中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒非對(duì)稱(chēng)空間外差技術(shù)研究.pdf

1、中高層風(fēng)場(chǎng)探測(cè)對(duì)于理解大氣動(dòng)力學(xué)和光化學(xué)過(guò)程，建立大氣動(dòng)態(tài)模型，提供中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，保障航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。被動(dòng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)以中高層大氣中的氣輝為光源，通過(guò)譜線的多普勒效應(yīng)反演風(fēng)場(chǎng)參數(shù)。典型的被動(dòng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)包括Fabry-Perot干涉技術(shù)和Michelson干涉技術(shù)。近年來(lái)，多普勒非對(duì)稱(chēng)空間外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，DASH)技術(shù)以其寬視場(chǎng)、大光通量、高光譜分辨率、靜

2、態(tài)干涉和多譜線同時(shí)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)迅速成為被動(dòng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的研究熱點(diǎn)。結(jié)合空間外差光譜技術(shù)和Michelson干涉技術(shù)，通過(guò)大光程差處干涉相位的變化反演風(fēng)速。
　　國(guó)際上對(duì)DASH技術(shù)的研究已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)地基探測(cè)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(jià)，因此在星載儀器設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙臂式方案。另一方面，風(fēng)速通過(guò)干涉絕對(duì)相位差分獲得，具有抗

3、干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前的風(fēng)速反演并沒(méi)有考慮相位計(jì)算過(guò)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(shí)際的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)精度?；谝陨峡紤]，本文研制了雙臂大光程差DASH干涉儀LODI(Large Offset DASHInterferometer，LODI)，通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)速模擬器并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)模擬探測(cè)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)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(shí)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(gè)方面:
　　1.基于DASH技術(shù)的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)機(jī)理研究。從探測(cè)目標(biāo)的選擇出發(fā)，闡述了探測(cè)目標(biāo)的性質(zhì)和對(duì)干涉儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。在DASH理論模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)需求對(duì)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(jì)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(jì)。對(duì)干涉儀光學(xué)元件誤差（分束器、擴(kuò)視場(chǎng)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(duì)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(cè)需求，參考性能指標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)。
　　3.基于DASH技術(shù)的風(fēng)場(chǎng)反演算法研究。通過(guò)對(duì)比分析傅里葉級(jí)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(duì)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(gè)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(guò)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(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)風(fēng)速模擬基本原理，給出風(fēng)速模擬器的機(jī)械設(shè)計(jì)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(cè)量誤差導(dǎo)致。以干涉儀系統(tǒng)為核心搭建試驗(yàn)裝置進(jìn)行風(fēng)速模擬探測(cè)，對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正。
　　通過(guò)在光譜變換時(shí)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(shí)的風(fēng)速誤差減小了約1.5 m/s。通過(guò)測(cè)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(lái)源于相位漂移。為了消除相位漂移誤差對(duì)風(fēng)速的影響，通過(guò)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(shí)現(xiàn)測(cè)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