专利名称：高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法的制作方法
技术领域：
本发明内容属于光学遥感仪器、计算机图像处理、精密机械等交
叉学科技术领域，涉及一种用于对高层大气(80 300km)速度场、温 度场、压力场和粒子辐射率等进行被动式遥感探测的方法。
背景技术：
国际上对高层大气被动式探测的基础性研究始于20世纪中期。 起初是对被探测源一气辉或极光的产生机理、谱线多普勒频移和展 宽、大气辐射区温度及热动力学特性等问题进行了长期和深入的探 讨；自20世纪80年代起，本领域已相继开始对利用极光的两条主要 谱线(557. 7nm的绿线和630. Onm的红线)的干涉图进行四强度探测来 确定高层大气风场的速度、温度的原理及利用仪器探测的方案、仪器 装置的研制等工程性问题进行深入的研究，并且取得了突破性的进 展。法布里一珀罗干涉仪和迈克耳逊干涉仪这两种主要的光学仪器迄 今已被广泛用于地基或空基对大气风速和温度的测量。
法布里一珀罗干涉仪由于具有高的灵敏度、光程差对温度的有 限依赖性以及结构较为简单的优点而延用至今；迈克耳逊干涉仪则 由于其具有较大视场的基本优点，更加适合于行星大气层扩展光源 的研究。大视场的优点也带来了高的信噪比，这更利于大气的测量， 因此当今本技术领域预研的装置大多都是基于迈克耳逊干涉仪原理 的探测装置。目前国际上在被动式大气风场遥感探测领域处于领先 水平和代表性的工作为由加拿大空间署、法国国家空间中心和美国 航空航天局(NASA)合作开展的大气风场探测项目一星载风成像干涉 仪。这一项目最早由法国开始研究，由于经费问题，后与加拿大合 作。在NASA的支持下，1991年9月12日，这一合作项目取得了突 破性进展，风成像干涉仪(WINDII)被搭载于上层大气研究卫星(UARS) 上用于探测卫星覆盖范围的大气风场，所探测光源谱线波长分别为557. 7nm和630. 0nm的绿光与红光极光谱线。从迄今传回地球的百 余万张图像中，人们已获得了大量的高层大气的有关信息。它的测 量原理是运用光学多普勒干涉技术来确定大气中携带的辐射粒子 (原子和分子)气辉辐射线波长的微小飘移来测量风速、温度和粒子 的辐射率。风成像干涉仪的主体是温度补偿的含有步进动镜的广角 迈克耳逊干涉仪，其在卫星轨道上测量风速可达到的精度为10m/s， 2005年WINDI1已经退役。近年来，美国、加拿大、法国科学家开 始研制用于近红外、中红外区探测风场装置 一 同温层风场输运干 涉仪(SWIFT)，预计2010年发射并进行探测试验。除此之外，人们 也还考虑到这种装置在感兴趣的紫外、热红外区域的应用，但涉及 到许多实际的挑战性困难。
目前国际上研制的风成像干涉仪如WINDII、 SWIFT、 ERWIN等仪 器均采用动镜扫描方式，探测时需要动镜步进四次，分别采集同一 个目标不同时刻的四个干涉强度值，由于在此过程中风场已发生变 化，而测量中却近似认为风场不变，所以造成测量误差较大；另一 方面因为现行仪器中均含有运动部件(动镜)，在很大程度上影响了 仪器的稳定性和测量结果，极不适合航天、航空遥感探测。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种 显示了静态、实时、同时探测的显著优点并具有探测效率高、稳定 性高和探测精度高等显著特色的高层大气风场静态宽场消色差消温 差多方向实时同时探测法。
本发明所述的高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时 同时探测方法是基于下述探测原理而设计的。
被动式探测大气风场的光源是高层大气中的气辉(极光)，其高 度分布在距地面80 300km的电离层和外逸层中，两条谱线主要来 源于亚稳态原子氧的跃迁，从^s)态跃迁到G('^)态，和从^")态跃 迁到基态分别产生557. 7nm和630. Onm的谱线，这一辐射即形成了 理想的多普勒目标一极光。亚稳态原子氧在辐射前与周围的粒子多次碰撞，处于热平衡状态，因此，它与风场有一个共同的运动速 度和温度，这就是我们要测量的风场速度和温度。而高层大气风场 测量的理论依据是干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应。
