中高层大气风场探测多普勒非对称空间外差技术研究

摘要

中高层风场探测对于理解大气动力学和光化学过程，建立大气动态模型，提供中长期天气预报，保障航空航天事业的发展具有重要的作用。被动风场探测以中高层大气中的气辉为光源，通过谱线的多普勒效应反演风场参数。典型的被动风场探测技术包括Fabry-Perot干涉技术和Michelson干涉技术。近年来，多普勒非对称空间外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，DASH)技术以其宽视场、大光通量、高光谱分辨率、静态干涉和多谱线同时探测的优点迅速成为被动风场探测的研究热点。结合空间外差光谱技术和Michelson干涉技术，通过大光程差处干涉相位的变化反演风速。
　　国际上对DASH技术的研究已经有一定的基础，设计地基探测氧红线干涉仪。为了研制稳定性较高的仪器，采用K(o)ster棱镜分光形成共光路单臂式干涉仪结构，增大系统的光程差要以成倍增加仪器体积为代价，因此在星载仪器设计时采用了双臂式方案。另一方面，风速通过干涉绝对相位差分获得，具有抗干扰能力强的特点，目前的风速反演并没有考虑相位计算过程中的数据处理误差，然而低相位灵敏度和数据处理误差两方面均影响了实际的风场探测精度。基于以上考虑，本文研制了双臂大光程差DASH干涉仪LODI(Large Offset DASHInterferometer，LODI)，通过设计风速模拟器并搭建实验平台实现风场模拟探测。在数据处理过程中，提出窗函数参数的优化选择方法和相位漂移校正方法，实现干涉数据的误差修正，提高风速反演精度。
　　本论文的主要工作包括以下几个方面:
　　1.基于DASH技术的风场探测机理研究。从探测目标的选择出发，阐述了探测目标的性质和对干涉仪系统设计的要求。在DASH理论模型的基础上，针对风场探测需求对干涉仪关键指标进行理论分析和推导，明确系统参数设计的理论依据。
　　2.依据DASH干涉仪基本原理提出LODI的仪器参数，进行系统仿真分析和设计。对干涉仪光学元件误差（分束器、扩视场棱镜、光栅等）、系统噪声和环境变化等因素产生的基频漂移、绝对相位误差和风速误差进行了仿真和定量分析;根据干涉仪的探测需求，参考性能指标设计系统的详细参数。
　　3.基于DASH技术的风场反演算法研究。通过对比分析傅里叶级数法和傅里叶变换法求解干涉相位的优劣，得出后者更适合应用在DASH干涉相位获取。在确定相位算法的前提下，对数据处理中的误差进行分析，指出窗函数作为一个外部变量，是引起干涉数据误差的原因。提出窗函数优化选择方法，指出通过选择半高宽为2的Nuttall窗，能够使由窗函数参数产生的风速误差最小化。
　　4.LODI风场探测实验研究。根据风速模拟基本原理，给出风速模拟器的机械设计方案，并且定量分析了风速模拟器的模拟风速误差，指出总风速模拟误差约为1.3％，主要是由夹角误差和测量误差导致。以干涉仪系统为核心搭建试验装置进行风速模拟探测，对干涉数据进行误差修正。
　　通过在光谱变换时进行窗函数优化分析，指出在光程差间隔内矩形窗产生的风速误差达1.75 m/s，Nuttall窗下的风速变化最小，约0.75 m/s。随着窗函数半高宽增加，风速误差变大。选择半高宽为2的Nuttall窗函数，使在风速47.62 m/s时的风速误差减小了约1.5 m/s。通过测量多组同一风速下的干涉图频移，反演得到风速误差为6.1 m/s，该误差主要来源于相位漂移。为了消除相位漂移误差对风速的影响，通过连续采样的方法进行相位漂移误差校正，风速误差在校正后降低了28 m/s，从而实现测量精度的提高。在34.19 m/s到78.63 m/s范围内进行24组风速模拟探测实验，得出相应的风速反演误差和不确定性，最终获得2.92m/s的实验室风速模拟探测精度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 风场探测背景

1．2 被动风场探测技术

1．2．1 Fabry-Perot干涉仪测风技术

1．2．2 Michelson干涉仪测风技术

1．2．3 被动风场反演方法

1．3 DASH干涉仪测风技术

1．3．1 DASH干涉仪测风技术研究背景

1．3．2 DASH干涉仪测风技术研究现状

1．4 选题意义

1．5 论文的主要工作及研究思路

第2章 中高层大气风场被动探测技术机理研究

2．1 探测目标选择

2．2 DASH干涉原理

2．3 DASH干涉仪关键系统参数研究

2．3．1 最优光程差分析

2．3．2 采样光程差间隔计算

2．3．3 离轴分析

2．3．4 光谱分辨率参数分析

2．3．5 影响干涉调制度因素分析

2．4 本章小结

第3章 LODI系统仿真分析和设计

3．1 LODI系统仿真分析

3．1．1 干涉仪敏感因子

3．1．2 系统噪声

3．1．3 环境温度

3．2 LODI系统设计

3．2．1 设计要求

3．2．2 干涉仪详细设计

3．2．3 准直系统

3．2．4 成像系统

3．3 本章小结

第4章 基于DASH技术的风场反演算法研究

4．1 相位获取算法

4．1．1 傅里叶级数法

4．1．2 傅里叶变换法

4．2 窗函数优化选择方法

4．2．1 窗函数类型

4．2．2 窗函数宽度

4．3 本章小结

第5章 LODI风场探测实验研究

5．1 风速模拟探测系统设计

5．1．1 风速模拟基本原理

5．1．2 风速模拟器机械设计

5．1．3 风速模拟装置误差分析

5．2 LODI风场探测实验

5．2．1 DASH干涉仪实验

5．2．2 LODI风速模拟探测实验

5．3 实验数据误差修正

5．3．1 窗函数优化分析

5．3．2 温度漂移校正

5．4 风场模拟探测精度分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 主要研究内容与结论

6．2 本文的创新之处

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果