CN101435880B - 高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对高层大气速度场、温度场、压力场和粒子辐射率等进行被动式遥感探测的方法，其特征是通过在迈克耳逊干涉仪的两臂加设宽场玻璃、在两臂全反射镜前分别设置λ/4波板、在分束器出射口设置λ/4波板及四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增π/4情况下，通过一次测量获得风场同一目标的四个干涉强度值，继而计算出高层大气风场速度和温度，并据此反演得出风场的压力场和粒子辐射率的数值，从而获知速度场、温度场和压力场分布等信息，其显著特点是静态宽场、无运动部件、消色差、消温差，可实现大气风场干涉图四强度的同时、实时和多方向、全方位探测。

Description

高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法

技术领域

本发明内容属于光学遥感仪器、计算机图像处理、精密机械等交叉学科技术领域，涉及一种用于对高层大气(80～300km)速度场、温度场、压力场和粒子辐射率等进行被动式遥感探测的方法。

背景技术

国际上对高层大气被动式探测的基础性研究始于20世纪中期。起初是对被探测源-气辉或极光的产生机理、谱线多普勒频移和展宽、大气辐射区温度及热动力学特性等问题进行了长期和深入的探讨；自20世纪80年代起，本领域已相继开始对利用极光的两条主要谱线(557.7nm的绿线和630.0nm的红线)的干涉图进行四强度探测来确定高层大气风场的速度、温度的原理及利用仪器探测的方案、仪器装置的研制等工程性问题进行深入的研究，并且取得了突破性的进展。法布里-珀罗干涉仪和迈克耳逊干涉仪这两种主要的光学仪器迄今已被广泛用于地基或空基对大气风速和温度的测量。

法布里-珀罗干涉仪由于具有高的灵敏度、光程差对温度的有限依赖性以及结构较为简单的优点而延用至今；迈克耳逊干涉仪则由于其具有较大视场的基本优点，更加适合于行星大气层扩展光源的研究。大视场的优点也带来了高的信噪比，这更利于大气的测量，因此当今本技术领域预研的装置大多都是基于迈克耳逊干涉仪原理的探测装置。目前国际上在被动式大气风场遥感探测领域处于领先水平和代表性的工作为由加拿大空间署、法国国家空间中心和美国航空航天局(NASA)合作开展的大气风场探测项目-星载风成像干涉仪。这一项目最早由法国开始研究，由于经费问题，后与加拿大合作。在NASA的支持下，1991年9月12日，这一合作项目取得了突破性进展，风成像干涉仪(WINDII)被搭载于上层大气研究卫星(UARS)上用于探测卫星覆盖范围的大气风场，所探测光源谱线波长分别为557.7nm和630.0nm的绿光与红光极光谱线。从迄今传回地球的百余万张图像中，人们已获得了大量的高层大气的有关信息。它的测量原理是运用光学多普勒干涉技术来确定大气中携带的辐射粒子(原子和分子)气辉辐射线波长的微小飘移来测量风速、温度和粒子的辐射率。风成像干涉仪的主体是温度补偿的含有步进动镜的广角迈克耳逊干涉仪，其在卫星轨道上测量风速可达到的精度为10m/s，2005年WINDII已经退役。近年来，美国、加拿大、法国科学家开始研制用于近红外、中红外区探测风场装置-同温层风场输运干涉仪(SWIFT)，预计2010年发射并进行探测试验。除此之外，人们也还考虑到这种装置在感兴趣的紫外、热红外区域的应用，但涉及到许多实际的挑战性困难。

目前国际上研制的风成像干涉仪如WINDII、SWIFT、ERWIN等仪器均采用动镜扫描方式，探测时需要动镜步进四次，分别采集同一个目标不同时刻的四个干涉强度值，由于在此过程中风场已发生变化，而测量中却近似认为风场不变，所以造成测量误差较大；另一方面因为现行仪器中均含有运动部件(动镜)，在很大程度上影响了仪器的稳定性和测量结果，极不适合航天、航空遥感探测。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种显示了静态、实时、同时探测的显著优点并具有探测效率高、稳定性高和探测精度高等显著特色的高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法。

本发明所述的高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测方法是基于下述探测原理而设计的。

被动式探测大气风场的光源是高层大气中的气辉(极光)，其高度分布在距地面80～300km的电离层和外逸层中，两条谱线主要来源于亚稳态原子氧的跃迁，从O(¹S)态跃迁到O(¹D)态，和从O(¹D)态跃迁到基态分别产生557.7nm和630.0nm的谱线，这一辐射即形成了理想的多普勒目标-极光。亚稳态原子氧在辐射前与周围的粒子多次碰撞，处于热平衡状态，因此，它与风场有一个共同的运动速度和温度，这就是我们要测量的风场速度和温度。而高层大气风场测量的理论依据是干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应。