我们知道，物体发出的光线会因物体本身的运动而产生多普勒 频移，观测到频移量可以反演出物体运动的速度。但是这样的频移 量非常小，直接观测谱线频移非常困难。如果对谱线的干涉现象进 行探测，在大光程差下，其谱线频移产生的相位变化就容易被探测 到。因此，被动式探测大气风场就利用大气中自然形成的极光(气辉) 为光源，利用具有双光束干涉形式的成像干涉仪来确定气辉发射谱 线波长的多普勒微小频移，从而测量风的速度、温度并反演出风场 的压强和粒子辐射率等。
当极光谱线的光谱强度为B(o)时，由干涉成像光谱理论知， B(cO的傅氏变换即为干涉图的强度I(A)，其中o、 A分别为波数 和光程差；由电磁波的多普勒效应知，当光源与观察者之间有相对 运动时，观察到的谱线波数o (谱线位置)将与相对静止时的光源谱 线波数o 。发生漂移，这时a必为相对速度v和相对运动速度方向与 光源和观察者之间连线夹角e的函数。由于我们采用的探测仪器为 双光束干涉装置，故其干涉强度必具有双光束干涉强度的普遍形式
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
式中1。为一常数，^为调制度；①是位相因子，即由于气辉粒 子运动所产生的干涉位相差。
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula> (3)式中2 = 1.82x10-12/(MA〗)cm_2K-!与高斯线型谱线有关， 20=1/^)为零风速时的谱线波长，c为真空中的光速。
可见，r和①分别为风场温度7;风速v、光源与观察者相对
运动速度的方向同二者连线之间夹角^的函数。只要知道了调制 度r就可求出风场温度r，知道了位相差①便可求出风速v。由于 《角在理论上可取任意值，故可实现多方向、全方位的探测，克 服了目前国际上仅限于光源至观察者连线方向上(即^等于零)的 一维探测的缺点。
由于上述表达式中存在着三个未知量/。、 K和①，且K 。又 都是/。的函数，故Z、①的准确度决定于/。的精确程度，/。又受到 测量仪器及测量环境(温度、压强等)因素的影响，故必须对/。进 行校正。为此采取的方法是在光程差四分之一波长递增的情况下， 在一个干涉条纹上连续测量4步，测出4个强度值，通过两两组 合以校正/。，即利用"干涉图4强度测量法"连续测出4个强度
值Il、 12、 13、 14，即可求出IO、 「、①
<formula>formula see original document page 6</formula>
进而由上面给出的各表达式即可求出风场的速度v和温度r ， 压力场则可通过温度的反演而得到。
基于以上探测原理，本发明所述高层大气风场静态宽场消色差消 温差多方向实时同时探测法的特点是通过在迈克耳逊干涉仪的两臂 加设宽场玻璃(补偿玻璃块)、在两臂的全反射镜前各设置一块入/4波
板、在分束器出射口设置一块入/4波板并在该A /4波板后依次设置四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分 区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增^/4的情况下，通过一次
测量获得风场同一目标的四个干涉强度值Il、 12、 13、 14，继而根据
上述的(1) (6)式计算出高层大气风场速度v和温度T，再通过温度 的反演得到高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，这样即可实现对 高层大气风场目标的静态、实时、同时、多方向、全方位被动探测， 从而获知风场速度场、温度场和压力场的分布等信息的目的。
本发明所述的探测方法与目前国际上美、力B、法三国科学家研制 的搭载于上层大气研究卫星上的WINDII和即将于2010年发射的 SWIFT等均具有的动镜扫描、四强度依次分别探测不同时结构方式的 风成像干涉仪探测方法相比，其显著特点是静态、无运动部件，具有 结构合理、性能可靠、操作方便等优点，可实现干涉图四强度一次同 时、实时测量，特别适合大气快速变化目标的探测。可实现多方向、 全方位的大气探测，极大地提高了高层大气探测的效率。
