光纤传感技术用于大气光学湍流测量.doc

光纤传感技术用于大气光学湍流测量*国家863计划激光技术领域资助项目作者简介：梅海平（1980），男，博士研究生，从事大气光学湍流测量方法研究；。梅海平 苑克娥 饶瑞中（中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心 安徽 合肥 230031)摘要：大气湍流造成的随机折射率起伏引起一系列湍流效应，如激光波阵面畸变、光束扩展、光斑漂移和光强闪烁等，严重制约了激光技术的应用，实时准确地测量湍流光学参数具有重要意义。本文简要回顾了几种广泛使用的湍流光学参数测量方法，分析了其适用条件。结合湍流测量需要，重点阐述了光纤传感技术用于大气光学湍流参数测量的可行性。最后指出将光纤传感技术引入大气湍流光学参数测量对促进湍流研究工作的进展具有深远意义。关键词：光纤传感技术 大气光学湍流参数 测量方法1 引 言湍流大气是一种非均匀的随机介质，其折射率是空间位置和时间的函数。通常湍流大气可看作包含各种尺度折射率的湍涡的集合，当激光波阵面通过湍流介质时，与湍涡边界发生相互作用，产生如光束漂移、光束扩展、光强闪烁和相位起伏等各种湍流效应，这些效应有时会严重影响激光系统的应用。大气湍流同时受到诸多研究领域的重视，例如，它可降低地基望远镜的成像分辨率，从而成为天文学研究的一个主要问题1 。此外，在自由空间光传输研究中，人们一直对大气湍流予以高度重视2-4，因为激光在空气中传播数百米后，湍流效应引起的误码便不可忽视。湍流大气光学从本质上来说是一门实验科学，可以说现今的大气湍流理论大都建立在人们对各种环境下大气湍流的长期实验观察结果的数理统计基础上。随着理论与数值模拟研究的进展，湍流研究对测量技术的要求越来越高，比如现代高性能计算机运行计算湍流动力学或激光大气传输程序时，要求更高的测量精度和空间分辨率，可是常规的湍流测量手段已经难以满足实际需求。然而，设计理想的湍流测量设备还面临着众多挑战，这至少有两方面的原因，一方面人们所渴望的测量能力往往受环境(如温度、湿度或盐分)、仪器本身物理性质(如体积、相应速度)或系统带宽的限制(频率响应特性)；另一方面，在某些情况下人们对所观察到的新现象物理过程的认识还不够全面。湍流测量中的一个主要约束是难以将传感器对被测参数的影响降到最低，而近代光纤传感与测量技术的迅猛发展，为突破这一约束提供了巧妙的解决方案。如今在湍流测量领域使用光纤变得越来越普遍。美国海军实验室(Naval Research Lab)是最早进行光纤传感与测量研究的单位之一，他们在1995年就提出利用光纤干涉仪测量空气折射率起伏的方案5。美国航空航天局(NASA)也曾投入巨资用于气动传感与测量研究6，先后发展了多种基于光纤光学的激光测风测速仪，这些仪器对研究大气湍流运动具有划时代的意义。本文简要回顾了几种目前常用的光学湍流测量方法，分析了其适用条件及其存在的主要问题。然后简述了国内外利用光纤传感技术进行湍流光学参数测量研究的发展动态，并在此基础上分析了其可行性及优越性。2 光学湍流测量方法回顾在湍流大气光学研究中，需要关心的主要是湍流折射率起伏特性，包括折射率结构常数、特征尺度和湍流折射率谱等。现有的测量这些参数的方法主要有两种，即温度脉动法和光学方法7。2.1 温度脉动法温度脉动法是一种通过测量大气温度的起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法，其前提是假定空气折射率的起伏特性完全取决于温度的起伏特性。常用的温度脉动仪就是根据该原理发展起来的，该仪器使用直径只有几微米的铂丝作为传感探头，湍流大气经过铂丝引起铂丝电阻的变化，经放大电路将电阻的变化转化成可采集到的电压变化信号，便可获得大气温度的起伏特性，从而获得大气折射率起伏特性。我们知道，实际空气折射率是温度、湿度、大气压强和光波波长的函数8，通常认为在可见和近外波段可近似为温度和压强的函数，并且气压变化引起的空气折射率起伏相对于温度变化引起的折射率起伏可忽略不计。