基于镀膜四面角锥棱镜技术的上层大气风场探测研究

阐述了“镀膜四面角锥棱镜（coating pyramid prism, CPP）”技术探测上层大气风场的原理,提出可以在四面角锥棱镜的4个面上分别按λ/4（λ波长）的步进光程差递增镀增透膜,同时获得一个干涉条纹中的4个强度值,实现上层大气风场的探测模式.对该模式下的相关参数进行了理论计算并得出结论：四面角锥棱镜的顶角必须大于24°、宽度为8mm的对称光束入射到CPP顶点能满足LF7玻璃上镀MgF₂增透膜以实现大气风场探测的要 求.按9°×9°干涉仪视场和CCD4.5°×4.5°视场设计了干涉仪前后的光路,用CCD照相机并调 节定标光源Kr灯557.0nm到所需光束宽度进行了模拟实验,分别得到顶角为60°和９０°的 两面镀膜棱镜在CCD上的两个干涉光斑,这两个光斑再复制即可获得CPP的4个干涉光斑,从 而证实了CPP技术探测上层大气风场的可行性.该模式发展了被动探测上层大气风场的光学遥 感探测技术. 关键词： 四面角锥棱镜 镀膜 上层大气风场 探测     

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪系统的理论研究

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪是一种新型的探测大气温度和风场速度的干涉仪.基于偏振干涉的原理,四个偏振方向分别相差45°的偏振片组成的偏振阵列紧贴于探测器前,由四面角锥棱镜出射的四束线偏振光分别经四个不同偏振方向的偏振片后,四个不同强度干涉图同时成像于探测器上,经过数据提取获得四个干涉强度值,进一步反演出大气温度和风场速度值.对以上干涉成像过程进行了模拟仿真,得到干涉图,经风速反演得到了与实际值一致的结果.具有结构简单稳定,测试精度高,利于快速变化的目标测试的优点.     

高层大气风场四强度测量法误差分析与计算

利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应,通过测量高层大气(80—300km)中的气辉(极光)辐射线的四个干涉强度值而获知高层大气的速度和温度信息.采用四强度干涉测量法,分别对基于Michelson干涉仪的动镜扫描和基于无动镜四分区镀膜的干涉图获取模式所引起的测量误差进行了深入的理论分析与研究.给出了由于此测量误差所导致的相位误差所引起的高层大气风场速度、温度的误差数值;采用计算机模拟得出了在不同相位误差条件下,两种模式计算得到的风场速度和温度的误差分布图;给出了风速误差、温度误差与相位步进误差的关系曲线 关键词： 高层大气风场测量 四强度测量法 模拟计算     

偏振风成像干涉仪多波长探测理论研究

简述了偏振风成像干涉仪(PAMI)探测高层大气风场的基本原理;研究得出了多波长探测时偏振风成像干涉仪干涉强度、仪器调制度与位相延迟片的延迟位相之间的理论表达式;得出了偏振风成像干涉仪的干涉强度和仪器调制度受所探测谱线波长调制的重要结论;采用计算机模拟分析了使用偏振风成像干涉仪(设计谱线为高层大气氧原子跃迁时辐射的630nm的极光谱线)探测高层大气时各目标谱线的干涉强度和仪器调制度,给出了干涉强度和仪器调制度与探测谱线波长之间的关系,得出了732nm的极光谱线不适合用作探测目标的结论. 本文为高层大气风场探 关键词： 高层大气风场探测 偏振风成像干涉仪 调制度 多波长探测     

高层大气风场四强度测量法误差分析与计算

利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应，通过测量高层大气(80—300km)中的气辉(极光)辐射线的四个干涉强度值而获知高层大气的速度和温度信息.采用四强度干涉测量法，分别对基于Michelson干涉仪的动镜扫描和基于无动镜四分区镀膜的干涉图获取模式所引起的测量误差进行了深入的理论分析与研究.给出了由于此测量误差所导致的相位误差所引起的高层大气风场速度、温度的误差数值；采用计算机模拟得出了在不同相位误差条件下，两种模式计算得到的风场速度和温度的误差分布图；给出了风速误差、温度误差与相位步进误差的关系曲线     

迈克尔逊风场干涉仪基准光程差及步长误差容限分析

迈克尔逊干涉仪风场探测是在一定的基准光程差的基础上,通过动镜步进或四分区镀膜的方法,获得一个波长范围内步进间隔为λ/4的四步干涉强度.在此过程中存在的基准光程差误差及步长误差将对结果产生影响.对在一定的结果不确定度允许范围内的误差变量的容限值进行了讨论.在可以预知的误差存在情况下的精确结果的得出给出了计算方法.     