图1为一种用于实现该探测方法的探测装置——静态宽场消 色差消温差偏振风成像干涉仪的平面原理示意图。
图2为该偏振风成像干涉仪一个具体实施例的结构示意图。 图3为偏振分束器的示意图。
图4为四分区检偏器的四分区透振方向(偏振方向)图。 图5为该偏振风成像干涉仪的宽场消色差消温差原理图。
具体实施例方式
参见附图，本发明所述的探测方法可通过设计人研制的专业探测 仪器——静态宽场消色差消温差偏振风成像干涉仪的应用结构得 以实现，该偏振风成像干涉仪是一种利用光的偏振特性并基于光的 多普勒频移和成像光谱技术原理的可用于高层(80 300km)和中、低 层大气速度、温度、压强和粒子辐射率探测的新型光学遥感仪器。 该偏振风成像干涉仪由起偏器1、偏振分束器(PBS)2、全反射镜6、 10、两块反射臂宽场玻璃3、 4、 一块透射臂宽场玻璃7、三块入/4波板5、 9、 11、四面角锥棱镜12、成像镜13、四分区检偏器14以 及四分区CCD15组成(图1、图2)，其中用于接受大气风场光量信 号的起偏器1由消光比10e-3的偏振片构成，起偏器1垂直设置在 入射光线主光轴方向上，其偏振化方向与竖直方向和水平方向分别 成45度角；偏振分束器2沿主光轴方向位于起偏器1后方，由两块 三角劈型玻璃块2.1、 2.2以及夹置两三角劈型玻璃块2.1、 2.2间 的偏振分束膜2. 3构成,其偏振分束膜2. 3以45°倾角设置在主光 轴方向上(图3);两个全反射镜6、 10分别设在偏振分束器2的反 射光和透射光方向(即干涉仪的反射臂和透射臂方向)上，在两个全 反射镜6、 10前各设有一块入/4波板5、 9，其中入/4波板9与透 射臂宽场玻璃7间辟有一层空气隙8;成像镜13设在偏振分束器2 的出射光方向上，在成像镜13前依次设有四面角锥棱镜12和入/4 波板11，在成像镜13后方依次设置有四分区检偏器14和四分区 CCD15，四分区检偏器14的四个偏振分区位相依次相差3r/4。实际 探测时，来自高层大气风场目标的入射光线经起偏器l后形成线偏 振光在偏振分束器PBS的分束膜上将被分解为两个振动方向相互正 交的线偏振光s分量和p分量，s光振动方向垂直纸面，p光振动方 向平行纸面，并分别被反射和透射入干涉仪的两臂宽场玻璃中，再通 至两个前部设有入/4波板的全反射镜6、 10上；由于两臂的末端均 设置了 A /4波板5、9，其快轴方向与纸面垂直方向间的夹角为ii /4， 因此反射臂的s光在返回时候将变为p光，透射臂的P光在返回时 候将变为s光(为了更好的表现光线偏振方向的改变，此处有意的将 反射光线做了横向的偏移处理)，继而两束光再经过两臂宽场玻璃到 达偏振分束器2，从偏振分束器2出射的两束线偏振光传播方向相 同，经过入/4波板11后至四面角锥棱镜12，经四面角锥棱镜12 分束后再通过成像镜13至静止的四分区偏振片14，进而再通过静 止的四分区偏振片14透射后在四分区CCD15的相应区域位置内发生 偏振光的干涉，形成干涉图，通过"四强度"探测法就可以在一个 周期内(即一个条纹上)位相差依次递增h /4的情况下同时测得四分区CCD上各分区风场干涉图的四个强度值Il、 12、 13、 14，继而
根据前述(1) (6)式反演出高层大气风场速度场和温度场，再通过
温度的反演得出高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，从而获知
高层大气速度v、温度T、压强P和粒子辐射率等相关信息。
在本发明所用干涉仪的反射臂和透射臂上设置的宽场玻璃3、
4、 7可实现宽场、消色差、消温差(温度补偿)和适合大气探测的显
著功能，其消色差消温差的原理如下所述。 参见图5，在干涉仪反射臂上的光程为
《=2(—i cos《+"2《cos《+ —3 cos《) (7)
上式中巧、 、"3分别为分束器2和宽场玻璃3、 4的折射率， 《、《、《分别是分束器2、宽场玻璃3、 4的厚度，《、《、《分 别为光线进入分束器、宽场玻璃(补偿介质)3、 4的后的折射角。
在干涉仪透射臂上的光程为
尸2 = 2( 《cos《+ —3 cos《+ "4<i4 cos《) (8)
上式中A、 、"5分别为分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的
