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一种地基气辉成像干涉仪及其探测高层大气风速和温度方法

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本发明公开了一种地基气辉成像干涉仪，包括纵向光轴部分和横向光轴部分，纵向光轴部分从上至下依次间隔设置有一个视场光阑、透镜组A、偏振片A及大空气隙广角迈克尔逊干涉仪；横向光轴部分从大空气隙广角迈克尔逊干涉仪开始，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向一侧间隔设置有LCoS反射式液晶，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向另一侧依次间隔设置有偏振片B、透镜组B、透镜组C、窄带干涉滤光片、镜头和CCD相机。本发明还公开了同时对高层大气风速和温度的探测方法。本发明的装置及其方法，能够实现对高层大气风速和温度的同时探测，具备很高的探测精度。

著录项

公开/公告号CN102620830A

专利类型发明专利
公开/公告日2012-08-01

原文格式PDF
申请/专利权人西安理工大学;
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申请/专利号CN201210080277.0
发明设计人唐远河;郜海阳;段晓东;屈欧阳;贾奇杰;曹显刚;
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申请日2012-03-23
分类号G01J3/45(20060101);G01P5/26(20060101);G01K11/00(20060101);
代理机构61214 西安弘理专利事务所;
代理人李娜
地址 710048 陕西省西安市金花南路5号
入库时间 2023-12-18 06:16:08

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2014-07-02

授权

授权
2012-09-26

实质审查的生效 IPC(主分类):G01J3/45 申请日:20120323

实质审查的生效
2012-08-01

公开

公开

说明书

技术领域

本发明属于干涉法探测高层大气技术领域，利用基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪及法布里波罗干涉滤光片，来同时实现相位四步进测风及转动谱线测温，具体涉及一种地基气辉成像干涉仪；本发明还涉及利用该地基气辉成像干涉仪，同时对高层大气风速和温度的探测方法。

背景技术

利用光学干涉法测量风速是被动遥感探测高层大气风场的主要手段。其中，借助广角迈克尔逊干涉仪(MI，Michelson interferometer)的“四强度” 测风法是由加拿大的G.G.Shepherd课题组于1966年提出，经过不断的研究和实验，直到1991年，第一台被动探测高层大气风场的广角Michelson成像干涉仪WINDII(Wind Interferometer Imaging)研制成功，并搭载于美国NASA 发射的高层大气研究卫星UARS(Upper Atmospheric Research Satellite)上，用于研究高层大气特性(温度、风速、微量粒子密度、丰度和动力学等)，开创了卫星遥感被动探测高层大气风场的先河。此后，围绕该技术的改进方案主要集中在如何设计出更具有实用性的无动镜实体干涉仪。国外，WAMI (Waves Michelson Interferometer)将干涉仪的一个反射镜分为四个区域，分别镀反射膜以产生1/4波长步进的光程差，并经过角锥棱镜的分光从而用探测器接收，PAMI(Polarizing Atmospheric Michelson interferometer)基于偏振化方向的改变，利用潜望镜收集天空光线，无动镜。

转动谱线测温法是一种精度很高的探测高层大气温度的主要手段，它借助由多个带通滤光片及光电倍增管或CCD(Charge Coupled Device)组成的倾斜滤光片光度计或气辉温度光度计来实现，探测精度达1K，也能获得气辉粒子体发射率信息，通过大气温度变化研究大气潮汐、重力波传播。国外比较著名的有加拿大York大学的R.H.Wiens等人研制的MORTI(Mesopause Oxygen Rotational Temperature Imager)，1997年对该仪器进行了改进，通过增加一个OH(6-2)带的通道及更换更高灵敏度的CCD进而产生了SATI (Spectral Airglow Temperature Imager)。2007年，日本K.Shiokawa等人制作了类似仪器，具备12个光谱通道及更高探测灵敏度。中国中科院空间科学与应用研究中心于1996年就购买了一台国外的倾斜滤光片光度计进行观测和研究。

对高层大气的观测和研究要求仪器能够同时测得指定区域的风速和温度等信息，并尽可能地提高精度。上述的广角迈克尔逊干涉仪技术虽然在测风方面具备成熟的套路，但测温的原理较为复杂且精度不是很理想，而转动谱线测温法虽然具备较高的温度探测精度，但不能够探测风速。

发明内容

本发明的目的是提供一种地基气辉成像干涉仪，将基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪以及法布里波罗干涉滤光片作为仪器的核心器件，利用相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的手段，来实现对高层大气风速和温度的同时探测。

