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Abstract
The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.
Brillouin scattering spectrum double-edge technique temperature salinity oceanography Opto-Electronic Advances
2023, 6(1): 220016
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048
基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.
激光雷达 多普勒测风 数值仿真 光纤Mach-Zehnder干涉仪 双边缘检测技术 风速反演 鉴频系统 Lidar Doppler wind measurement Numerical simulation Optical fiber Mach-Zehnder interferometer Double-edge technique Wind velocity retrieval Frequency discriminator system
1 中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学中国科学院临近空间重点实验室, 安徽 合肥 230026
研制了应用于中高层大气(15~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)的双模式数据获取系统(DMDAQ)。该系统技术指标达到国际先进水平，不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探测范围大、时空分辨率高的技术要求，而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载DWL 研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数据获取系统的性能，进行了风场观测对比实验。结果显示，车载DWL 系统对风场观测的结果与气球探测结果在重叠区域(15~35 km)上基本一致。同时，对车载DWL 系统的实时回波信号分析显示，在60 km 探测高度上的风速测量精度为6 m/s。
遥感 测风激光雷达 双边缘技术 数据获取 大动态范围
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所,哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 控制与仿真中心,哈尔滨 150001
3 宜春学院 理工学院,宜春 336000
提出一种双边缘测风激光雷达法布里-珀罗(F-P)干涉仪鉴频器的非线性比例-积分-微分(PID)控制方法。该方法利用发射激光在鉴频器校正通道的透过率作反馈进行F-P干涉仪鉴频器的稳定控制。首先给出F-P干涉仪鉴频器透过率的控制模型,由气压波动、温度变化和振动等引起的外界扰动被等效为施加在致动压电陶瓷上的扰动外力。为了进行扰动补偿,用新增的反正切函数设计了非线性PID控制器,提高了经典PID控制方法的反馈增益。仿真结果显示,与经典的PID控制相比,新的非线性控制方法可以使F-P干涉仪鉴频器在更短的时间达到稳定状态,并且稳态误差约减小到原来的1/20。
测风激光雷达 双边缘技术 鉴频器 非线性比例-积分-微分控制 压电陶瓷 lidar double-edge technique frequency discriminator nonlinear proportional-integral-derivative control piezoelectric ceramics
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 和空间科学学院,安徽 合肥 230026
3 韩国原子能研究所 量子光学实验室,韩国 大田
研制了用于瑞利散射多普勒激光雷达的三通道法布里珀罗(Fabry-Prot)标准具,采用He-Ne激光对其进行检测,利用产生的干涉图案检测了两个边缘通道的厚度差为74.70±2.24 nm,对应频谱间隔为5.05±0.07 GHz;锁定通道与其中一个边缘通道的厚度差为27.16±1.90 nm,对应频谱间隔为1.79±0.07 GHz。数值模拟结果表明:采用脉冲能量350 mJ波长355 nm、重复频率30 Hz的激光器和口径450 mm的望远镜,利用该标准具作为鉴频器,在0-40 km高度,瑞利散射多普勒激光雷达的径向风速测量误差小于2.53 m/s,测量精度比理论设计值2.94 m/s提高了约14.1%。
分子散射 双边缘技术 测风激光雷达 法布里珀罗标准具 干涉条纹
1 南昌航空工业学院,江西 南昌 330034
2 浙江大学光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,浙江 杭州 310027
提出了采用双边缘技术测量光纤传感中的布里渊频移。利用边上信号对频率变化敏感的特点,提出了边缘检测技术,并通过设置最佳的工作点,使系统工作在最敏感的点上。理论分析表明,为实现0.5 MHz的布里渊频移测量精度,通过测量最大信号的常规检测所需的信噪比为65.1127 dB,单边缘检测所需的信噪比为37 dB,双边缘检测所需的信噪比为31 dB。所以,在相同信噪比下,与常规检测技术相比,边缘检测技术可以大大提高布里渊频移测量精度。
光纤光学 分布式光纤传感 布里渊频移 双边缘技术 相干检测