我们知道，物体发出的光线会因物体本身的运动而产生多普勒频移，观测到频移量可以反演出物体运动的速度。但是这样的频移量非常小，直接观测谱线频移非常困难。如果对谱线的干涉现象进行探测，在大光程差下，其谱线频移产生的相位变化就容易被探测到。因此，被动式探测大气风场就利用大气中自然形成的极光(气辉)为光源，利用具有双光束干涉形式的成像干涉仪来确定气辉发射谱线波长的多普勒微小频移，从而测量风的速度、温度并反演出风场的压强和粒子辐射率等。

当极光谱线的光谱强度为B(σ)时，由干涉成像光谱理论知，B(σ)的傅氏变换即为干涉图的强度I(Δ)，其中σ、Δ分别为波数和光程差；由电磁波的多普勒效应知，当光源与观察者之间有相对运动时，观察到的谱线波数σ(谱线位置)将与相对静止时的光源谱线波数σ₀发生漂移，这时σ必为相对速度v和相对运动速度方向与光源和观察者之间连线夹角θ的函数。由于我们采用的探测仪器为双光束干涉装置，故其干涉强度必具有双光束干涉强度的普遍形式

I＝I₀[1+Vcos(Φ_i+Φ)](1)

式中I₀为一常数，V为调制度；Φ是位相因子，即由于气辉粒子运动所产生的干涉位相差。

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}=\exp (-Q{\mathrm{\Δ}}^{2}T)---\left(2\right)$

$\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Δ}\frac{v}{c}\cos \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

式中 $Q=1.82\×{10}^{-12}/\left(M{\mathrm{\λ}}_0^2\right){\mathrm{cm}}^{-2}{K}^{-1}$ 与高斯线型谱线有关，λ₀＝1/σ₀为零风速时的谱线波长，c为真空中的光速。

可见，V和Φ分别为风场温度T、风速v、光源与观察者相对运动速度的方向同二者连线之间夹角θ的函数。只要知道了调制度V就可求出风场温度T，知道了位相差Φ便可求出风速v。由于θ角在理论上可取任意值，故可实现多方向、全方位的探测，克服了目前国际上仅限于光源至观察者连线方向上(即θ等于零)的一维探测的缺点。

由于上述表达式中存在着三个未知量I₀、V和Φ，且V、Φ又都是I₀的函数，故V、Φ的准确度决定于I₀的精确程度，I₀又受到测量仪器及测量环境(温度、压强等)因素的影响，故必须对I₀进行校正。为此采取的方法是在光程差四分之一波长递增的情况下，在一个干涉条纹上连续测量4步，测出4个强度值，通过两两组合以校正I₀，即利用“干涉图4强度测量法”连续测出4个强度值I₁、I₂、I₃、I₄，即可求出I₀、V、Φ：

$I_0=\frac{I_1+I_3}{2}=\frac{I_2+I_4}{2}---\left(4\right)$

$V=\sqrt{{(I_1-I_3)}^2+{(I_4-I_2)}^2}/2I_0---\left(5\right)$

$\tan \mathrm{\Φ}=\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}---\left(6\right)$

进而由上面给出的各表达式即可求出风场的速度v和温度T，压力场则可通过温度的反演而得到。

基于以上探测原理，本发明所述高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法的特点是通过在迈克耳逊干涉仪的两臂加设宽场玻璃(补偿玻璃块)、在两臂的全反射镜前各设置一块λ/4波板、在分束器出射口设置一块λ/4波板并在该λ/4波板后依次设置四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增π/4的情况下，通过一次测量获得风场同一目标的四个干涉强度值I₁、I₂、I₃、I₄，继而根据上述的(1)～(6)式计算出高层大气风场速度v和温度T，再通过温度的反演得到高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，这样即可实现对高层大气风场目标的静态、实时、同时、多方向、全方位被动探测，从而获知风场速度场、温度场和压力场的分布等信息的目的。

本发明所述的探测方法与目前国际上美、加、法三国科学家研制的搭载于上层大气研究卫星上的WINDII和即将于2010年发射的SWIFT等均具有的动镜扫描、四强度依次分别探测不同时结构方式的风成像干涉仪探测方法相比，其显著特点是静态、无运动部件，具有结构合理、性能可靠、操作方便等优点，可实现干涉图四强度一次同时、实时测量，特别适合大气快速变化目标的探测。可实现多方向、全方位的大气探测，极大地提高了高层大气探测的效率。