本发明的另一目的是利用上述的地基气辉成像干涉仪，提供一种同时对高层大气风速和温度的探测方法，显著提高探测精度。

本发明所采用的技术方案是，一种地基气辉成像干涉仪，包括纵向光轴部分和横向光轴部分，

纵向光轴部分从上至下依次间隔设置有一个视场光阑、透镜组A、偏振片A及大空气隙广角迈克尔逊干涉仪；

横向光轴部分从大空气隙广角迈克尔逊干涉仪开始，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向一侧间隔设置有LCoS反射式液晶，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向另一侧依次间隔设置有偏振片B、透镜组B、透镜组C、窄带干涉滤光片、镜头和CCD相机。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述的地基气辉成像干涉仪，同时对高层大气风速和温度的探测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取高层大气的目标光源：来自高层大气气辉光源的入射光在视场光阑处形成平面光源向下射入，随后经过透镜组A的作用被调制为平行光，出射偏振片A后变为线偏振光，依次在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪、 LCoS反射式液晶及偏振片B的作用下发生干涉现象，出射的平行光经过透镜组B后会聚成像，称为第一次成像；随后以该第一次成像的光线入射透镜组C后被再一次调制为平行光，以不同的离轴角入射窄带干涉滤光片，经过镜头后被滤出的光最终成像在CCD相机的靶面上，得到目标光源信息；

步骤2、目标光源信息中含有两条谱线，其转动量子数分别为J₁和J₂，那么CCD上能够接收到的谱线强度表示为：

$I_{0 (J_{1})} = CS (J_{1}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{1}) hc / {kT}_{r}] - - - (1)$

$I_{0 (J_{2})} = CS (J_{2}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{2}) hc / {kT}_{r}] - - - (2)$

其中C为一常数且与其它量无关，S(J₁)、S(J₂)是与转动量子数J和Einstein 系数有关的因子，F(J₁)、F(J₂)为转动项，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，T_r为大气温度，

两条谱线经过滤光片的作用在CCD靶面上呈现为具有一定宽度的两条亮环，其间再通过基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪，则两条谱线的强度被分别调制为：

$I_{(J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \cos φ) - - - (3)$

$I_{(J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \cos φ) - - - (4)$

其中V为调制度，通常表示为仪器调制度与谱线调制度的乘积，数值在0.3-1 之间，

此时迈克尔逊干涉仪的相位为：

φ＝φ_θ+φ_v+φ′＝2πσ₀Δ_θ(1+v/c)+2πσ₀Δ′ (5)

其中，φ_θ为迈克尔逊干涉仪的固定光程差导致的相位，φ_v为风速引起的相位，φ′为步进光程差引起的相位，v为视线方向的风速，光程差为Δ＝Δ_θ+Δ′， Δ_θ为基准光程差，Δ′为步进光程差；

设步进光程差Δ′能够从Δ′＝0以λ/4的步进递增4次，也即Δ′所对应的相位能够以π/2的步进从0到3π/2递增4次，就得到量子数J₁的谱线每一步的强度为：

$I_{1 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \cos φ) - - - (6)$

$I_{2 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 - V \sin φ) - - - (7)$

$I_{3 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 - V \cos φ) - - - (8)$

$I_{4 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \sin φ) - - - (9)$

同理，得到量子数J₂的谱线每一步的强度为：

$I_{1 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \cos φ) - - - (10)$

$I_{2 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 - V \sin φ) - - - (11)$

$I_{3 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 - V \cos φ) - - - (12)$

$I_{4 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \sin φ) - - - (13)$

因此，(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)八个式子即是最终得到的相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的耦合强度，则高层大气温度和风速的计算方法分别为：

其一、高层大气温度的计算方法：

将(6)(7)(8)(9)和(10)(11)(12)(13)分别代入下述公式(14) 及(15)，分别得到I_0(J1)和I_0(J2)为：

$I_{0 (J_{1})} = [I_{1 (J_{1})} + I_{3 (J_{1})}] / 2 = [I_{2 (J_{1})} + I_{4 (J_{1})}] / 2 = CS (J_{1}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{1}) hc / k T_{r}] - - - (14)$

$I_{0 (J_{2})} = [I_{1 (J_{2})} + I_{3 (J_{2})}] / 2 = [I_{2 (J_{2})} + I_{4 (J_{2})}] / 2 = CS (J_{2}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{2}) hc / k T_{r}] - - - (15)$

由(14)(15)两式的比值可得大气温度T_r：

T_r＝(hc/k)[F(J₂)-F(J₁)]/lnA (16)

式(16)就是“转动谱线测温法”最终得到的高层大气温度表达式；

其二、高层大气风速的计算方法：

将(6)(7)(8)(9)和(10)(11)(12)(13)分别代入下述公式(17)，得到迈克尔逊干涉仪相位的正切值为：

$\tan φ = [I_{4 (J_{1})} - I_{2 (J_{1})}] / [I_{1 (J_{1})} - I_{3 (J_{1})}] = [I_{4 (J_{2})} - I_{2 (J_{2})}] / [I_{1 (J_{2})} - I_{3 (J_{2})}] - - - (17)$

