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干涉法大气风场探测技术研究

汪丽  
【摘要】: 大气层与人类的生存和生活密切相关。近年来由于臭氧空洞以及由此带来的一系列环境问题,使中高层大气的研究成为热门课题。探测方式也多种多样。被动法大气风场探测主要是利用干涉仪以大气中携带了风场信息的气辉和极光谱线为目标源得到干涉强度后再反演出大气温度、压力、风场速度等信息的方法。这种方法以其装置简单、分辨率高、探测精度高、受天气影响小等优点得到了广泛应用。我国在这方面的研究刚刚起步,随着我国航空航天技术的发展,对大气层尤其是中高层大气信息的需求迫在眉睫。因此开展被动法大气风场探测研究具有重要的理论和实际意义,有望以后作为一种重要的探测方式为我国的航天和气象服务。本文正是基于这样的背景和需求,对干涉法大气风场探测技术进行了深入研究,在理论分析的基础上进行了计算机模拟仿真,就重点和关键问题进行了研究,提出了基于偏振阵列的偏振迈克尔逊大气风场探测干涉仪,主要工作和创新成果总结如下: 探测目标源的选择体现了探测目的,并决定了装置设计的一些参数指标,因此合理选择目标源是进行前期研究的重要一环。文中对大气中出现的极光和气辉谱线进行了归纳总结和分析,分别给出了其反应过程、发射强度、发射高度、发射波长等信息,并指出了谱线的选择原则。由于展宽机理的不同,谱线可以用不同的线型函数来表示,文中给出了和大气温度有关的展宽函数,并分析了压力分布与温度的关系及风速和谱线波长的关系,为风场的反演提供了理论参考。 Fabry—Perot干涉仪是应用较早的风场探测干涉仪。文中详细分析了其探测机理、反演方法和实现方法。对理想情况下风速的反演进行了推理验证。用计算机对干涉仪实现了模拟仿真,得到了理想的结果。并成功实现了环转线干涉系统的模拟。 迈克尔逊干涉仪因其视场展宽的优点在风场探测中得到了越来越广泛的应用。文中首先详细分析了其探测方式和反演方法,应用视场展宽的条件,经过计算首次从中国玻璃库中选择出了符合条件的最佳玻璃对,并对其臂长进行了计算,随后验证了其满足程度,结果表明此玻璃对的选择很好地满足了视场展宽条件。经过计算机模拟,更加直观地证明了选择的正确。然后列举了实现四步法的方法,提出了旋转镜法和偏振阵列法两种新的实现方法,经过分析比较,指出了其各自的优缺点。将以上理论分析结果应用于干涉仪的计算机模拟仿真,得到了理想的干涉结果,经过风速反演,得到了与实际值相一致的结果。 就迈克尔逊干涉仪的几个关键和难点问题进行了详细分析,并获得了相关结论。首先提出了基准光程差的选择原则,分别从调制度的限制、相位的限制及波长相近谱线同相位的要求三方面进行了讨论,得到了针对特定谱线的最佳基准光程差值。然后分析了基准光程差误差和步进误差对测试结果的影响,给出了在一定的结果误差允许范围内的误差容限。最后对温度不确定度的影响因素进行了分析,给出了温度不确定度和调制度不确定度之间的定量关系,并指出装置调制度的不确定度和发射线的表观调制度的不确定度决定了温度不确定度,给出了提高温度精确度的方法。这些问题的研究为装置的工程化实施提供了理论依据,具有重要的创新意义。 提出了一种基于偏振阵列的偏振迈克尔逊风场探测干涉仪方案,结合偏振干涉和风场探测的原理,并采用四面角锥棱镜和偏振阵列实现了四相位的同时探测,具有操作简单、探测精度高、能够充分利用光能量的优点。文中详细分析了光在行进过程中偏振态的变化,并对干涉仪进行了模拟仿真,得到了不同强度的干涉图,经过数据处理和反演分析,得到了和真实值一致的结果。


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