高精度光纤大气光学湍流强度与结构测量系统

2013-04-08  来源:

项目分类:观测仪器设备  立项年度:2009

负责人:饶瑞中       完成年度:2012

完成单位:中国科学院合肥物质科学研究院

一、项目简要说明

该设备是基于精密激光干涉测量原理,采用光纤技术、半导体光电子技术、高速数据采集和计算机软件技术而研制的,用于研究大气边界层及某些恶劣环境,如海面腐蚀性环境下的光学湍流强度及其时间、空间结构特性的实验测量系统。使用该设备可以在空间多测点高精度、非接触式地直接、同步探测局域光学湍流的微弱折射率起伏,得到其时间序列,用以计算光学湍流的强度、全频率的光学湍流谱、特征尺度、空间结构函数和相关系数以及上述关键参数的时空分布状态及变化规律,使人们能够长期、准确地监测待研究区域的大气光学湍流状态,对于研究边界层大气湍流的发生、发展机理、激光工程应用、天文选址和自适应光学技术等有着重要的基础意义。

“ 高精度光纤大气光学湍流强度与结构测量系统( 简称光纤湍流测量系统,Fiber OpticalTurbulence Sensing System(FOTS))”主要由半导体相干激光光源、全光纤分光光路、分布式光纤湍流传感器、多路低噪声快响应光电探测器和高速计算机数据采集处理系统五个部分组成。激光光源采用通信波段的通用半导体相干激光光源,使得设备的关键器件具有通用性和易选择性。采用相位载波调制解调技术,避免了环境温度变化及低频振动等对光纤传输光路中的激光相位信号的影响。独立提出的激光电流—频率调制率测量

新方法,自主开发的随机湍流相位差快速解调算法保障了光学湍流测量的可靠性。

自行构建的“光纤湍流传感器工艺平台”,突破了光纤湍流传感器生产工艺瓶颈。自行设计制造的反射式光纤湍流传感器,采用自聚焦透镜耦合技术,利用陶瓷的机械稳定性和热稳定性,实现了4.5cm 高效耦合的湍流采样空气间隙。该传感器的研制基于完全自主知识产权的专利技术,能够适应大风、雨雪、冰雹等恶劣天气环境和海洋大气腐蚀性环境而不易损坏。基于精密光纤湍流传感器阵列的高精度光纤大气光学湍流强度与结构测量系统的研制成功,在国际湍流测量技术领域具有领先意义。

二、在科研工作中发挥的作用

项目组利用自主研制的光纤湍流测量系统,结合传统的温度脉动仪,开展了典型环境下的大气光学湍流时空结构特性及变化规律的探测研究,研究区域包括近海面、近水面、近地面以及铁塔上,取得了一系列新发现和创新性成果:

1. 在海洋大气光学湍流研究方面,利用FOTS 在福建厦门近海面环境和广东茂名近海面环境下进行了实地观测,统计并得到了近海面光学湍流强度区域差异、日变化趋势、概率分布特征,研究了边界层大气光学湍流随下垫面净辐射变化情况,获得了近海面光学湍流功率谱的一般表现形式及湍流谱标度指数的日变化特征。发现当光学湍流达到或超过中等强度时,湍流谱大体上可划分为低频区、高频区和噪声区三个频区,且在低频区与高频区之间的转折频率和高频区与噪声区之间的转折频率一般随湍流强度的增加而增大。

上述有关近海面高频区大气光学湍流谱的观测结果在国际尚属首次。

2. 在合肥激光传输试验场开展了连续系统的实验观测,积累了池塘、草地和气象观测铁塔高层的光学湍流状态同步观测数据,为研究边界条件对光学湍流发生、发展的作用机理提供了宝贵的数据资源。

3. 利用一维光纤湍流传感器阵列,开展了边界层光学湍流空间结构的研究,在国际上首次获得了不依赖于泰勒“冻结湍流”假定的多尺度光学湍流空间结构函数和相关函数。基于光纤传感阵列探测技术,发展了光学湍流主要特征参量的测量新方法,丰富了大气光学湍流基础理论。

此外,该系统已被列入我国863 计划领域相关激光传输试验场建设和大口径望远镜选址项目中,将作为重要设备参与我国先进光电工程项目的研究和发展。同时,该系统还有望成为研究高空大气光学湍流特性的首选仪器设备。

(合肥物质院科研规划处供稿)

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