地基氣輝成像干涉儀的仿真和定標研究.pdf

1、為實現(xiàn)地球上空中間層層頂和低熱層MLT(Mesosphere and Lower Thermosphere，60-120 km)區(qū)域大氣的溫度和風速的同時探測，課題組研發(fā)了一臺地基氣輝成像干涉儀GBAII(Ground-Based Airglow imager interferometer),GBAII以97km處的O(1S)557.7 nm氣輝譜線和94 km處的O2(0-1)帶864.5 nm的旋轉(zhuǎn)譜線作為探測光源，將具備視場展寬能

2、力的廣角邁克爾遜干涉儀測風與具備空間光譜掃描能力的窄帶干涉濾光片的轉(zhuǎn)動譜線測溫相結(jié)合，通過氣輝的成像干涉探測90-100km范圍內(nèi)的大氣風速和溫度。
　　鑒于GBAII是一臺自行研發(fā)的儀器，其制作必須謹慎。本文利用ZEMAX對GBAII的成像系統(tǒng)進行了仿真模擬，理論計算了GBAII的像質(zhì)評價調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulation Transfer Function)，并對GBAII儀器進行了實驗室定標。
　　仿真模擬:借助

3、ZEMAX軟件，通過人工操作軟件模擬方法，設計了符合條件的最佳GBAII的成像系統(tǒng)，給出GBAII系統(tǒng)的光學元件參數(shù)數(shù)據(jù)表格、3D立體圖、全視場點列圖（Spot Diagram）和調(diào)制傳單函數(shù)MTF圖。通過ZEMAX對GBAII系統(tǒng)的優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)表明，奈奎斯特頻率處的子午方向MTF=0.43、全視場弧矢方向的MTF=0.18，中心視場的MTF=0.31。
　　理論計算MTF:理論計算出GBAII系統(tǒng)的MTF，根據(jù)GBAII的相關參

4、數(shù)，繪制出MTF與空間頻率的關系曲線，得到奈奎斯特頻率處的MTF=0.3307。
　　本文對GBAII的實驗室定標的內(nèi)容包括以下幾個部分:
　　(1)暗電流檢測:曝光時間為0.1秒時，光源是532nm時，暗電流平均值為每像素2009.2個電子計數(shù);當光源是632.8nm時，暗電流平均值為每像素2009.1個電子計數(shù)。
　　(2)平場改正:使用532nm光源時，平場系數(shù)在1.0202到16.8274范圍內(nèi)變化;當光源是6

5、32.8nm時，平場系數(shù)在1到16.7037范圍內(nèi)變化。
　　(3)干涉條紋中心的確定:對我們所使用的512×512像素的CCD探測器，通過GBAII所獲得某干涉條紋中心的進行了確定:當光源是532nm時，從實驗拍攝的60幅圖中隨機挑選20幅圖來確定條紋中心的位置。對每一幅圖灰度值進行高斯曲線擬合，求曲線的極值點，利用Matlab編程，最后確定CCD探測器的(255，261)像素位置;當使用光源632.8nm時，確定干涉條紋在CC

6、D探測器的(247，300)像素位置。
　　(4)步進相位定標:步進相位定標得到了光強度隨光程差或者說是灰度隨步進相位的變化關系，給出了擬合方程。使用532nm光源時，最小二乘最大似然度是65.969％;使用632.8nm光源時，最小二乘最大似然度是70.534％，得到:當光源532nm時拍攝30次是一個周期2π，步進相位頻率每步1.2°;光源632.8nm時拍攝50次是一個周期2π，步進相位頻率每步0.72°。
　　(5)