非对称空间外差干涉仪相位探测和漂移校正（英文）

针对多普勒非对称空间外差干涉技术,提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移;然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位,通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台,获得采样干涉图,并对相位误差进行校正.结果表明,在60.37m/s的模拟风速下,相位漂移误差达到30.78m/s,通过相位校正风速反演误差降低至3.51m/s,风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97m/s的风速测量精度.     

测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移,进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小,而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同,除受扩视场棱镜和光栅影响之外,用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移,分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上,提出了一种绝对相位漂移校正方法,通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离,校正温度引起的绝对相位漂移,从而准确反演风速。结果表明,仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5m/s,与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。     

基于分段边缘拟合的测风多普勒差分干涉仪成像热漂移监测方法

多普勒差分干涉仪是近年来发展起来的一种适用于中高层大气风场星载测量的干涉仪,它依靠对干涉图相位的精确反演计算气辉谱线的多普勒频移得到大气风速.环境温度的变化导致干涉仪光机组件发生热变形,造成成像面在干涉方向上的热漂移,改变相位的像元分布,直接引入相位误差从而影响风速反演.为了减小这种成像热漂移对多普勒差分干涉仪相位反演的影响,本文用分段拟合的方法检测光栅的标尺刻槽在干涉图中成像图案的边缘,定位刻槽图案的亚像元位置并依此监测成像热漂移.在近红外多普勒差分干涉仪样机的热稳定实验中,像面热漂移检测结果与环境温度在高频振荡变化趋势上表现出较高一致性,二者相关系数经去基线后可达0.86,而干涉图相位漂移经成像热漂移校正后其高频振荡也得到大幅抑制,证明了该算法的有效性.为了进一步验证该算法精度,计算了数据信噪比以及拟合所用各项数据分布特征参数误差对边缘检测的影响,结果表明,边缘检测精度主要受数据信噪比和条纹频率参数准确性的制约,当拟合用条纹频率参数误差小于0.5%而其他数据分布特征参数误差在1%以内,数据信噪比在约35倍以上时,本文算法可以实现高于0.05像元的检测精度.     

弹光调制傅里叶变换光谱相位校正及DSP实现

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)具有调制速度快、信息量大的特点,但采样位置偏差会导致干涉图存在相位误差,影响复原光谱的准确性。因此,必需采用一种运算速度高的相位校正方案。以300 K黑体为辐射源,通过弹光调制干涉具产生干涉数据,并在TMS320C6713DSP芯片上,采用Mertz法对弹光调制干涉图进行相位校正。首先提取出一幅完整周期的双边干涉图,经过切趾处理后,以零光程差点为中心计算小双边干涉图的相位误差,再通过插值补零得到整幅干涉图的相位误差,求出整体干涉图的频谱并进行相位修正。采用二范数定义校正后反演光谱的精度,以计算定时器周期寄存器值的方法设置DSP定时器,以统计代码的运行时间,并通过观察链接命令文件.cmd中程序与数据的分配存储情况,来对比分析Mertz法与模平方法的校正结果。实验结果表明,在DSP上实现相位校正时,Mertz法相位校正方案具有运算速度快、占用存储空间少、误差较小等特点,并且Mertz相位校正法的运算时间较模平方法快20倍,适用于对PEM-FTS干涉图进行高速准确的相位校正。     

扫描式法布里-珀罗干涉仪测量高空大气风速

为测量中低纬度地区250km高空大气风速，采用扫描式法布里 珀罗干涉仪记录250km高度附近的OI630nm气辉辐射谱线的干涉图像。通过对观测图像分析处理，用高斯函数匹配干涉条纹强度分布以确定干涉条纹强度中心的精确位置，进而求出谱线的多普勒频移，反演出经向和纬向风速。经过理论推导，求出F P腔间距的漂移量对风速的影响，对反演风速进行修正。由风速随时间变化曲线得到在观测期间，经向风朝南，大小在4～67m/s间变化；纬向风朝东，大小在20～100m/s间变化，最小风速误差约为6m/s。     

