CN108918428A - 一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法 - Google Patents

一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，利用氧分子a1Δg→X3Σg跃迁的RQ(9)、SR(3)、RR(9)强线组合或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合为多普勒差分干涉仪的观测目标源，得到包含三种不同空间频率和强度的复合叠加干涉图，每条谱线的中心波长和谱线强度与组成复合叠加干涉图的一种单频干涉图的空间频率和强度一一对应；对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱；基于三条目标谱线的复数复原光谱，分别计算得到风场、温度场和臭氧浓度。该方法降低了仪器滤光系统的研制难度又能够提高系统的稳定性，探测效率高，其中温度场探测不需要绝对辐射定标。

Description

一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法
技术领域
本发明涉及一种测量大气风场、温度场及臭氧浓度的方法。
背景技术
干涉光谱技术是遥感探测大气成分精细光谱特征的重要手段之一，其以特定大气成分的精细光谱为观测目标，利用采集到的干涉图可以反演出谱线的多普勒频移、多普勒展宽、相对或绝对强度等信息，进而可实现对大气风场、温度场和特定成分浓度的测量。
中间层大气风场、温度场及臭氧浓度的传统干涉测量方法是基于广角迈克尔逊(Michelson)干涉仪原理的“四步法”[1]。广角迈克尔逊干涉仪以O2 1Δ(0,0)的RQ(9)、SR(3)、RR(9)和PQ(19)、OQ(11)、PP(19)六条谱线为观测目标，对每条谱线采集四幅相位相差π/2的干涉图，则可以计算出每条谱线中心波长的多普勒频移和谱线强度，进而获得大气运动速度和臭氧浓度，再通过RQ(9)、SR(3)、RR(9)或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)两组内三条谱线之间相对强度的变化得到大气温度。由于广角迈克尔逊干涉仪对目标谱线只采集四个相位点的干涉图，远不能满足复原光谱的采样要求，所以每条目标谱线都需要利用极窄带宽(～0.1nm)的滤光片分离出来单独观测。上述探测方法存在以下不足：第一，极窄带宽(～0.1nm)滤光片的研制和热稳定性控制工艺难度大；第二，系统绝对辐射定标精度要求高；第三，星载观测情况下，各条谱线观测数据来自不同大气区域，导致温度反演精度不高。
多普勒差分干涉光谱技术是一种空间调制型干涉光谱技术，其对目标谱线的干涉图采样满足采样定理，依据傅里叶变换光谱学原理能够得到目标谱线的复原光谱[2]。
多普勒差分干涉仪是一种具有一定基础光程差的傅里叶变换型光谱仪，其干涉图表达式为：
式中，I(x)光程差采样点x对应的干涉图强度，为B(σ)为入射到干涉仪系统中的大气成分气辉光谱辐射信号，通常为一定背景强度下的一条或几条分立谱线组成，各谱线波数为σ，σL为仪器参数决定的差分波数，θL为干涉仪光栅Littrow角，OPD0为基础光程差。
基于多普勒差分干涉光谱技术的大气风速测量方法已经被提出[2]。但目前，同时测量大气风场、温度场和臭氧浓度的探测方法还未见报导。这可能主要由于温度与臭氧浓度的测量相比于风场的测量更加的复杂，尤其是在探测源选择方面。风场测量中，仅需选择能够覆盖目标测量高度且强度分离度满足反演要求的谱线即可，而当涉及到温度场及臭氧的测量时，谱线选择除了要满足上述要求之外，还需满足各谱线强度比值与大气温度线性相关的要求。除此之外，为了测量臭氧浓度，要求所选用的探测源物质必须能够直接或间接反演臭氧光化学反演过程。在满足了上述要求下，还要求所选谱线间分离度足够高，能够满足通过仪器分辨率分离各单线的要求。故此，同时能够测量大气风场、温度场和臭氧浓度的多普勒差分干涉光谱技术实现方案还未见报道。
前面提到的参考文献：
[1]The Waves Michelson Interferometer:A visible/near-IRinterferometerfor observing middle atmosphere dynamics andconstituents.Proceedings of SPIE Vol.4540,pp100,2001.
