In this study, we present a dual-Fizeau-interferometer-based high-speed and wide-range fiber-optic Fabry-Perot (F-P) demodulation system. We employ two Fizeau interferometers with air cavity thickness satisfying the quadrature requirement to increase the demodulation speed and broaden the demodulation range in order to address the issues of the existing fiber F-P demodulation system’s sluggish demodulation rate and limited range. In order to investigate the demodulation properties of the dual-Fizeau-interferometer-based demodulation system, we derive and create a theoretical model of the system. The theoretical model, which primarily consists of the structural design of the interferometer and the study of the center wavelength of the light sources and their bandwidth selection, is used to construct the optical structure of the demodulation system. According to the calculation results, the demodulated signal exhibits the best contrast ratio when the two light sources’ respective center wavelengths are 780 nm and 850 nm, and their bandwidths are 28 nm and 30 nm. Finally, we finish evaluating the demodulation system’s demodulation performance, parameter calibration, and assembly debugging. The test results demonstrate the constant operation of the demodulation system, an update rate of 100 kHz, a demodulation range of 4.74 μm, and a cavity length resolution of approximately 5 nm. Additionally, the system can perform high speed demodulation thanks to the light emitting diode’s (LED’s) nanosecond level switching speed and the usage of a single point detector.

星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点，是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式，对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型，以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值，模拟了典型场景下的探测信号，并结合反演分析了测风精度水平。结果发现，云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比，从而提升反演精度，将风速误差控制在±1.2 m/s范围内；但当云层冰水含量较大时，由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱，从而增大反演风速误差，部分区域甚至无法实施有效探测。另外，在采用重心法反演风速时，可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。

激光干涉仪中光学元件上的瑕疵、气泡和脏点等会在干涉图中引入类似“牛眼环”的相干噪声。为解决这一问题，提出一种基于多模光纤扩展光源的相干噪声抑制方法。该方法利用扩展光源抑制相干噪声，选择最优多模光纤纤芯保证良好的干涉条纹对比度，并使用复合散斑抑制技术，通过多模光纤和旋转毛玻璃减小散斑对比度，抑制多模光纤模式干涉产生的散斑噪声。在直径为300 mm的干涉仪中进行了仿真分析与实验验证，结果表明：在直径为300 mm的菲佐立式平面干涉仪，腔长为500 mm，相机曝光时间为5 ms的条件下，将该光源系统中多模光纤纤芯直径范围控制在0.52~1.70 mm范围内，可以保证干涉条纹对比度大于0.75；干涉仪最终成像的散斑对比度维持在0.04左右，最小可以达到0.044；多模光纤扩展光源进一步提高了光源的均匀性，干涉仪中成像背景更均匀。实验证明了所提方法可以有效抑制干涉图中的相干噪声。

菲佐激光干涉仪使用的标准球面镜头通常只能在特定波长下使用。提出了一种通过调整镜头内部透镜间隔来改变其工作波长的方法,利用该方法设计了两款可变波长标准球面镜头,口径为19.05 mm,镜头光圈系数分别为5.6和8。镜头在各目标波长下的参考波前质量均满足设计要求,并分析了公差容限以确保镜头具有可实际加工性。根据可变波长标准镜头的装调和工作原理设计了机械结构,并研制出光圈系数为8的实验镜头,测得其透射波前峰谷值在标准632.8 nm激光干涉仪下小于λ/10(λ为入射光的波长),镜头的实际加工误差在容限范围内。使用多波长激光干涉装置和实验镜头测量了同一球面元件的面形,在5种波长下测量结果基本一致,实验结果表明,可变波长标准镜头可以用于实际检测。该类镜头的研发节约了检测成本,提高了标准镜头在激光干涉测量中的利用率,该镜头具有较高的工程应用价值。

相移器是斐索干涉仪的核心部件，其关键为压电陶瓷(PZT)致动器，而其迟滞非线性特性严重影响了相移精度，对光学元件的形貌检测造成不利影响。该文首先设计了PZT的控制系统，利用National Instruments(NI)动态数据采集设备(PCIe 6321)、LabVIEW系统及电压放大器组成电压驱动系统产生驱动信号，利用电阻式应变仪、惠斯通电桥作为位移传感器采集位移;其次，提出了一种多项式模型及基于PZT传递函数的前馈开环校正算法对PZT进行建模及校正;最后，在实验系统上对该算法进行了验证。实验结果表明，校正后，相移器的相移误差可被改善，校正前、后位移差小于10%。该系统可有效校正非线性，从而降低非线性相移对测量结果的影响，满足检测光学元件面形的高精度要求。

提出了一种采用斐索干涉仪测量由交叉相位调制产生的非线性相移的实验方案,得到了不同探测光功率、控制光功率和偏置电流条件下的相移公式。结果表明,非线性相移与控制光功率和偏置电流呈单调递增关系,与探测光功率呈单调递减关系,优化设计了半导体光放大器交叉相位调制的工作点。提出了影响非线性相移的最佳相位调制点的确定方法,得到π/2相移的最佳相位调制参数:探测光功率为0.29 mW,控制光功率为0.5 mW,偏置电流为276 mA。

气温是描述大气状态的基本参数之一, 温度的准确测量对天气预报、 气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。 激光雷达作为一种遥感仪器, 已经用于气象要素的探测中(风、 温度、 气溶胶的光学厚度等)。 目前, 测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(振动和转动)、 共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等, 拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器; 共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度; 基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量, 反演温度时需要建立响应函数和校准程序; 基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法, 时间分辨率较低, 并且该方法在测量过程中需要运动部件, 所以不利于星载。 在大气低层, 分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响, 两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布, 直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度, 会产生误差。 基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响, 所以在对流层中该方法并不适用。 为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量, 提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量, 并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制, 从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小, 最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。 除此之外, 还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、 固体腔几何长度、 腔体反射率、 扫描间隔等参数进行了优化设计。 为了验证本文提出方法的可行性, 利用Matlab软件建立了一套仿真模型, 通过模拟表明, 在不考虑云、 风和水汽含量的影响时, 利用该方法测量对流层内的大气温度时, 测量误差小于1 K。 该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、 高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件, 有较高的使用价值, 并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。

针对大平面菲索干涉图像的相干噪声问题，采用旋转毛玻璃片的方法改变光束的相干性，来降低干涉系统的噪声。通过对毛玻璃的转速与条纹对比度和系统信噪比之间的关系进行仿真，获得最佳干涉条纹状态所需要的毛玻璃控制参数。在不同控制参数下获取干涉图像，并分别对各图像的条纹对比度和系统信噪比进行分析。研究结果表明，增加的毛玻璃转速，虽然在一定程度上降低了干涉图像的对比度，但却有效地提高了信噪比，便于后续的干涉图像处理。