转镜式傅里叶变换光谱仪光程差非线性的拟合法补偿

转镜式傅里叶变换光谱仪中光程差非线性带来了干涉图周期变化和相位误差,对非线性的拟合法补偿利用采样得到的干涉图进行重构,得到不含相位和周期误差的干涉图,再按照均匀采样函数对干涉图进行二次采样,消除非线性光程差对复原光谱的影响.经过二次采样的干涉图不含周期和相位误差,可以直接使用现有的软件进行光谱复原.计算机仿真实验证明这种方法行之有效,且利用4次多项式拟合干涉图效果更好.     

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。     

空间采样傅里叶变换光谱仪光谱反演研究

根据相似性准则,对采集到的干涉图像进行干涉图元的拆分,通过寻址定位,得到与离散光程差序列相匹配的采样干涉图序列。采用过零采样方式,对大单边干涉图序列与小双边干涉图序列利用不同的窗函数进行切趾。为了校正相位误差,结合所研究采样干涉图的特点,对频域光谱乘积校正和空域干涉图卷积校正进行了研究和改进,获得了比较理想的光谱线形,其中空域干涉图卷积校正后的光谱偏差仅为0.012088,具有最好的校正效果。     

多普勒差分干涉仪干涉图信噪比对相位不确定度研究

多普勒差分干涉仪通过测量干涉图相位变化反演大气风速.干涉图信噪比是工程应用中影响测风干涉仪相位反演精度的核心指标之一,基于观测数据分析多普勒差分干涉仪中相位不确定度与干涉图信噪比之间的定量关系建立解析模型,对仪器设计、性能评价及风场数据应用具有重要意义.本文基于傅里叶变换光谱学噪声传递理论和多普勒差分干涉仪相位反演模型,建立干涉图信噪比与相位不确定度传递的理论模型.利用多组不同信噪比仿真及实验实测数据,将相位反演模型计算的统计结果与本文提出的理论模型分析结果进行比较验证,结果表明,多组实验数据平均残差小于0.07 mrad,两者的一致性较好,建立的模型为多普勒差分干涉仪效能评估、干涉仪设计优化提供理论依据.     

空间外差光谱仪相位校正方法的研究

空间外差光谱仪在应用的过程中由于各种测量原因使采集的干涉图存在相位误差。对此提出了一种改进的相位校正方法,该方法在提取单边变换光谱进行傅里叶逆变换求取干涉图相位曲线的基础上,通过拟合相位斜率求出相位误差,然后计算相位校正函数,将变换光谱与相位校正函数进行卷积来实现光谱相位校正。把该方法应用于实测单色谱与仿真水汽光谱的相位校正,实验结果显示该方法能有效的去除单色光谱边缘的低频假信号,提高干涉图的周期性和对称性;对于叠加了相位误差的连续光谱,使其校正前后的光谱与原光谱的标准偏差由0.47降为0.20,提高了光谱的准确性。     

光纤傅里叶变换光谱仪干涉图的对称化处理

偏离中心条纹的抽样以及光纤干涉仪的缺陷引起光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)输出的干涉图不对称,导致由傅里叶余弦变换计算得到的光谱带有相位误差,影响光谱的线型。文章首次将卷积方法应用到光纤傅里叶变换光谱仪中干涉图的对称化处理,利用干涉图的中心部分计算出相位误差,通过傅里叶变换得到了对称化处理函数,用卷积运算在时域完成了光谱的相位误差校正。实验研究表明,在FFTS中该方法能在时域有效地实现干涉图对称化,校正了光谱的相位误差。该方法不仅克服了双边干涉图的缺点,而且校正的结果有较高的准确度。     

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06％.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.     

基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当R_β > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当R_β<10时, 相对误差小于13%. 关键词： 多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 边缘技术 双频率