光纤传感技术用于大气光学湍流测量

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1、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；hpmei@aiofm.ac.cn。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。

2、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

3、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，

4、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

5、(NavalResearchLab)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。62光学湍流测量方

6、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，

7、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，

8、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