[2]Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy(DASH):conceptand experimental demonstration.APPLIED OPTICS Vol.46,No.29,pp7297,2007.
发明内容
本发明提出一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法。要解决的技术问题是：基于广角迈克尔逊干涉仪技术的测量方法每次只能观测一条目标谱线，导致仪器滤光片系统复杂、工艺难度大，星载观测温度测量精度不高；现有的基于多普勒差分干涉光谱技术的测量方法仅能测量大气风场数据，不能同时对大气温度和臭氧浓度测量。
本发明的原理如下：
1、探测目标源光谱特征要求
多普勒差分干涉仪以谱线强弱不同，且具有温度敏感性的气辉谱线组为观测目标，例如以O2 1Δ(0,0)的RQ(9)、SR(3)、RR(9)或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)两组谱线。其中弱线组合由于自吸收效应相对较弱，可用来探测较低空域的大气风场和温度场信息；而强线组合由于气辉辐射强度相对较强，可用来探测较高空域的大气风场、温度场及浓度信息。
氧分子a1Δg→X3∑g跃迁的RQ(9)、SR(3)、RR(9)强线组合或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合，均可表示为三条准单频谱线的叠加。
式中，σi和Bi为第i条谱线的中心波数和线型函数。
在不同温度下，处于a1Δg态各个转动能级的O2分子数服从玻尔兹曼分布，不同转动量子数对应的气辉辐射的相对强度也随大气温度改变发生相应变化，因此，通过探测强线组合或弱线组合中转动量子数差距较大的气辉辐射强度，即可反演大气温度信息。
2、干涉图与复原光谱特征
对应目标光谱特征的多普勒差分干涉仪采集到的干涉图如下：
其中，为干涉图直流分量，干涉图调制项为：
κ＝4(σ-σL)tanθL
可见，干涉图为三条谱线对应的三个单频干涉图叠加。
复原光谱可以表示为
其中，为干涉图的直流分量。
3、干涉图与风速(此风速计算环节与现有技术的基本思路相同)
当入射谱线由于风速v引入Doppler频移时，任一谱线的中心波数变为：σi为第i条目标谱线的中心波数，对应单频干涉图基础相位变为:
可见，计算出单频干涉图基础相位值，则可求出大气风速。
计算第i条谱线基础相位方法如下，首先采用以目标复原光谱某一谱线中心波数为中心的有限半宽窗函数rect(κi)，分离出正频率空间的单一复原谱线，然后，对分离出来的正频率空间的单一谱线进行傅里叶变换，得到其对应的复数单频干涉图，以第一条谱线为例，其对应的单频复数干涉图可表示为：
则干涉图任一采样点相位为：
和为第1条谱线复数干涉图的虚部和实部。式中κ1、x、φ1均为已知量，则可求出风速带来的相位变化
4、干涉图与温度
O2气辉辐射带的转动能级满足局域热平衡条件，其布局数遵循玻尔兹曼定律，因而目标光谱谱线相对强度的比值与大气温度一一对应。根据傅里叶变换光谱理论，三条目标谱线的复原光谱相对强度可准确反映入射光谱谱线的相对强度。对复数复原谱取模得到实数复原谱强度与入射光谱之间的关系为：
式中K值为仪器参数和傅里叶变换运算带来的比例因子，由于三条谱线的光谱间隔较小(0.5～2nm)，可认为K值与目标光谱无关，所以复原谱线的相对强度可以准确反映入射光谱的相对强度比值，进一步准确反映大气温度。
5、干涉图与成分浓度
通过对多普勒差分干涉仪进行绝对光谱辐射定标可以准确确定上式中K值，进而可以得到入射光谱辐射强度，根据气辉辐射和大气传输理论即可得到观测大气区域处于a1Δg态的O2分子浓度。而90％的a1Δg态的O2分子，都是由O3分子在Hartley带的光解作用直接产生的：
O3+hν→O2(a1Δg)+O(1D)
因此，通过求解a1Δg态的O2分子浓度，并利用上述光化学反应方程式，即可反演得到O3分子浓度。
基于上述理论分析，本发明的方案总结如下：