附图说明

图1为一种用于实现该探测方法的探测装置——静态宽场消色差消温差偏振风成像干涉仪的平面原理示意图。

图2为该偏振风成像干涉仪一个具体实施例的结构示意图。

图3为偏振分束器的示意图。

图4为四分区检偏器的四分区透振方向(偏振方向)图。

图5为该偏振风成像干涉仪的宽场消色差消温差原理图。

具体实施方式

参见附图，本发明所述的探测方法可通过设计人研制的专业探测仪器——静态宽场消色差消温差偏振风成像干涉仪的应用结构得以实现，该偏振风成像干涉仪是一种利用光的偏振特性并基于光的多普勒频移和成像光谱技术原理的可用于高层(80～300km)和中、低层大气速度、温度、压强和粒子辐射率探测的新型光学遥感仪器。该偏振风成像干涉仪由起偏器1、偏振分束器(PBS)2、全反射镜6、10、两块反射臂宽场玻璃3、4、一块透射臂宽场玻璃7、三块λ/4波板5、9、11、四面角锥棱镜12、成像镜13、四分区检偏器14以及四分区CCD15组成(图1、图2)，其中：用于接受大气风场光量信号的起偏器1由消光比10e-3的偏振片构成，起偏器1垂直设置在入射光线主光轴方向上，其偏振化方向与竖直方向和水平方向分别成45度角；偏振分束器2沿主光轴方向位于起偏器1后方，由两块三角劈型玻璃块2.1、2.2以及夹置两三角劈型玻璃块2.1、2.2间的偏振分束膜2.3构成，其偏振分束膜2.3以45°倾角设置在主光轴方向上(图3)；两个全反射镜6、10分别设在偏振分束器2的反射光和透射光方向(即干涉仪的反射臂和透射臂方向)上，在两个全反射镜6、10前各设有一块λ/4波板5、9，其中λ/4波板9与透射臂宽场玻璃7间辟有一层空气隙8；成像镜13设在偏振分束器2的出射光方向上，在成像镜13前依次设有四面角锥棱镜12和λ/4波板11，在成像镜13后方依次设置有四分区检偏器14和四分区CCD15，四分区检偏器14的四个偏振分区位相依次相差π/4。实际探测时，来自高层大气风场目标的入射光线经起偏器1后形成线偏振光在偏振分束器PBS的分束膜上将被分解为两个振动方向相互正交的线偏振光s分量和p分量，s光振动方向垂直纸面，p光振动方向平行纸面，并分别被反射和透射入干涉仪的两臂宽场玻璃中，再通至两个前部设有λ/4波板的全反射镜6、10上；由于两臂的末端均设置了λ/4波板5、9，其快轴方向与纸面垂直方向间的夹角为π/4，因此反射臂的s光在返回时候将变为p光，透射臂的p光在返回时候将变为s光(为了更好的表现光线偏振方向的改变，此处有意的将反射光线做了横向的偏移处理)，继而两束光再经过两臂宽场玻璃到达偏振分束器2，从偏振分束器2出射的两束线偏振光传播方向相同，经过λ/4波板11后至四面角锥棱镜12，经四面角锥棱镜12分束后再通过成像镜13至静止的四分区偏振片14，进而再通过静止的四分区偏振片14透射后在四分区CCD15的相应区域位置内发生偏振光的干涉，形成干涉图，通过“四强度”探测法就可以在一个周期内(即一个条纹上)位相差依次递增π/4的情况下同时测得四分区CCD上各分区风场干涉图的四个强度值I₁、I₂、I₃、I₄，继而根据前述(1)～(6)式反演出高层大气风场速度场和温度场，再通过温度的反演得出高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，从而获知高层大气速度v、温度T、压强P和粒子辐射率等相关信息。

在本发明所用干涉仪的反射臂和透射臂上设置的宽场玻璃3、4、7可实现宽场、消色差、消温差(温度补偿)和适合大气探测的显著功能，其消色差消温差的原理如下所述。

参见图5，在干涉仪反射臂上的光程为：

P₁＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃)(7)

上式中n₁、n₂、n₃分别为分束器2和宽场玻璃3、4的折射率，d₁、d₂、d₃分别是分束器2、宽场玻璃3、4的厚度，θ₁、θ₂、θ₃分别为光线进入分束器、宽场玻璃(补偿介质)3、4的后的折射角。

在干涉仪透射臂上的光程为：

P₂＝2(n₁d₁cosθ₁+n₃d₃cosθ₃+n₄d₄cosθ₄)(8)