静态偏振风成像干涉仪中光在四面角锥棱镜中的传播规律研究

简述了自行设计的新型静态偏振风成像干涉仪的原理和四面角锥棱镜的分光机理;应用光线追迹法,推导出了主截面内任意光线在棱镜中的传播方向及出射点坐标,建立了平行光束经角锥棱镜后的偏向角和透过率的理论表达式;采用计算机模拟给出了偏向角和透过率随入射角的变化关系曲线;根据静态偏振风成像干涉仪的具体参数确定了四面角锥棱镜的侧面和底面夹角以及底边长度.该研究为静态偏振风成像干涉仪的研制提供了理论依据.     

双视场准共路多普勒外差干涉仪光学系统设计

针对大气风场矢量的星载探测应用,提出一种双视场准共路多普勒外差干涉仪方案,其采用平面镜视场耦合、K?sters棱镜单光栅干涉仪和一维成像镜的系统结构,可以同时探测两个正交方向不同高度层的视线风速,具有结构紧凑、无运动部件、探测效率高等特点。推导了基于K?sters棱镜的准共路干涉仪非对称量Δd与光栅利特罗角、分光棱镜尺寸等初始光学参数的关系。以基于氧原子红线(O[1D]630 nm)进行星载高层大气风场探测为例,给出了参数优化和系统设计的过程及结果,并对全系统干涉图进行建模仿真。结果表明:双视场准共路多普勒外差干涉仪具有一维空间分辨能力,在不使用视场扫描装置的情况下就可获得两个视场方向不同高度层上的干涉图,借助卫星平台运动可以获得同一目标区域的风场矢量信息。     

风场探测干涉仪中基准光程差的选择原理

为了确定风场成像干涉仪（Wind Imaging Interferometer,WINDII）中存在的基准光程差的值，首先从风场探测机理出发，分析了影响基准光程差的因素.针对WINDII分别从调制度、相位及相近谱线同相的要求三个方面加以剖析，依次获得了它们与基准光程差之间的定量关系.综合考虑三个条件的要求，最终得出了基准光程差的选择原理.并用此理论对几种不同的风场成像干涉仪的基准光程差值进行了验证.     

O( Ⅰ ,Ⅱ) 禁戒线极光及其光化学反应

利用干涉成像光谱技术被动探测上层大气风场所使用的光源主要是氧禁戒线极光。讨论了禁戒跃迁出现较强谱线需要的两个条件,对满足上述条件的上层大气中的原子氧(OⅠ)和离子氧(OⅡ)的可见光波段禁戒线进行了详细的计算,并对应指出产生这些O(Ⅰ,Ⅱ)禁戒线的光化学反应。得出的结论是被动探测上层大气风场所用极光源可以使用所指认的10条O(Ⅰ,Ⅱ)禁戒线和允许线:557.7nm,630.0/636.4/639.3 nm,672.8nm,732.2/733.2nm,777.7/777.6/777.4nm,比加拿大的风成像光谱干涉仪(WINDII)使用的极光谱线增添了5条:639.3nm,672.8nm,777.7/777.6/777.4nm,扩展了成像光谱干涉仪的波段范围。     

高层大气风场探测改型大光程差Sagnac干涉仪全视场角光程差与横向剪切量的精确计算

提出了一种用于高层大气风场探测的改型大光程差Sagnac干涉仪,论述了其基本原理和分光机理;分析了空间光线在改型大光程差Sagnac干涉仪中的传播路径;利用空间几何方法,通过分析空间直线与其投影之间的关系,给出了入射光线绕入射界面法线旋转360°范围内,从任意方向以任意角度入射时,改型大光程差Sagnac干涉仪的光程差及横向剪切量的精确表达式,较目前文献所报道的只给出入射面与纸平面平行时光程差与横向剪切量的计算具有更加普遍的指导意义.为改型大光程差Sagnac干涉仪的设计、研制提供了重要的理论依据和实践指 关键词： 高层大气风场探测 改型大光程差Sagnac干涉仪 横向剪切量     

Interference image spectroscopy for upper atmospheric wind field measurement

Based on the observation of natural airglow and auroral visible emission lines in the upper atmosphere as the explored source, we have surveyed the upper atmosphere wind field through interference imaging spectroscopy coupled with the Doppler effect of electrical and magnetic waves. The velocity and temperature of the upper atmospheric wind field are analyzed and studied. The survey theory and calculation formula of atmosphere wind field in all directions and multi-directions are presented when the relative velocity of the explored source to the detector and their linking line have an arbitrary angle. We also analyzed the effects of the measurement of the upper atmospheric wind field using computer simulation, and explained the reason why the auroral emission line is thought as Gaussian profile.     