步骤一：以氧分子a1Δg→X3∑g跃迁的RQ(9)、SR(3)、RR(9)强线组合或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合为多普勒差分干涉仪的观测目标源；多普勒差分干涉仪同时观测三条目标谱线，得到包含三种不同空间频率和强度的复合叠加干涉图，每条谱线的中心波长和谱线强度与组成复合叠加干涉图的一种单频干涉图的空间频率和强度一一对应；
步骤二：对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱；
步骤三：基于三条目标谱线的复数复原光谱，分别计算得到风场、温度场和臭氧浓度；其中：
风场计算，是先将三条复原谱线分离出来，得到每条目标谱线在正频率空间的复数复原光谱，再对复数复原谱进行傅里叶变换即得到单一目标谱线的单频复数干涉图，利用单频复数干涉图的虚部与实部比值的反正切计算出基础光程差采样点的相位值，进而计算出视线方向的大气风速；
温度场计算，是先计算复数复原光谱的模得到三条目标谱线复原光谱的相对强度，根据其中任意两条谱线相对强度变化即得到大气温度信息；
臭氧浓度计算，是先计算复数复原光谱的模得到三条目标谱线复原光谱的相对强度，再利用绝对辐射定标数据对复原光谱进行校正，得到大气成分目标谱线辐亮度，即得到臭氧浓度。
本发明的有益效果是：
通过单帧干涉图(复合叠加干涉图)即可反演得到大气风速、温度和目标成分浓度，极大提高了探测效率。
干涉图光程差采样满足采样定理，复原谱线的相对强度比值可准确反演大气温度，且不需要绝对辐射定标。
采用多普勒差分干涉仪可同时观测三条目标谱线，系统不再需要极窄带宽(0.1～0.2nm)的滤光片，既降低了仪器滤光系统的研制难度又能够提高系统的稳定性。
附图说明
图1为O2 1Δ(0,0)的PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合的光谱辐射强度图。
图2为O2 1Δ(0,0)的PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合的归一化光谱辐射强度图。
图3为本发明的大气风场、温度场及臭氧浓度多普勒差分探测方法的流程示意图。
图4为目标谱线经多普勒差分干涉仪获取的干涉图。
图5为目标谱线干涉图复原光谱强度图。
图6为目标谱线干涉图复原归一化光谱强度图。
图7为A线与B线的相对强度及其比值随温度的变化规律。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明以氧分子a1Δg→X3∑g跃迁的PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合为多普勒差分干涉仪的观测目标源，提出利用多普勒差分干涉仪采集到的三种空间频率叠加的干涉图同时反演大气风速、温度和臭氧浓度的方法。
多普勒差分干涉仪是一种具有一定基础光程差的傅里叶变换型光谱仪，其干涉图表达式为：
式(1)中，I(x)光程差采样点x对应的干涉图强度，为B(σ)为入射到干涉仪系统中的大气成分气辉光谱辐射信号，通常为一定背景强度下的一条或几条分立谱线组成，各谱线波数为σ，σL为仪器参数决定的差分波数，θL为干涉仪光栅Littrow角，OPD0为基础光程差。
如图3所示，本发明主要按照以下流程实现：
一、多普勒差分干涉仪同时观测三条谱线，得到包含三种不同空间频率和强度的复合叠加干涉图，每条谱线的中心波长和谱线强度与组成复合叠加干涉图的一种单频干涉图的空间频率和强度一一对应。
二、对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱。
三、分别基于三条目标谱线的复数复原光谱计算风场、温度场和成分浓度，具体如下：
风场计算：采用三个以三条复原谱线中心波长位置为中心的矩形函数分别将三条复原谱线分离出来，得到每条目标谱线在正频率空间的复数复原光谱，再对复数复原谱进行傅里叶变换即可得到单一目标谱线的单频复数干涉图，利用单频复数干涉图的虚部与实部比值的反正切计算出基础光程差采样点的相位值，如下所示：