可是当空气中水汽含量较高或者当红外波段的光波通过湍流大气时，利用温度脉动法便难以获得准确的湍流折射率起伏信息。有报道称：分别用温度脉动法和光学方法测得的湍流参数在数值上可相差四倍以上7，可见使用这种非光学方法测量折射率起伏的可靠性仍然值得怀疑。总之，温度脉动法是人们无法直接用光学手段在近距离获得湍流信息时所采取的替代方法，尽管它是目前最常用的湍流光学参数测量方法，并且为湍流大气光学研究做出了不朽的贡献。可是随着研究的深入，该方法日益突出其本身固有的缺陷。首先温度脉动法使用的金属铂丝只有几微米的直径，特别容易被折断或被环境污染，若进行长时间的观测需要不断地检查仪器和经常性地更换铂丝，所以难以达到测量的实时性；其次它的空间分辨率和时间分辨率有限，因为铂丝长度方向的可分辨湍流尺度大于湍流内尺度，这给测量小尺度湍流脉动带来困难；此外，它是一种接触式测量手段，其响应速率直接决定于空气与金属丝的热交换速率(通常在几十Hz之内)，它也不可避免地对会空气造成一定的扰动。2.2 光学方法光学方法利用湍流大气中光的传播效应来测量湍流光学参数。如今已经出现了多种不同的光学测量法，以激光闪烁法和到达角起伏法最为常见。人们还根据不同的参数测量要求分别发展出双口径闪烁法、双波长闪烁相关法、多口径闪烁法以及大口径闪烁法等多种激光闪烁法。激光闪烁法测量湍流强度的理论基础是弱起伏条件下的Rytov近似，当湍流足够强时，对数光强起伏不但不随湍流的增强而增强，而且有时还有所减小，这就是所谓的“闪烁饱和效应”。受“闪烁饱和效应”的影响，在强起伏条件下，该方法即失效。此外，还有人利用激光雷达测量大气湍流，可是在实际大气中，用于推导雷达方程的湍流各向同性和平稳性假设条件很难得以满足，雷达方程本身的形式尚待进一步完善，因此该方法还处于初步的探索阶段。通常大气折射率的起伏非常微小，只有当光波传播较长的路径后(通常为几百米以上)，湍流大气引起的光波相位和光强起伏方可便于检测。因此，目前根据湍流效应原理的光学方法测得的湍流光学参数都是进行路径平均的结果，该方法难以获得局域的折射率起伏特性。实际上，至今仍然没有一种光学手段能在短距离内，对湍流无扰动的前提下直接测量大气湍流折射率起伏。3 光纤传感技术光纤是一种圆形界面的介质波导，它是集成光学中用以限制和传导光的基本结构，是把各分立元件连接起来的光通路9。光纤有多种类型，其中最基本的一种是阶跃折射率光纤，即所谓的普通光纤，此外还有梯度折射率光纤和光纤光栅等。光纤传感技术是通过光纤传光特性来检测外部环境变化的一种测量技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的,是20世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术。运用光纤传感技术进行物理量测量的装置称为光纤传感器，它大体上可分为传感型(功能型)和传光型(非功能型)两大类10。传感型光纤传感器利用外界物理因素改变光纤中光波特征参量，从而对外界因素进行探测，它具有“传”和“感”合一的特点。而传光型光纤传感器利用其它敏感元件测量物理量，由光纤进行信息传输，其特点是可充分利用现有传感器，便于推广应用。目前已实现光纤传感的物理量有近70种之多。按照被测对象的不同，可分为位移、压力、转动、震动、电流、电压、电场、磁场、以及温度、速度、流速、流量等各种光纤传感器。按其对光信号调制手段的不同，又可分为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制和波长调制等各种不同工作原理的光纤传感器。光纤传感器以光纤作为传光介质，以光子作为信号载体，所以它与传统的传感器相比有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、耐腐蚀、以及体积小重量轻等一系列独特的优点，因而受到世界各国的高度重视。仅国内从事光纤传感与测量研究并且实力较强的大专院校和科研院所就有六十多家，可以说当前我国已经具备发展光纤传感技术的良好条件，即有市场支持也有人才储备10。