基于Mach-Zehnder干涉仪条纹成像技术的多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot(F-P)干涉仪、Fizeau干涉仪,Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷达探测范围较小,探测灵敏度的非线性问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演,得到风速值与理论结果基本一致。

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。

大孔径静态干涉光谱成像系统(LAS IS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。

对光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉场研究

研究了光纤Mach_Zehnder干涉仪的干涉场的特性 ,并对影响干涉效果的因素进行了分析 。

基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统

设计了一种可测量小范围温度扰动的全光纤M ach-Zehnder干涉测量系统。简单介绍了全光纤M ach-Zehnder干涉仪的基本结构和工作原理,并推导了干涉条纹移动距离与测量臂长度变化之间的关系式;在理论分析的基础上,搭建了一全光纤M ach-Zehnder干涉仪系统,通过在有标识刻线的接收屏上直接观察测量干涉条纹的移动距离来确定测量臂光纤的温度变化,最终,确定了测量臂光纤加热温度和干涉条纹移动距离之间的关系;通过实验结果分析可知,该干涉系统可实现小范围温度扰动的准确测量,测量精度可达到℃/18。

双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度

X射线光栅干涉仪成像需要高条纹可见度以获得高信噪比图像.最近的报道证实,X射线双矩形相位光栅干涉仪实验测量的条纹可见度较低.为此,提出了基于双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度研究.利用X射线双相位光栅干涉仪的强度变化规律,对比研究了单色照明和不同多色照明下,双三角形相位光栅X射线干涉仪与双矩形相位光栅干涉仪的条纹可见度随光栅间距的变化规律.结果表明:无论是单色照明还是多色照明,双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度的峰值随相移量的增加而增大.当相移量为5π/2时,双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度在单色照明下比双矩形相位光栅干涉仪的条纹可见度提高约21%,在多色照明下提高至少23%.而在多色照明下,随着X射线平均能量偏离光栅设计能量的增加或光源焦点尺寸的增加,双相位光栅干涉仪条纹可见度的峰值均会单调下降.这些结果可作为X射线双相位光栅干涉仪的参数设计和性能优化的理论指导.

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪,Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点.本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统,构建了风速反演的数学模型,利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能.数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出,采用Sine Sqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离,并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响,从而实现视场展宽.结果表明:采用Sine Sqr函数拟合法可获得在±100 m·s-1的径向风速范围内<0.45 m·s-1的风速误差,克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点;视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下,能最大补偿1°的视场角.MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础.

远距离环状干涉条纹形成的初步实验

针对远距离激光干涉成像中条纹的形成进行了研究。分析了成像所需条纹的特点,表明干涉条纹成像系统的带宽决定于条纹的空间带宽。讨论了传统的迈克尔逊干涉仪结构在激光干涉成像中应用的不足之处,并在迈克尔逊干涉仪的基础上,提出一种变形的光路结构,用于在远距离上形成圆对称环状干涉条纹,同时报道了利用该变形结构在约50m的距离上观察到的条纹,表明了该光路结构的可行性。

基于条纹傅里叶变换的二维温度场激光干涉测量

提出基于条纹傅里叶变换的激光干涉温度测量方法,并采用Mach-Zehnder干涉仪,以蜡烛轴对称火焰温度场为对象进行验证.在恢复相位的过程中,结合未受温度场扰动的干涉图像,修正了相位中因图像数字化离散的线性偏差.对比几种滤波器的计算结果,表明滤波器的特征对结果有明显影响,采用适当参数的余弦形边界滤波器可有效提取频谱信息.蜡烛火焰及其外围温度分布的测试结果表明,干涉条纹傅里叶分析法可方便快捷地用于测量二维轴对称温度场分布.

非等振幅高斯光束干涉研究

利用光纤Mach-Zehnder干涉仪,对两束非等振幅线偏振高斯光的空间干涉条纹对比度进行了研究,得到了干涉条纹对比度与两高斯光束振幅及线偏振方向夹角之间的关系,并通过实验进行了验证。研究表明,两线偏振高斯光束振幅相差越小,条纹对比度越大,条纹越清晰;两线偏振高斯光束振动方向夹角越小,条纹对比度越大,条纹越清晰。

基于全光纤马赫—曾德干涉仪的温度传感器设计

光纤温度传感器作为一种新型测温技术,发展迅速,应用广泛。基于全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。

高通量傅里叶变换成像光谱仪调制度分析

介绍了高通量傅里变换成像光谱仪的概念,分析了其中使用的改进型Mach-Zehnder干涉仪的原理,计算出其光程差以及调制度.可以看出:要得到较好的调制图形,必须满足两像面夹角和像方孔径角都是小角的条件,且两个像点之间的横向距离和纵向距离越小越好.讨论了像面与探测器平面之间的横向和纵向偏差及CCD单元尺寸等因素对光谱仪调制度的影响·通过调节各参量,三种调制度都可以达到90%以上,能够满足光谱仪应用需求·

一种新型莫尔条纹的生成方法及应用

通过对Mach-Zehnder干涉仪光路的改装 ,得到了一种新型的莫尔条纹生成方法。利用 CCD接收并将图像采集到计算机上进行了观测 ,对莫尔条纹参数和性质作了分析 。

分幅面成像任意反射面速度干涉仪诊断激光驱动飞片全场速度

研制了一套分幅面成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于飞片完整性、速度分散性和平面性的诊断。在线成像VISAR基础上,用更小的条纹常数实现更高的速度分辨,同时用光电分幅相机取代扫描相机记录干涉条纹图像,实现多个时刻全场速度的测量。所研制的面成像VISAR具有5μm的空间分辨和15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铜膜或铝膜飞片的速度场,给出了多个时刻的全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,分幅面成像VISAR技术可以为激光驱动飞片平面性的理论研究和数值模拟提供有效实验数据。

同时线成像和分幅面成像任意反射面速度干涉仪测速技术

研制了一套线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于激光驱动飞片速度场时空分辨测量。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹,实现靶面一条线上各点速度历史和多个时刻二维靶面上所有点速度的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有小于10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力,线成像VISAR时间分辨小于50ps,面成像VISAR曝光时间小于5ns。用其测量了激光驱动带约束刀口铝膜飞片的速度场,给出了高时空分辨全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR将是各种飞片产生技术及相应加载手段中全场速度诊断的有力工具。

基于法布里-珀罗干涉仪的大气风场及温度场探测理论研究及仿真

针对基于法布里-珀罗干涉仪的大气风场探测系统,推导了进行风速、温度反演的理论模型并在理论上进行了模拟验证。利用光学设计软件Zemax完成了法布里-珀罗干涉仪系统结构的仿真。通过设定不同波长入射系统,得到对应干涉条纹,利用最小二乘拟合圆方法从条纹峰值移动距离可反演出风速,与理论值进行比对,得到风速仿真误差小于4.2%。针对温度探测理论建立了合理的光源光谱文件,给出理想仿真干涉圆环,进行数据分析完成温度反演,计算出温度的仿真误差小于7.5%。结果表明,仿真模型、反演理论、数据分析和处理方法是可行的。