式(2)中κi＝4tanθL(σi-σL)为第i条入射谱线波数σi和干涉仪Littrow波数σL决定的频率因子，x为干涉图采样点，为基础光程差对应的基础相位，为谱线频移量δσ对应的相位变化量，和为采样点对应的复数干涉图的虚部和实部。进一步利用式(3)即可计算出视线方向大气风速。
δσ＝σ0·v/c (4)
温度场计算：计算复原光谱的模得到三条目标谱线复原谱的相对强度，根据其中两条谱线相对强度变化即可得到大气温度信息。
式中，E″1及E″2、A1及A2、S1(T0)及S2(T0)分别为两条气辉谱线的低态能级、谱积分强度及参考谱线强度，h、c、KB分别为普朗克常数、真空光速及玻尔兹曼常数。
成分浓度计算：对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱，再计算复原光谱的模得到三条目标谱线复原谱的相对强度，利用绝对辐射定标数据对复原光谱进行校正，得到大气成分目标谱线辐亮度，即可得到该大气成分浓度。

Claims (4)

1.一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以氧分子a1Δg→X3∑g跃迁的RQ(9)、SR(3)、RR(9)强线组合或PQ(19)、OQ(11)、PP(19)弱线组合为多普勒差分干涉仪的观测目标源；多普勒差分干涉仪同时观测三条目标谱线，得到包含三种不同空间频率和强度的复合叠加干涉图，每条谱线的中心波长和谱线强度与组成复合叠加干涉图的一种单频干涉图的空间频率和强度一一对应；
步骤二：对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱；
步骤三：基于三条目标谱线的复数复原光谱，分别计算得到风场、温度场和臭氧浓度；其中：
风场计算，是先将三条复原谱线分离出来，得到每条目标谱线在正频率空间的复数复原光谱，再对复数复原谱进行傅里叶变换即得到单一目标谱线的单频复数干涉图，利用单频复数干涉图的虚部与实部比值的反正切计算出基础光程差采样点的相位值，进而计算出视线方向的大气风速；
温度场计算，是先计算复数复原光谱的模得到三条目标谱线复原光谱的相对强度，根据其中任意两条谱线相对强度变化即得到大气温度信息；
臭氧浓度计算，是先计算复数复原光谱的模得到三条目标谱线复原光谱的相对强度，再利用绝对辐射定标数据对复原光谱进行校正，得到大气成分目标谱线辐亮度，即得到臭氧浓度。
2.根据权利要求1所述的大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，其特征在于，风场计算过程中，利用单频复数干涉图的虚部与实部比值的反正切计算出基础光程差采样点的相位值，如式(2)所示：
δσ＝σ0·v/c (4)
式中κi＝4tanθL(σ-σL)为入射谱线波数σ和干涉仪Littrow波数σL决定的频率因子，x为干涉图采样点，为基础光程差对应第i条谱线的基础相位，为谱线频移量δσ对应的相位变化量，和为第i条谱线采样点对应的复数干涉图的虚部和实部，v为风速，OPD0为基础光程差，c为真空光速；进一步利用式(4)计算出视线方向大气风速。
3.根据权利要求1所述的大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，其特征在于，温度场按照下式计算：
式中，E″1及E″2、A1及A2、S1(T0)及S2(T0)分别为两条气辉谱线的低态能级、谱积分强度及参考谱线强度，h、c、KB分别为普朗克常数、真空光速及玻尔兹曼常数。
4.根据权利要求1所述的大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，其特征在于，臭氧浓度计算具体是：通过对多普勒差分干涉仪进行绝对光谱辐射定标，确定实数复原光谱强度与入射光谱之间的关系，进而得到入射光谱辐射强度，根据气辉辐射和大气传输理论得到观测大气区域处于a1Δg态的O2分子浓度；通过求解a1Δg态的O2分子浓度，并根据光解作用的化学反应方程式，即反演得到O3分子浓度。
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