一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统的制作方法

本发明涉及地基干涉仪系统，具体涉及一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，能够在地面实现高时间分辨率中高层大气风场测量。

背景技术：

地基干涉仪测量中高层大气风场的原理为：通过观测中高层大气成分发射光谱谱线，利用多普勒频移反演大气的运动速度信息。地球大气成分直接或间接吸收太阳电磁辐射能量后被激发到较高的能级，从较高的能级跃迁到较低能级时会释放出一定频率的光子，从而形成微弱光辐射，不同的能级跃迁对应不同波长的光谱谱线。当这些大气成分随着大气运动时，相对地基测风干涉仪而言，气辉光谱将会产生频移。根据多普勒效应可知，当发射物体向着观测方向运动时，观测到的谱线中心频率将向短波方向移动；当背离观测方向运动时，观测的谱线中心频率将向长波方向移动。多普勒频移量取决于谱线的本征频率σ0和发射源运动速度v，如公式(1)所示，δσ为多普勒频移量，σ0为速度v＝0m/s时气辉谱线的本征频率，c为光速；

δσ＝σ0·v/c(1)

用于大气风场探测的多普勒差分干涉光谱仪主要通过探测干涉条纹相位变化反演大气风速信息，dopplerasymmetricspatialheterodynespectroscopy(dash):conceptandexperimentaldemonstration.appliedopticsvol.46,no.29,pp7297,2007.中已公开，干涉曲线理论表达式为：

其中，i(x)为干涉图强度，b(σ)为光谱强度，σ0为风速为0时的本征波数，σl为littrow波数，θl为littrow角，x为探测器对应位置，δd为干涉仪非对称量；当入射谱线由于风速v引入doppler频移时，谱线的中心波数变为：则上式(1)变为：

由(1)、(2)式可见，在干涉图采样中心x＝0位置存在如下关系：

如上，基于多普勒差分干涉光谱技术的大气风速测量方法已经被提出。

地基测风干涉仪主要以oi630nm和oi557.7nm为探测源实现250km和90km高度风场探测，通过测量天顶、东南西北斜向共五个方位观测获得经向和纬向风矢量数据，方位观测主要依靠天空扫描镜来实现，首先两个通道需要串行工作，其次单视场扫描需要扫5次才能将5个方位都扫描完，所以其观测效率较低，现有的地基测风干涉仪完成两个通道风场测量累计需要40min，如果再加上定标时间，一个观测周期时间会更长。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有地基高层大气风场测量干涉仪观测效率低的问题，提出一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统。

为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，包括第一空间扫描机构、第二空间扫描机构、第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜、视场耦合组件、定标模块、干涉仪组件、分色成像组件和探测器；所述第一空间扫描机构位于第一望远镜的入射光路上，且第一空间扫描机构上设置有第一反射镜，将不同方向的光束反射至第一望远镜；所述第二空间扫描机构位于第二望远镜的入射光路上，且第二空间扫描机构上设置有第二反射镜，将不同方向的光束反射至第二望远镜；所述视场耦合组件位于第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜的出射光路上，将第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜的视场光束耦合到一起，并透射到干涉仪组件中；所述定标模块位于视场耦合组件和干涉仪组件之间，包括依次设置的定标光源、第一准直镜和半透半反镜，定标光源发出的光束通过第一准直镜和半透半反镜后反射到干涉仪组件中，用于提供与观测谱线波长相近的标准谱线；所述干涉仪组件对入射光谱辐射进行调制产生干涉图；所述分色成像组件包括沿光路依次设置的光楔分色镜和马赛克滤光片，将干涉仪组件产生的干涉图成像到探测器上。

进一步地，所述光楔分色镜和马赛克滤光片之间的光路上设置有第一成像镜。

进一步地，所述干涉仪组件、分色成像组件之间的光路上设置有第二成像镜。

进一步地，所述定标光源为kr和ne惰性气体原子放电灯。

进一步地，所述视场耦合组件和半透半反镜之间的光路上设置有第二准直镜。

进一步地，所述半透半反镜与干涉仪组件之间的光路上设置有中继成像镜。

进一步地，所述视场耦合组件包括第一视场耦合镜、第二视场耦合镜和天顶光阑。

进一步地，所述半透半反镜的透射反射比为90：10。

进一步地，所述探测器为ccd或cmos。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明提供一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，该系统通过多普勒差分干涉仪的原理性优势，具备双波段、三视场同时观测、同步相位定标监测的特点，观测效率提高4.5倍，一个完整观测周期小于10min。