折射率，《、《、《分别是分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的厚
度，《、《、《分别为光线进入分束器2、宽场玻璃7和空气隙8
后的折射角。
所以系统的光程差为
△ = 2(—i cos《+ w2<i2 cos《+ "3d3 cos《) 一2(—j cos《+ w4《cos《+ w5d5 cos《)
=2(w2d2 cos《+ —3 cos《—w4<i4 cos《一 —5 COS《)
即
A = 2(w2(i2 cos《+ w36 3 cos《一 w4《cos《一 "5d5 cos《)
令上式角标从i开始，在迈克耳逊干涉仪反射臂的介质的厚度
为正，在干涉仪透射臂上的介质的厚度为负，则可得
△ = 2(巧《cos《+打2《cos《2 + —3 cos《+ "4<i4 COS《) (9)对上式进行展开，并带入初始条件可得
<formula>formula see original document page 10</formula>上式中i为光线进入分束器的入射角。
所以可得基准光程差为
<formula>formula see original document page 10</formula>)
宽场条件为
<formula>formula see original document page 10</formula>
消色差条件为
<formula>formula see original document page 10</formula>消温差条件为
<formula>formula see original document page 10</formula> (14)
联立(ll)、 (12)、 (13)、 (14)可得:
<formula>formula see original document page 10</formula> (15)
由上所述可知，方程组(15)中只有介质(包括玻璃和空气隙)的 厚度是未知变量，方程组有四个方程，四个未知量，理论上可以解 出未知变量，即介质的厚度，且得到的结果可以完全满足(14)式， 即消温差的要求，从而使系统满足宽场、消色差、消温差的条件。
权利要求
1、一种高层大气风场静态宽场消色差消温差多方向实时同时探测法，其特征是通过在迈克耳逊干涉仪的两臂加设宽场玻璃、在两臂的全反射镜前各设置一块λ/4波板、在分束器出射口设置一块λ/4波板并在该λ/4波板后依次设置四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增π/4的情况下，通过一次测量获得风场同一目标的四个干涉强度值I1、I2、I3、I4，继而根据下述计算式I＝I0[1+Vcos(Φi+Φ)]、和计算出高层大气风场速度v和温度T，再通过温度的反演得到高层大气的压力场和粒子辐射率的数值，进而实现风场目标的实时同时探测，以上计算式中V为调制度，Φ是位相因子，λ0＝1/σ0为零风速时的谱线波长，Δ为光程差，c为真空中的光速，θ为光源相对运动速度方向与光源和观察者之间连线的夹角。
全文摘要
本发明涉及一种用于对高层大气速度场、温度场、压力场和粒子辐射率等进行被动式遥感探测的方法，其特征是通过在迈克耳逊干涉仪的两臂加设宽场玻璃、在两臂全反射镜前分别设置λ/4波板、在分束器出射口设置λ/4波板及四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD的方式，在四分区检偏器的四个偏振分区位相差依次递增π/4情况下，通过一次测量获得风场同一目标的四个干涉强度值，继而计算出高层大气风场速度和温度，并据此反演得出风场的压力场和粒子辐射率的数值，从而获知速度场、温度场和压力场分布等信息，其显著特点是静态宽场、无运动部件、消色差、消温差，可实现大气风场干涉图四强度的同时、实时和多方向、全方位探测。
文档编号G01J3/45GK101435880SQ20081023262
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者霖 张, 张淳民, 朱兰艳, 朱化春, 王金婵 申请人:西安交通大学