4 光纤传感技术用于湍流参数测量鉴于光纤传感技术具备的一系列独特优点，将其用于大气光学湍流参数测量将有望从以下几方面实现质的突破：(1)有效提高测量的时间和空间分辨率,真正实现用光学手段在近距离内测量湍流光学参数的目标。(2)实现大气湍流参数的非接触测量。(3)实现沿海地区或高腐蚀性环境下的湍流参数测量。西方国家较早起步将光纤传感技术用于大气湍流研究,目前发展得比较成熟的有光纤多普勒测风仪和光学热线风速仪等11，并且已见产品。最近不断有利用光纤传感器或光纤干涉仪进行大气湍流测量的报道5,12,13-15，其中较为著名的是美国Keck天文望远镜阵列中所使用的集成光纤干涉仪，该干涉仪将多个相距千米以上的望远镜中接受到的星光合束，并产生干涉，从中提取大量湍流信息。从国内情况看来，尽管有关光纤传感研究的文献很多，但至今尚未发现有专门将光纤传感技术应用于大气光学湍流参数测量的报道。不难理解造成这种状态的可能原因，首先国内从事湍流大气光学研究的科研单位比较少，其次光纤传感技术在国内虽然获得了很大的反展，但是总体上还正处于发展并逐渐走向成熟的阶段，目前国内的发展水平还要比国外落后1015年。所以，要将光纤传感技术真正用于湍流大气光学参数测量，并且达到实用化的程度，在技术实现上还存在一定的困难。中国科学院安徽光学精密机械研究所是较早着手光纤传感和大气光学研究的国家重点科研单位之一，一直以来在这两方面都取得了许多重要的科研成果。但是随着大气光学研究对测量要求的提高，我们逐渐认识到有必要借助光纤传感技术的独特优势，着重发展光纤大气湍流传感与测量装置。目前已发现的有望获得突破的技术路线有两条。一是运用光纤干涉仪在几厘米的空气路径上准确测量大气湍流折射率起伏16，其原理如文献5或16所述。这里给出一些初步的实验结果。我们将光纤马赫泽德干涉仪的一个臂断开并通过一段空气作为测量臂，另一个臂直接连接到3dB光纤耦合器作为参考臂，其中空气段长度为2cm。图1是干涉仪测量臂放置在空调房间内得到的两路正交输出信号，其中横纵坐标分别为3dB光纤耦合器的两路输出光强经光电探测器转化成的电压信号。图2为有风扇吹动干涉仪测量臂时的正交输出信号，横纵坐标如图一。实验表明：这两种情况下，示波器显示的数据点无论在变化速度上，还是变化幅度上都有显著差异，并且后者大于前者。可见光纤干涉仪能够很好地探测到和分辨出湍流大气折射率起伏强度的变化。 图1空调房间内光纤干涉仪的输出信号 图2风扇吹动干涉测量臂时的输出信号第二条技术路线是利用光纤准直耦合装置在几十厘米的空气路径上测量大气湍流折射率起伏强度。实验表明：由一对相隔一定间距并且精确对准的光纤准直器组成的光纤耦合系统的耦合效率对空气扰动特别敏感，当湍流大气经过光纤准直器之间的空气段时，接收端探测到的耦合光强随湍流空气扰动变化剧烈。我们用风扇吹动产生湍流运动，在通过光纤准直器之间的 气流的上游放置一个热源，那么随热源温度的逐渐降低湍流折射率起伏也逐渐减弱。图3为利用有10cm空气间距的光纤准直耦合系统对大气湍流进行初步测量的结果，从中可以明显地分辨出均方根起伏光强随湍流强度逐渐减小的过程。图3光纤准直耦合装置在10cm测量路径上探测到的均方根(r.m.s.)光强起伏随湍流强度逐渐减弱的过程，其平均耦合光强为108以上两种方案都正处在实验和标定阶段，前期的实验准备工作已经基本完成。目前有一些理论问题正在努力解决，遇到的困难主要是如何消除噪声和增强系统的稳定性。假以时日，我们有望能够成功研制出实用的光纤湍流传感器。5 小 结随着湍流研究的深入，特别是高性能计算机数值模拟研究的进展，对湍流大气光学参数的测量精度以及空间和时间分辨率的要求越来越高。传统的光学湍流传感器已经难以满足日益发展的湍流光学研究需要。我们根据湍流大气光学研究的需要，提出了利用光纤传感技术进行大气湍流参数测量的若干方案，其可行性已经得到实验的验证。由于光纤传感技术具有一系列独特的优点，倘若加以重点研究，必然会对促进湍流研究工作的进展具有深远意义。参考文献:1. 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