上式中n₁、n₄、n₅分别为分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的折射率，d₁、d₄、d₅分别是分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的厚度，θ₁、θ₄、θ₅分别为光线进入分束器2、宽场玻璃7和空气隙8后的折射角。

所以系统的光程差为：

Δ＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃)

-2(n₁d₁cosθ₁+n₄d₄cosθ₄+n₅d₅cosθ₅)

＝2(n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃-n₄d₄cosθ₄-n₅d₅cosθ₅)

即：

Δ＝2(n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃-n₄d₄cosθ₄-n₅d₅cosθ₅)

令上式角标从i开始，在迈克耳逊干涉仪反射臂的介质的厚度为正，在干涉仪透射臂上的介质的厚度为负，则可得：

Δ＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃+n₄d₄cosθ₄)(9)

对上式进行展开，并带入初始条件可得：

$\mathrm{\Δ}=2(n_1{d}_1+n_2{d}_2+n_3{d}_3+n_4{d}_4)-{\sin }^{2}i(\frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4})$ (10)

$-\frac{{\sin }^{4}i}{4}(\frac{d_1}{{n_1}^3}+\frac{d_2}{{n_2}^3}+\frac{d_3}{{n_3}^3}+\frac{d_4}{{n_4}^3})-\·\·\·$

上式中i为光线进入分束器的入射角。

所以可得基准光程差为：

Δ₀＝2(n₁d₁+n₂d₂+n₃d₃+n₄d₄)(11)

宽场条件为：

$\frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4}{|}_{\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0}=0---\left(12\right)$

消色差条件为：

$\frac{d_1}{{n_1}^2}\frac{\∂n_1}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_2}{{n_2}^2}\frac{\∂n_2}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_3}{{n_3}^2}\frac{\∂n_3}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_4}{{n_4}^2}\frac{\∂n_4}{\∂\mathrm{\λ}}=0---\left(13\right)$

消温差条件为：

d₁(n₁α₁+β₁)+d₂(n₂α₂+β₂)+d₃(n₃α₃+β₃)+d₄(n₄α₄+β₄)＝0(14)

联立(11)、(12)、(13)、(14)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_0=2(n_1{d}_1+n_2{d}_2+n_3{d}_3+n_4{d}_4)\\ \frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4}{|}_{\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0}=0\\ \frac{d_1}{{n_1}^2}\frac{\∂n_1}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_2}{{n_2}^2}\frac{{\∂n}_2}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_3}{{n_3}^2}\frac{{\∂n}_3}{\∂\mathrm{\λ}}+\frac{d_4}{{n_4}^2}\frac{{\∂n}_4}{\∂\mathrm{\λ}}=0\\ d_1(n_1{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)+d_2(n_2{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)+d_3(n_3{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\β}}_3)+d_4(n_4{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\β}}_4)=0\end{array}\right.---\left(15\right)$

由上所述可知，方程组(15)中只有介质(包括玻璃和空气隙)的厚度是未知变量，方程组有四个方程，四个未知量，理论上可以解出未知变量，即介质的厚度，且得到的结果可以完全满足(14)式，即消温差的要求，从而使系统满足宽场、消色差、消温差的条件。

Claims (1)

1.一种高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法，其特征是通过在迈克耳逊干涉仪的反射臂加设两块宽场玻璃(3、4)和在透射臂加设一块宽场玻璃(7)、在两臂的全反射镜前各设置一块λ/4波板、在透射臂λ/4波板与透射臂宽场玻璃(7)间辟有一层空气隙(8)、在分束器出射口设置一块λ/4波板并在该λ/4波板后依次设置四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增π/4的情况下，通过一次测量获得风场同一目标的四个干涉强度值I₁、I₂、I₃、I₄，继而根据下述计算式

$I_0=\frac{I_1+I_3}{2}=\frac{I_2+I_4}{2},$

$V=\sqrt{{(I_1-I_3)}^2+{(I_4-I_2)}^2}/2I_0,$

$\tan \mathrm{\Φ}=\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3},$

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}=\exp (-Q{\mathrm{\Δ}}^{2}T)$ 和

$\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Δ}\frac{v}{c}\cos \mathrm{\θ},$

计算出高层大气风场速度v和温度T，再通过温度的反演得到高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，进而实现风场目标的实时同时探测，以上计算式中V为调制度，Φ是位相因子，I_max、I_min分别为四个干涉强度值I₁、I₂、I₃、I₄中的最大值和最小值，

M为气辉粒子的原子量，λ₀＝1/σ₀为零风速时的谱线波长，Δ为光程差，c为真空中的光速，θ为光源相对运动速度方向与光源和观察者之间连线的夹角。

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