

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.

大气光学湍流光纤测量技术中的解调算法研究

介绍了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的原理,并对其中的载频调制和解调的过程进行了深入的研究.通过计算机对光学湍流随机相位起伏、载频调制与解调过程的模拟证明了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的可行性,提出大气光学湍流光纤测量技术中的一种新的信号处理方法.

高能激光大气传输评估的不确定性研究

高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂过程,评估高能激光大气传输性能,不仅需要开展激光传输机理研究,建立高能激光大气传输数理模型,还需要对实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求,简要介绍了高能激光大气传输性能评估研究的方法和发展现状,重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定性问题,指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。

近地层大气光学湍流的分形和间歇性特征分析

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48 m、草地上方1.8m和23 m高处的大气折射率起伏的观测数据,采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数,统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征.结果表明：对于一天的不同时段,分形维数在一定范围内动态变化,且中午时段相对稳定;在三种下垫面条件下,全天分形维数的值大多在1.3～1.4之间,其最可几概率位于1.35处,从均值来看,草地上方1.8m的分形维数最大,水面上方0.48 m次之,草地上方23 m处最小.最后,初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性.

激光钠信标光斑漂移和光斑半径的数值模拟与分析

激光钠信标的光斑漂移、光斑半径的变化对自适应光学校正有直接的影响。在激光钠信标光斑漂移方差和有效半径理论模型的基础上,采用数值模拟的方法,在三种大气湍流模式下,具体研究了激光钠信标光斑与激光光斑漂移方差和有效半径的差异,计算了不同发射口径时激光钠信标光斑的长曝光与短曝光有效半径的平均值,分析了有再泵浦能量激光对激发钠信标光斑漂移方差和平均有效半径的影响。研究结果表明,大气湍流强度、激光发射口径以及再泵浦激光能量都能够影响激光钠信标光斑漂移和光斑半径。

瞄准轴和发射轴平行度误差对探测率的影响

分析了在大气湍流影响下,目标激光光斑的功率密度及质心的分布情况,说明了目标激光光斑的功率密度分布的随机性。分别从目标大小不小于或者小于激光光斑两种情况建立了激光测距装备接收功率模型。在此基础上,重点讨论了发射轴和瞄准轴的平行度误差对探测率的影响,给出了探测率随平行度误差变化的曲线,得出了探测率只与平行度误差的大小有关,与偏差的方向无关的结论。

扭曲多高斯光束在梯度折射率光纤中的传输特性

为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束,采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证,证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位,详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明,椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时,光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转,并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2,其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关;增大多高斯模数,焦平面处光强分布的平顶区域增大,相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。

基于非线性最小二乘法的多光谱拟合程序:应用于^(12)CH_(4)谱线参数分析

精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用,特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。采用实验测量获取谱线参数时,需要在已知实验条件(浓度,温度,总压力,吸收光程以及气体分子种类的混合比等)的情况下,多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱,然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱,反演获得所需要的光谱参数。然而,一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。针对此问题,采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。该程序可同时处理多张实验光谱,并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。详细介绍了该程序的原理、使用方法及数据处理过程。利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2958~2959 cm^(-1)波数内甲烷(^(12)CH_(4))分子6条跃迁谱线的实验光谱,获得了296.0,251.0,223.0,198.0和173.0 K共5组温度下^(12)CH_(4)分子6条谱线的空气展宽系数。与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明:获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间,两者数据整体符合较好,并且在30组对比数据中,有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值,有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等,其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值,表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性,适用于气体分子吸收光谱的处理。

1μm波段水分子吸收光谱双光程同步测量方法研究

基于双光程气体多通吸收池,提出了一种单吸收池双光程(长光程:72.46 m;短光程:36.23 m)同步测量水分子吸收光谱的测量方法,并结合窄线宽外腔半导体激光器和高精度Fabry-Perot标准具,发展了一套1μm波段的高分辨率水分子吸收光谱双光程同步测量装置.在测量装置建立后,精确测量了Fabry-Perot标准具的自由光谱范围,并详细评估了该系统中Fabry-Perot标准具以及双光程气体多通吸收池内压力和温度的稳定性.利用该装置测量了9152.53 cm^(-1)处水分子在双光程下的吸收光谱,分别反演得到了长光程和短光程下的分子吸收线强和自加宽系数.双光程吸收线强和自加宽系数的平均值与HITRAN2016数据库相应数据的相对偏差分别为0.78%和3.8%,该结果验证了双光程同步测量方法的可行性和测量装置的可靠性.

1.1μm波段水分子的CO_(2)加宽系数

水分子吸收光谱参数是遥感探测、行星观测应用领域所需的关键基础科学数据.基于窄线宽外腔半导体激光器和长程吸收池,测量了室温下9332—722 cm^(-1)波段内,CO_(2)加宽的18条水分子的吸收谱线.分别使用Voigt线型和quadratic speed-dependent Voigt线型对吸收光谱数据进行拟合,并获得了这些谱线的CO_(2)加宽系数,quadratic speed-dependent Voigt线型表现出更好的拟合效果.与HITRAN2020数据库该波段空气加宽系数进行了对比,两种线型反演获得的水分子CO_(2)加宽系数与空气加宽系数之比的均值分别为1.327和1.454,验证了利用水分子的空气加宽系数估算CO_(2)加宽系数的方法存在可靠性.本研究可为近红外波段的火星、金星等大气结构探测技术及相关研究提供可供参考的实测光谱参数数据.