大气风场和温度场星载探测光谱仪的星上定标技术

 大气风场和温度场是重要的大气基本参数,由于应用领域广泛,其探测技术在很多国家已发展成熟,中国对该探测技术的需求也日趋强烈。大气风场和温度场测量是利用高精度的光谱仪,通过测量大气中特征谱线的多普勒频移和展宽,来确定大气的温度分布场和风向风速场。星上定标技术是大气风场和温度场星载探测光谱仪进行高精度测量的基本保障。文中就几种重要的大气风场和温度场探测光谱仪的星上定标技术进行分析和总结,为大气风场和温度场探测技术发展提供参考,打下基础。     

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.     

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。     

洛伦兹光谱线型的高层大气风场被动探测原理分析

通过探测高层大气中气辉(极光)辐射线的多普勒频移，可以反演出高层大气中的速度、温度和压强等物理量。以高层大气中的极光(原子氧跃迁所辐射的两条主要谱线)为被探测源，对于洛伦兹光谱线型高层大气风场的探测原理和方法进行了研究；给出了基于洛伦兹光谱线型高层大气的速度场、温度场和压力场的分布规律和理论计算公式；采用计算机模拟，描绘了洛伦兹光谱线型风场的误差曲线，表明了洛伦兹光谱线型在高层大气风场探测中占有相当重要的地位。     

星载被动光学遥感大气风场探测技术进展综述

大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数,也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展,主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法,根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点,介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况,探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。     

非对称空间外差光谱仪风场模拟探测实验研究

针对已搭建的非对称空间外差光谱仪开展地基风场模拟探测研究,验证该仪器进行中高层大气风场的探测精度水平.介绍了非对称空间外差光谱技术进行风场探测的基本原理以及研制的光谱仪基本性能参数,设计了风速模拟装置开展风场模拟探测实验,并对风速模拟过程中电机转速、安装机械角度、转盘半径测量值、光线入射角度等不确定因素进行了分析和计算,该装置模拟的理论风速误差不高于1.3%,能够满足风场模拟探测验证要求.利用该风速模拟装置并通过调节不同电机转速实验,获得了模拟风速在34.19~78.63m/s内的24组测量数据,模拟覆盖了中高层大气风速范围,对测量数据进行误差修正及风速反演处理,非对称空间外差光谱仪实测风速结果与理论模拟风速对比后得出了风速误差标准差3.28m/s的风速探测精度,有效验证了非对称空间外差光谱技术开展风场探测具有相位灵敏,精度高等特点.     

大气风场探测萨尼亚克干涉仪光程差的计算及探测模式研究

提出了基于时空混合调制的大气风场探测模式;应用光线追迹方法推导了一种改型萨尼亚克干涉仪在任意角入射时的光程差;从理论上对该干涉仪的参量作了分析计算;通过对同种、异种材料组合的理论分析,得出了异种材料组合的改型萨尼亚克干涉仪更加适合高层大气风场探测。该干涉仪具有稳态、大视场、大光程差、时空混合调制探测模式等显著特点。该研究发展了高层大气风场的被动探测理论,对风场探测技术研究、探测模式和工程化都具有十分重大的理论及实践意义。     

激光外差光谱仪模拟风场探测

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^-1激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH₄吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.     

主被动星载大气探测载荷性能对比与分析

卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数,主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等,并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程,较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数,并与被动光学遥感载荷进行了比较,探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析,为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考,有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

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.     

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     

The influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and temperature in the static polarization wind imaging interferometer

The static polarization wind imaging interferometer (SPWII) is a device used to measure wind velocity and temperature of the upper atmosphere. In this paper, the principle of SPWII is expounded. Using the four-side pyramid prism and polarizer array, four intensity interferograms of different phase differences form on the four subareas of the CCD which is located at the focal plane of the imaging lens. The wind velocity and temperature can be derived from the interferograms. Using the approximation and the antitheses, we analyze the influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and atmospheric temperature. According to the design requirements of the SPWII, the errors of the wind velocity and the atmospheric temperature are less than 5 m/s and 5 K when the incident wavelength bandwidth is in the range of [?3.08, 3.08] nm. The range is estimated and verified by simulations. These results are helpful for the realization and data processing of the SPWII.     

大视场消色差温度补偿型风成像干涉仪调制度的分析与计算

简要论述了大视场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪用于高层探测的基本原理.对自行设计的风成像干涉仪的调制度进行了理论分析与计算，推导了调制度的理论表达式.采用计算机模拟，分析了仪器调制度随入射角的变化关系.当调制度大于075时，风成像干涉仪视场角可达129°，充分显示了大视场、高调制度的显著特点.分析了玻璃折射率对调制度的影响，得到了调制度取得最大值时玻璃的优化组合；分析了温度对调制度的影响，得到了调制度随着温度变化的曲线.此研究为高层大气探测理论的发展、大气探测以及大视场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪的研制提供了重要的理论依据及实践指导. 关键词： 干涉成像技术 迈克尔逊干涉仪 调制度 双光束干涉     

相干多普勒激光测风雷达系统研究

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来,相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理;然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证,主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标;最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上,采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置,并进行了相关实验。     

Acoustic sounding of wind velocity profiles in a stratified moving atmosphere.

The paper deals with analytical and numerical studies of the effects of atmospheric stratification on acoustic remote sensing of wind velocity profiles by sodars. Both bistatic and monostatic schemes are considered. Formulas for the Doppler shift of an acoustic echo signal scattered by atmospheric turbulence advected with the mean wind in a stratified moving atmosphere are derived. Numerical studies of these formulas show that errors in retrieving wind velocity can be of the order of 1 m/s if atmospheric stratification is ignored. Formulas for the height at which wind velocity is retrieved are also derived. Approaches are proposed which allow one to take into account the effects of atmospheric stratification when restoring the wind velocity profile from measured values of the Doppler shift and the time interval of acoustic impulse propagation from a sodar to the scattering volume and back to the ground.     

基于洛伦兹线型极光的上层大气风场探测模式研究

从洛伦兹线型极光的干涉强度、调制度与光程差的理论公式出发,用λ/4的步进光程差即“四强度法”获得一个波长范围内的4个干涉强度值,以实现基于洛伦兹线型极光的上层大气的风速、温度、压强等物理量的探测。提出用改形萨尼亚克成像干涉仪替代迈克耳孙干涉仪实现上层大气风场,给出了基准光程差的公式,并用四面角锥棱镜镀膜技术获得4个干涉强度值来同时探测上层大气风场的模式。最后在实验室将Kr灯557.0nm调整光束到一定宽度,对称地从顶角为60°的两面镀膜角锥棱镜的顶点入射,用768pixel×576pixel的CCD照相机接收到两个光斑的成像,这两个光斑的再复制就得到镀膜四面角锥棱镜在一个周期内的4个干涉强度光斑,从而获得上层大气风场。