中高层大气风场探测多普勒差分干涉技术（特邀）

大气风场是理解地球大气系统动力学、热力学特性的重要参数,是气象预报、空间环境监测、气候学研究等必须的基础数据。基于测风干涉仪的被动光学遥感是中高层大气风场测量的主要技术手段。多普勒差分干涉测风技术是一种新型行星大气风场探测技术,该技术通过对干涉图相位的反演来探测大气气辉辐射谱线的多普勒频移,从而实现大气风场探测。经过近二十年的时间,多普勒差分干涉仪的基础理论、干涉仪设计、系统研制工艺、数据处理与风速反演等方面取得了一系列研究成果。本文回顾了大气风场探测多普勒差分干涉仪技术的国内外研究进展,讨论其技术特点和应用潜力,为未来大气风场被动光学遥感探测技术发展和我国大气风场探测领域任务规划提供参考。     

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。     

大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制

空间相机用于对空间暗弱目标的探测与监视,视场外杂散光的进入会降低像面对比度,严重时甚至会导致相机无法工作。大视场光学系统对杂散光尤为敏感。针对此问题,本文以一大视场空间相机为例,分析其杂散光的来源,通过研究杂光传输机理并总结抑制措施。为满足其轻小型的指标要求,在尺寸限制下分别设计挡光环垂直光轴和倾斜的遮光罩及光阑等消杂光结构。TracePro软件仿真结果显示:倾斜挡光环遮光罩的效果更好,该结构在杂光抑制角外的的点源透过率(PST)均达到10~(-7)量级,系统至少可以满足6. 5星等目标的探测,验证本文消杂光结构方案的有效性,为后续的系统优化提供了一定的参考。     

卫星遥感探测上层大气风场的关键技术研究进展

对卫星遥感探测上层大气风场的原理作了简介,综述了近年来探测大气风场所使用的基于多普勒频移和广角迈克尔逊干涉仪的WINDII、SWIFT、MIMI、WAMI、PAMI、ERWIN、DYNAMO的关键技术,包括WINDII的步进技术、SWIFT的红外辐射探测、WAMI的镜子四分技术、MIMI的6视场探测技术、PAMI的偏振态探测技术及火星大气探测的DYNAMO等关键技术,将这7种仪器的技术指标作了对比。文中提供了某些技术指标的来源公式,如大气风场探测器的两视场延迟时间、CCD阵列对地探测精度等公式的计算结果与实际符合得很好,最后对这类仪器的发展方向作了预测。     

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10-3～10-6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。     

卫星遥感探测上层大气风场的关键技术研究进展

对卫星遥感探测上层大气风场的原理作了简介，综述了近年来探测大气风场所使用的基于多普勒频移和广角迈克尔逊干涉仪的WINDII、SWIFT、MIMI、WAMI、PAMI、ERWIN、DYNAMO的关键技术，包括WINDII的步进技术、SWIFT的红外辐射探测、WAMI的镜子四分技术、MIMI的6视场探测技术、PAMI的偏振态探测技术及火星大气探测的DYNAMO等关键技术，将这7种仪器的技术指标作了对比。文中提供了某些技术指标的来源公式，如大气风场探测器的两视场延迟时间、CCD阵列对地探测精度等公式的计算结果与实际符合得很好，最后对这类仪器的发展方向作了预测。     

车载光电系统电视摄像机光学系统设计及杂散光分析

设计了一款双视场电视摄像机,小视场用于对目标的跟踪,大视场用于捕获和观察目标,两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6,点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm,畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件,通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光,形成鬼像。因此,利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明:大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后,以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光,聚焦到像面, 形成鬼像,采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明,仿真分析准确,提出的消杂光措施有效。     

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     

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。     

基于分段边缘拟合的测风多普勒差分干涉仪成像热漂移监测方法

多普勒差分干涉仪是近年来发展起来的一种适用于中高层大气风场星载测量的干涉仪,它依靠对干涉图相位的精确反演计算气辉谱线的多普勒频移得到大气风速.环境温度的变化导致干涉仪光机组件发生热变形,造成成像面在干涉方向上的热漂移,改变相位的像元分布,直接引入相位误差从而影响风速反演.为了减小这种成像热漂移对多普勒差分干涉仪相位反演的影响,本文用分段拟合的方法检测光栅的标尺刻槽在干涉图中成像图案的边缘,定位刻槽图案的亚像元位置并依此监测成像热漂移.在近红外多普勒差分干涉仪样机的热稳定实验中,像面热漂移检测结果与环境温度在高频振荡变化趋势上表现出较高一致性,二者相关系数经去基线后可达0.86,而干涉图相位漂移经成像热漂移校正后其高频振荡也得到大幅抑制,证明了该算法的有效性.为了进一步验证该算法精度,计算了数据信噪比以及拟合所用各项数据分布特征参数误差对边缘检测的影响,结果表明,边缘检测精度主要受数据信噪比和条纹频率参数准确性的制约,当拟合用条纹频率参数误差小于0.5%而其他数据分布特征参数误差在1%以内,数据信噪比在约35倍以上时,本文算法可以实现高于0.05像元的检测精度.     

氟化钡晶体真空紫外透过率温度特性研究

真空紫外波段存在几个可用于研究电离层物理现象的重要光谱,其中135.6nm的夜气辉是重要的探测谱段,通过对该波段辐射强度的探测可反演出电离层电子密度(TEC)及F2层峰值电子密度。夜气辉发射线中,130.4nm的发射线与135.6nm光谱间隔很近,发射强度与135.6nm强度相当,因此,要实现对135.6nm夜气辉探测需要抑制130.4nm气辉辐射。分别对0.5和1mm厚的真空紫外级别的氟化钡晶体窗口透过率随温度变化特性进行研究,结果表明,氟化钡晶体的短波截止波长随温度的升高向长波方向偏移,在一定温度范围内,氟化钡晶体可以很好地抑制130.4nm辐射,并在135.6nm波段有较高的透过率。与国外相关文献所报道的通过加热SrF2晶体来抑制130.4nm辐射的方式相比,利用氟化钡晶体作为短波截止滤光片,可以将130.4nm的杂散光完全抑制,同时可以降低仪器功耗,对于电离层光学遥感探测有着重要的意义。     

基于氧分子O2(a1Δg)O19P18发射谱线的平流层、中间层大气风场星载探测可行性探讨

提出并分析了以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O_2(a~1Δ_g,υ′=0)→O_2(X~3Σ_g,υ″=0)带的辐射传输模型,并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好,能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求,进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例,对以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析,结果表明40～70km高度范围内视线风速测量精度优于5m/s;适当放宽风速反演精度情况下,探测范围能够向40km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

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。     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。     

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。     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用

风是理解大气动力学行为、热力学性质和成分结构的一个关键参数,大气风场的探测已成为当今国际上的前沿科学和热门研究课题.高层大气(80～300 km)风场被动探测的基础理论是干涉成像技术和电磁波的多普勒效应.论文对气辉(极光)的形成、电磁波的多普勒效应和双光束干涉进行了解释;对通过探测目标气辉谱线的多普勒频移,获知大气风场的速度、温度和粒子辐射率的原理进行了论述;给出了由于频移量数值极小难以观测、进而将频移量的观测转换成对位相、干涉图观测的四强度探测理论.向读者展示了电磁学、光学的基本原理应用到当今高新科技中的巧妙与完美,启发对物理学基本知识应用和对科学家创新思维的联想和思考.     

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。