高稳定度大视场大气风场测量新方法

提出了一种利用广角迈克耳孙干涉仪在动镜固定的情况下,依靠视场角的变化以调制光程差来测量大气风场的新方法以及探测模式和装置设想;采用干涉成像光谱技术对被探测源谱线为高斯轮廓时风扬的速度、温度的测量进行了分析和计算,这种方法具有稳定度高、实时性好,精确度高、大视场和高通量等优点。     

高层大气风场洛伦兹光谱线型粒子辐射率探测研究

以高层大气中的极光谱线为被探测源,提出了一种高层大气(80—300km)风场洛伦兹光谱线型的粒子辐射率被动探测的新原理.采用该原理不仅可获得高层大气风场的速度、温度和压强信息,更重要的是还能同时探测到高层大气中辐射粒子体辐射率,解决了目前高层大气风场研究中只能探测高层大气风场速度、温度和压强却不能获知粒子的体辐射率的问题.给出了基于洛伦兹光谱线型的辐射源粒子体辐射率、大气风场速度、温度和压强的理论计算公式.采用计算机模拟对探测误差进行了分析,给出了体辐射率、风场速度、温度、压强的误差分布规律,为进一步丰富和完善高层大气风场探测提供了理论依据和实验基础,对航空航天、空间探测、环境保护、国家安全和国民经济建设都具有重要的科学意义和广阔的应用前景.     

Modified super-wide-angle Sagnac imaging interferometer based on LCoS for atmospheric wind measurement

The modified super-wide-angle Sagnac imaging interferometer (MSASII) based on liquid crystals on silicon (LCoS) is proposed as a novel device for the detection of the upper atmospheric wind field. This device employs the phase-only modulation (POM) of LCoS coupled with the MSASII, and can measure phase changes in multi-band emissions without moving mirror. It can be used to replace the conventional Michelson’s interferometer with step-moving mirror device. The optical path difference (OPD) equation of MSASII-LCoS is derived, and the four compensation conditions (field, chromatics, thermal and achromaticity of thermal compensations) are discussed within the scope of wind measurement. The real parameters of LCoS and optical glasses are selected for numerical simulation and analysis. Three aurora lines (732.0, 630.0 and 557.7 nm) are considered, and their phase variations are 3.61, 2.02 and 0.15 fringes at the same incident angle of 3°, respectively. The rate of change of OPD with temperature is the magnitude of 10⁻⁶ cm/K, and the corresponding phase variations are within 0.09 fringes. The accuracy of phase modulation can be 0.614×10⁻² rad when LCoS of 10-bits is used. The novel model MSASII-LCoS shows its advantage for atmospheric wind measurement in the aspects of the overall structure, anti-vibration, operational flexibility and detection accuracy.     

静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善

静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图, 光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键. Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程, 形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述, 推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角; 并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真, 对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、 研制和工程化提供重要理论和实践指导.     

变间隙法布里-珀罗干涉仪光程差线性分析

对于变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉式成像光谱仪,空间干涉信息是否按光程差等间隔采样,即光程差与探测器像元位置之间是否是线性变化关系,直接决定了光谱数据处理的难易程度。经分析,变间隙法布里-珀罗干涉式光谱成像系统的光程差是干涉仪分光产生的两艾里斑的中心距离的函数,而两艾里斑中心距与探测器像元位置并非一直保持线性关系,与干涉仪楔角的取值有关。研究了不同楔角条件下光程差与探测器像元位置之间的关系曲线,结果表明,在任意楔角下,光程差与探测器阵列像元位置之间均保持良好的线性关系。长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统与高精度光谱辐射计测得的特征峰位置重合度达100%。     

Principle of temperature,velocity and pressure of upper atmospheric wind measurement for the Voigt profile

Using the accurate expression of the Fourier transform of the pure Voigt spectral line profile, we present the principle of the passive optical method to measure temperature, velocity, and pressure of atmospheric wind for the Voigt profile. Through discussion, from the Gaussian, Lorentzian and Voigt profiles, we find that velocity will not be affected, pressure can be derived for Lorentzian and Voigt profiles, and temperature will be affected greatly. By simulation and comparison, we find that temperature derived from the Voigt profile is greater than that from the Gaussian profile, and it is less than that from the Lorentzian profile. This discussion will be significant in accurate upper atmospheric wind measurement.