一体化扩视场空间外差干涉仪的设计、制作、标定和地基观测研究

摘要

一体化空间外差干涉仪在空载遥感科学应用中具有重大优势。它可以提供较高的光谱分辨力和较大的光通量，同时具有小而紧凑的体积，并且一体化没有移动部件的构造使得它具有极强的鲁棒性。为了掌握这种技术的关键，我们以940nm附近水汽吸收带为目标，在传统实验室环境下用标准品光学元件设计并制造了一维和二维一体化空间外差干涉仪各一台。标定和测试实验结果表明它们的特性与设计预期相符。我们用其中的二维干涉仪搭建了一套地基940nm附近水汽吸收带观测系统，观测结果与仿真结果具有很好的吻合度。 本论文主要内容概括如下: 1.首先，我们介绍了空间外差光谱技术(Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS)的研究背景。介绍过程中，我们把空间外差光谱技术的科研应用按照用途分为了三类:发射光谱和吸收光谱的被动测量SHS、拉曼光谱主动测量SHS、以及多普勒测风SHS。 2.接下来我们讨论了一维和二维空间外差干涉仪的光学原理，包括了入射光光谱与干涉图频谱之间的映射关系，以及限制系统光谱分辨率和光谱范围的主要因素。我们还介绍了空间外差干涉仪的视场扩展理论，给出了扩展视场棱镜组的各棱镜楔角计算公式。这些理论基础指导我们根据任意实际用途的需要，设计一体化扩视场空间外差干涉仪。我们还简要介绍了不等臂多普勒测风空间外差干涉仪。 3.作为实践，我们以太阳直射谱中940nm附近水汽吸收带为观测目标，设计了一维和二维一体化扩视场空间外差干涉仪。为了精确组装一体化干涉仪，我们在实验室的光学平台上搭建了一套干涉仪装调系统。在装调系统上，我们用已知标定光源照射干涉仪，在监视干涉条纹及其二维傅立叶变换的条件下对干涉仪进行精确调节并粘接固定。我们搭建了均匀单色扩展光源，对组装好的干涉仪进行了测试，测得制成的一维和二维干涉仪的条纹对比度分别为～0.73和～0.41，这表明他们具有很好的干涉效率。 4.一维干涉仪适用于光谱在垂直方向上有分层的场景，如大气临边。因此我们使用老式氖灯泡和搭建的变形镜头模拟这种高度分层的场景，对制作好的一维干涉仪进行了原理性实验。实验结果与预测现象相吻合，并且表明干涉仪参数与设计预期十分接近。二维干涉仪更适合地基观测，为了方便观测，我们用制成的二维干涉仪集成了一台空间外差光谱仪系统。我们用可调谐激光器、波长计和能量计对集成的光谱仪系统进行了全面的标定，获得了反演光谱所必需的系统参数。我们还用标定数据计算了光谱仪的相位失真项，它们可以用来修正原始干涉图的相位误差。 5.最后，我们在地面观测站，将空间外差光谱仪系统通过光纤耦合在一台精确校准过的赤道仪望远镜上，用来地基观测太阳直射谱的940nm附近水汽吸收带。测得的光谱结果在枯水季和丰水季都与当天条件下用MODTRAN计算的模拟谱具有很好的吻合度。我们进一步使用测得的吸收谱测算该时刻大气水汽柱含量，方法是通过计算地基观测谱和一系列不同水汽值输入下的MODTRAN模拟谱之间的相关系数进行判断，测算结果与微波辐射计测得的10公里以下大气水汽柱含量具有一致的变化趋势。

目录

声明

摘要

引言

第一章空间外差干涉仪研究现状

1.1 空间外差干涉仪的现有应用

1.1.1 被动测量空间外差干涉仪

1.1.2 主动测量拉曼光谱空间外差干涉仪

1.1.3 测风空间外差干涉仪

1.2 本章小结

第二章空间外差干涉仪基本原理

2.1 一维傅立叶变换空间外差干涉仪

2.1.1 一维空间外差干涉仪干涉图傅立叶变换与输入光谱的关系

2.1.2 采样获得的实际干涉图

2.1.3 由CCD宽度限制带来的光谱分辨率约束

2.1.4 由CCD采样率限制带来的光谱范围约束

2.2 二维傅立叶变换空间外差干涉仪

2.2.1 二维空间外差干涉仪干涉图傅立叶变换与输入光谱的关系

2.2.2 二维空间外差干涉仪的分辨率约束和光谱范围约束

2.3 空间外差干涉仪视场扩展理论

2.4 空间外差干涉仪测风原理

2.5 本章小结

第三章一体化空间外差干涉仪的制造和检测

3.1 一体化干涉仪的设计

3.2 一体化干涉仪的调节粘接制造

3.2.1 一体化干涉仪装调系统

3.2.2 一维干涉仪的制作

3.2.3 二维干涉仪的制作

3.2.4 一体化干涉仪条纹对比度的检验

3.2.5 用于水汽940nm附近吸收谱地基观测的空间外差光谱仪

3.3 本章小结

第四章一维干涉仪的检验和二维光谱仪的标定

4.1 一维干涉仪的原理性实验

4.1.1 变形镜头的搭建

4.1.2 一维干涉仪氛灯实验结果

4.2 二维光谱仪标定实验

4.2.1 光谱在频域的位置映射标定和波长标定

4.2.2 效率曲线和仪器函数标定

4.2.3 光谱仪的相位修正理论

4.3 标定结果与设计预期的对比

4.4 本章小结

第五章水汽940nm附近服收谱的地基观测

5.1 赤道仪的极轴对准

5.2 观测数据反演水汽桂含量

5.2.1 反演光谱与MODTRAN模拟结果对比

5.2.2 水汽柱含量计算

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

攻博期间的科研成果

致谢