2.本发明系统采用三组望远镜加耦合中继成像镜的前置系统结构，系统结构简单，测量方便。

附图说明

图1为本发明高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统组成图。

附图标记：1-第一反射镜，2-第二反射镜，3-第一望远镜，4-第二望远镜，5-天顶望远镜，6-视场耦合组件，7-定标模块，8-干涉仪组件，9-分色成像组件，10-探测器，11-第一成像镜，12-第二成像镜，13-第二准直镜，14-中继成像镜，61-第一视场耦合镜，62-第二视场耦合镜，71-定标光源，72-第一准直镜，73-半透半反镜，91-光楔分色镜，92-马赛克滤光片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，该系统是一种基于多普勒差分干涉仪，具有三个观测视场且能同时测量557.7nm和630nm两个通道信号的干涉仪系统，在该系统具有三个视场中，且两个通道同时工作，只需要两次空间扫描就能完成全部5个方位的扫描，从而提高了观测效率。

本发明提供高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统如图1所示，包括第一空间扫描机构、第二空间扫描机构、第一望远镜3、第二望远镜4、天顶望远镜5、视场耦合组件6、定标模块7、干涉仪组件8、分色成像组件9和探测器10，该探测器10具体可为ccd或cmos。

第一空间扫描机构位于第一望远镜3的入射光路上，且第一空间扫描机构上设置有第一反射镜1，将不同方向的光束反射至第一望远镜3；第二空间扫描机构位于第二望远镜4的入射光路上，且第二空间扫描机构上设置有第二反射镜2，将不同方向的光束反射至第二望远镜4。视场耦合组件6位于第一望远镜3、第二望远镜4、天顶望远镜5的出射光路上，将第一望远镜3、第二望远镜4、天顶望远镜5的视场光束耦合到一起，并透射到干涉仪组件8中。

定标模块7位于视场耦合组件6和干涉仪组件8之间，包括依次设置的定标光源71、第一准直镜72和半透半反镜73，半透半反镜73的透射反射比为90：10，定标光源71发出的光束通过第一准直镜72和半透半反镜73后反射到干涉仪组件8中，用于提供与观测谱线波长相近的标准谱线；干涉仪组件8对入射光谱辐射进行调制产生干涉图；分色成像组件9包括沿光路依次设置的光楔分色镜91、第一成像镜11和马赛克滤光片92，将干涉仪组件8产生的干涉图成像到探测器10上。干涉仪组件8、分色成像组件9之间的光路上设置有第二成像镜12，视场耦合组件6和半透半反镜73之间的光路上设置有第二准直镜13，半透半反镜73与干涉仪组件8之间的光路上设置有中继成像镜14。

系统工作流程如下：两空间扫描机构和望远镜将三个观测视场内90km和250km高度大气中原子绿线557.7nm和红线630nm气辉光谱辐射同时收集到系统当中，视场耦合组件6将两个斜向视场和天顶视场耦合输入到干涉仪组件8，在中继成像镜14中引入定标光源71，定标光源71提供与观测谱线波长相近的标准谱线，干涉仪组件8对入射光谱辐射进行调制产生干涉图并由分色成像组件9成像到面阵ccd探测器上。

下面对本发明系统中的各部件进行详细的描述。

第一扫描机构和第二扫描机构用于将望远镜视轴指向不同天空方向，第一扫描机构和第二扫描机构的结构完全相同，每台都由两轴扫描机构组成，采用同步控制，具有同时分别指向东西、同时分别指向南北两种工作模式，采用一个控制器与主控计算机连接，望远物镜将探测目标成像到像面处，然后经准直透镜准直后产生平行光束。

定标光源71提供波长与氧原子绿线557.7nm和红线630nm接近的稳定标准谱线，分别由kr和ne惰性气体原子放电灯产生，波长分别为557.029nm和630.479nm，用来监测整个观测过程中系统的微小相位漂移。

视场耦合组件6负责将斜向观测视场fov1、fov2和天顶观测视场fov3耦合到一起透射到干涉仪当中，fov1、fov3、fov2上、中、下排列，定标光路充满整个合并视场。视场耦合组件6包括两块反射镜和一个光阑组成，具体包括第一视场耦合镜61、第二视场耦合镜62和天顶光阑。

干涉仪组件8是产生557nm和630nm两个波段的干涉图，干涉仪利用中阶梯光栅多级衍射实现双波段干涉图同步生成，光谱分辨率1.5cm^-1，非对称量大于25mm，保证高相位灵敏度优于5mrad；双波段视场展宽，干涉光束孔径角大于3°，保证系统高集光能力；热补偿设计，保证干涉仪相位稳定度优于0.25rad/℃。干涉仪组件8还具备自主温控能力，为实体干涉仪提供0.1k的稳定温度工作条件。该干涉仪组件8具体可为一种星载测风宽谱段非对称空间外差干涉仪，zl201318000167.4。

分色成像组件9功能是将干涉仪产生的干涉图成像到探测器10上，包含光楔分色镜91和马赛克滤光片92，可以使557.7nm和630nm两个波段产生的干涉图分开并列于面阵探测器10的左右两侧，探测器10的上下部分则分别对应三个观测视场，这样一帧探测器10图像就能够获得六个独立的视线风速值，分别对应fov1、fov2、fov3三个方向上的90km和250km高度大气区域。

探测器10用于接收干涉图，进行光电转换，具体为ccd或cmos。