地基氣輝成像干涉儀探測中高層大氣的研究.pdf

1、對中高層大氣特性的觀測和研究近年來成為大氣研究者們的一個重要課題，能夠?yàn)楦玫乩斫馊驓夂蜃兓峁┯辛Φ闹С?。目前被動式光學(xué)遙感探測儀器主要有三類:重力波成像儀、溫度探測儀和風(fēng)速探測儀。為了獲取一個地區(qū)中高層大氣的溫度和風(fēng)速，通常同時分別使用兩臺單獨(dú)的儀器來實(shí)施觀測，例如使用FPI(Fabry-Perotinterferometer)或廣角Michelson干涉儀來測風(fēng)，并使用斜濾光片光度計、MORTI(mesopauseOxygenr

2、otationaltemperatureimager)或SATI(spectralairglowtemperatureimager)來測溫，這樣一方面增加了探測成本，另一方面兩臺儀器的不同步也會對探測數(shù)據(jù)的分析帶來一定的誤差。本文在深入分析和研究了國內(nèi)外進(jìn)展的情況下，結(jié)合課題組的優(yōu)勢和研究基礎(chǔ)，研制了一臺同時探測地球上空94kin處的大氣風(fēng)速和溫度的地基版氣輝成像干涉儀樣機(jī)——GBAⅡ(Groundbasedairglowimaging

3、interferometer)，并成功地對西安地區(qū)上空的中高層大氣實(shí)施了有效探測。本文進(jìn)行了如下的研究工作:
　　1、對GBAⅡ探測大氣溫度和風(fēng)速的原理和方法進(jìn)行了研究。GBAⅡ?qū)V角Michelson干涉儀“四強(qiáng)度”測風(fēng)法與F-P干涉濾光片的“轉(zhuǎn)動譜線測溫法”結(jié)合在一起，從理論上研究較高的風(fēng)速探測精度的方法，同時能夠保證在大光程差下獲取較高的溫度探測精度。
　　2、對GBAⅡ的關(guān)鍵器件進(jìn)行了研制。提出了一種新型的更具實(shí)用性

4、的大空氣隙廣角Michelson干涉儀，通過視場展寬的計算，優(yōu)化出以中國常見牌號H-K9L的光學(xué)玻璃為材料的實(shí)體干涉儀，其中玻璃臂長44.45mm，空氣臂長29.45mm，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計的正確性。根據(jù)儀器特點(diǎn)選取了夜間氣輝發(fā)射的O2(0-1)帶譜線作為探測光源，并根據(jù)譜線選定中心波長867.79nm半高寬0.28nm的窄帶干涉濾光片。
　　3、對新型靜態(tài)步進(jìn)裝置這一國際熱點(diǎn)問題進(jìn)行了探索研究。提出了使用反射式液晶LCoS(

5、liquidcrystalonsilicon)空間調(diào)制器的純相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)“四強(qiáng)度”步進(jìn)掃描，導(dǎo)出了理論模型，模擬結(jié)果驗(yàn)證了這一思路的可行性。并將購買的LCoS運(yùn)用到大空氣隙廣角Michelson干涉儀中，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)得到光程差在3.6°時的變化為0.5個條紋左右，儀器調(diào)制度在0.146-0.226之間。
　　4、設(shè)計了GBAⅡ的光學(xué)系統(tǒng)。利用光學(xué)設(shè)計軟件CodeV對子系統(tǒng)和整體系統(tǒng)分別進(jìn)行了優(yōu)化，得到了GBAⅡ的各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)，

6、結(jié)果顯示0°視場時彌散斑直徑約為0.06mm，整個光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值(MTF，modulationtransferruction)均在0.3以上，中部視場的MTF甚至達(dá)到0.6以上。
　　5、研究了GBAⅡ的正演模型、定標(biāo)測試方法及數(shù)據(jù)反演算法。對大氣光源模型、大氣傳輸模型、MI模型、濾光片模型、光學(xué)系統(tǒng)衰減模型、儀器響應(yīng)度模型和噪聲模型等7個子模型進(jìn)行了分析和計算，給出了GBAⅡ的正演模型方程。闡述了GBAⅡ多項(xiàng)參數(shù)的定標(biāo)

7、方法，并進(jìn)行了測試，獲得了準(zhǔn)確的儀器參數(shù)。將定標(biāo)獲得的參數(shù)代入正演方程中，通過計算機(jī)編程得出了模擬拍攝的正演圖像。對GBAⅡ的數(shù)據(jù)反演原理及算法進(jìn)行了深入研究，給出了溫度和風(fēng)速的反演公式。
　　6、利用GBAⅡ樣機(jī)實(shí)施了實(shí)地觀測。在2012年6月12日凌晨的西安市郊區(qū)雁翔路58號西安理工大學(xué)曲江校區(qū)教學(xué)九號樓頂(北緯34°13′22.21″，東經(jīng)108°59′38.14″，海拔高度457m)對GBAⅡ?qū)嵤┝私?個小時的觀測,獲得西

8、安地區(qū)上空94km處的大氣溫度為167K-196K，溫度探測精度約為2.1-2.9K，大氣的緯向風(fēng)均為北向，在1～45m/s之間變化，經(jīng)向風(fēng)均為東向，在8～46m/s之間變化，風(fēng)速探測精度為13～21m/s。通過與MSISE90溫度模型和HWM93風(fēng)場模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到了基本一致的變化趨勢和量級，驗(yàn)證了GBAⅡ樣機(jī)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　本文對GBAⅡ樣機(jī)的研制和對中高層大氣的探測進(jìn)行了較為系統(tǒng)而全面的研究，希望能夠