中高層大氣風(fēng)場探測多普勒非對稱空間外差技術(shù)研究.pdf

1、中高層風(fēng)場探測對于理解大氣動力學(xué)和光化學(xué)過程，建立大氣動態(tài)模型，提供中長期天氣預(yù)報，保障航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。被動風(fēng)場探測以中高層大氣中的氣輝為光源，通過譜線的多普勒效應(yīng)反演風(fēng)場參數(shù)。典型的被動風(fēng)場探測技術(shù)包括Fabry-Perot干涉技術(shù)和Michelson干涉技術(shù)。近年來，多普勒非對稱空間外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，DASH)技術(shù)以其寬視場、大光通量、高光譜分辨率、靜

2、態(tài)干涉和多譜線同時探測的優(yōu)點迅速成為被動風(fēng)場探測的研究熱點。結(jié)合空間外差光譜技術(shù)和Michelson干涉技術(shù)，通過大光程差處干涉相位的變化反演風(fēng)速。
　　國際上對DASH技術(shù)的研究已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，設(shè)計地基探測氧紅線干涉儀。為了研制穩(wěn)定性較高的儀器，采用K(o)ster棱鏡分光形成共光路單臂式干涉儀結(jié)構(gòu)，增大系統(tǒng)的光程差要以成倍增加儀器體積為代價，因此在星載儀器設(shè)計時采用了雙臂式方案。另一方面，風(fēng)速通過干涉絕對相位差分獲得，具有抗

3、干擾能力強的特點，目前的風(fēng)速反演并沒有考慮相位計算過程中的數(shù)據(jù)處理誤差，然而低相位靈敏度和數(shù)據(jù)處理誤差兩方面均影響了實際的風(fēng)場探測精度。基于以上考慮，本文研制了雙臂大光程差DASH干涉儀LODI(Large Offset DASHInterferometer，LODI)，通過設(shè)計風(fēng)速模擬器并搭建實驗平臺實現(xiàn)風(fēng)場模擬探測。在數(shù)據(jù)處理過程中，提出窗函數(shù)參數(shù)的優(yōu)化選擇方法和相位漂移校正方法，實現(xiàn)干涉數(shù)據(jù)的誤差修正，提高風(fēng)速反演精度。
　

4、　本論文的主要工作包括以下幾個方面:
　　1.基于DASH技術(shù)的風(fēng)場探測機理研究。從探測目標(biāo)的選擇出發(fā)，闡述了探測目標(biāo)的性質(zhì)和對干涉儀系統(tǒng)設(shè)計的要求。在DASH理論模型的基礎(chǔ)上，針對風(fēng)場探測需求對干涉儀關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行理論分析和推導(dǎo)，明確系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的理論依據(jù)。
　　2.依據(jù)DASH干涉儀基本原理提出LODI的儀器參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析和設(shè)計。對干涉儀光學(xué)元件誤差（分束器、擴視場棱鏡、光柵等）、系統(tǒng)噪聲和環(huán)境變化等因素產(chǎn)生的基頻

5、漂移、絕對相位誤差和風(fēng)速誤差進(jìn)行了仿真和定量分析;根據(jù)干涉儀的探測需求，參考性能指標(biāo)設(shè)計系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)。
　　3.基于DASH技術(shù)的風(fēng)場反演算法研究。通過對比分析傅里葉級數(shù)法和傅里葉變換法求解干涉相位的優(yōu)劣，得出后者更適合應(yīng)用在DASH干涉相位獲取。在確定相位算法的前提下，對數(shù)據(jù)處理中的誤差進(jìn)行分析，指出窗函數(shù)作為一個外部變量，是引起干涉數(shù)據(jù)誤差的原因。提出窗函數(shù)優(yōu)化選擇方法，指出通過選擇半高寬為2的Nuttall窗，能夠使由窗函

6、數(shù)參數(shù)產(chǎn)生的風(fēng)速誤差最小化。
　　4.LODI風(fēng)場探測實驗研究。根據(jù)風(fēng)速模擬基本原理，給出風(fēng)速模擬器的機械設(shè)計方案，并且定量分析了風(fēng)速模擬器的模擬風(fēng)速誤差，指出總風(fēng)速模擬誤差約為1.3％，主要是由夾角誤差和測量誤差導(dǎo)致。以干涉儀系統(tǒng)為核心搭建試驗裝置進(jìn)行風(fēng)速模擬探測，對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正。
　　通過在光譜變換時進(jìn)行窗函數(shù)優(yōu)化分析，指出在光程差間隔內(nèi)矩形窗產(chǎn)生的風(fēng)速誤差達(dá)1.75 m/s，Nuttall窗下的風(fēng)速變化最小，約

7、0.75 m/s。隨著窗函數(shù)半高寬增加，風(fēng)速誤差變大。選擇半高寬為2的Nuttall窗函數(shù)，使在風(fēng)速47.62 m/s時的風(fēng)速誤差減小了約1.5 m/s。通過測量多組同一風(fēng)速下的干涉圖頻移，反演得到風(fēng)速誤差為6.1 m/s，該誤差主要來源于相位漂移。為了消除相位漂移誤差對風(fēng)速的影響，通過連續(xù)采樣的方法進(jìn)行相位漂移誤差校正，風(fēng)速誤差在校正后降低了28 m/s，從而實現(xiàn)測量精度的提高。在34.19 m/s到78.63 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行24組