由式(17)跟前文中的式(5)结合计算即得到风速值：

$v = \frac{c}{2 π σ_{0} Δ_{θ}} [\arctan (\frac{I_{4 (J_{1})} - I_{2 (J_{1})}}{I_{1 (J_{1})} - I_{3 (J_{1})}}) - 2 π σ_{0} (Δ^{'} - Δ_{θ})]$

$= \frac{c}{2 π σ_{0} Δ_{θ}} [\arctan (\frac{I_{4 (J_{2})} - I_{2 (J_{2})}}{I_{1 (J_{2})} - I_{3 (J_{2})}}) - 2 π σ_{0} (Δ^{'} - Δ_{θ})] - - - (18)$

(18)式即为最终得到的高层大气风速的表达式。

本发明的有益效果是：

1)将大空气隙广角迈克尔逊干涉仪与法布里波罗窄带干涉滤光片相结合，对目标光源谱线的多普勒频移量及多条转动谱线的强度比值进行观测，可以实现对高层大气风速和温度的同时探测。

2)利用相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的方法作为探测原理和依据，从一幅成像图中可同时提取出风速值和温度值，使得仪器同时具备很高的风速和温度的探测精度。

3)本发明配以基于LCoS反射式液晶的实体大空气隙广角迈克尔逊干涉仪，采用H-K9L玻璃材质制作，各部分紧密胶合在一起，不仅使得加工成本被大大降低，而且通过调节电压可以精确控制入射光的相位，实现无动镜的光程差步进，抗震性能也能得到保障。

4)本发明整体结构紧凑，本身功耗很低，成本可观，为这类仪器的应用推广提供了有力的支持。

附图说明

图1是本发明的地基气辉成像干涉仪的结构示意图；

图2是本发明地基气辉成像干涉仪中的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的结构示意图(光路图)。

图中，1.视场光阑，2.双胶合正透镜A，3.双胶合正透镜B，4.偏振片A， 5.LCoS反射式液晶，6.大空气隙广角迈克尔逊干涉仪，7.偏振片B，8.双胶合正透镜C，9.双胶合正透镜D，10.外壳，11.双胶合正透镜E，12.双胶合正透镜F，13.窄带干涉滤光片，14.镜头，15.CCD相机，16.透镜组A，17.透镜组B，18.透镜组C，19.半反半透膜，20.直角三棱镜A，21.直角三棱镜B， 22.玻璃立方体，23.全反射膜，24.大空气隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的地基气辉成像干涉仪的结构是，图中的结构描述顺序为、从右至左，包括纵向光轴部分和横向光轴部分，纵向光轴部分从上至下依次间隔设置有一个视场光阑1、透镜组A16、偏振片A4及大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6；横向光轴部分从大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6开始，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6的横向光轴方向一侧间隔设置有LCoS 反射式液晶5，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6的横向光轴方向另一侧依次间隔设置有偏振片B7、透镜组B17、透镜组C18、窄带干涉滤光片13、镜头14和CCD相机15。除镜头14和CCD相机15外的其他部件全部固定安装在外壳10中的纵向光轴和横向光轴通道中。

透镜组A16由双胶合正透镜A2与双胶合正透镜B3间隔一定距离组合而成。透镜组B17由双胶合正透镜C8与双胶合正透镜D9间隔一定距离组合而成。透镜组C18由双胶合正透镜E11与双胶合正透镜F12间隔一定距离组合而成。

上述的视场光阑1与透镜组A16的间隔为透镜组A16的有效焦距，透镜组A16的位置与透镜组B17的位置在光路中相对于LCoS反射式液晶5 对称，其间隔均为透镜组A16的有效焦距，透镜组B17与透镜组C18的间隔为该两个透镜组焦距之和，其余部件间隔无特殊要求，根据加工工艺进行实际调整。

如图2所示，本发明装置中的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6，基于 LCoS的结构进行设置，包括采用两块相同材质的(优选等腰)直角三棱镜 A20和(优选等腰)直角三棱镜B21的斜面胶合在一起组成分光棱镜，该胶合面镀有半反半透膜19，直角三棱镜A20的一臂(下表面)胶合一块材质相同的玻璃立方体22，并在玻璃立方体22另一端(下表面)镀有一层全反射膜23，直角三棱镜B21的另一端(侧面)后设置有一个大空气隙24，并在大空气隙24后设置有LCoS反射式液晶5。

以下是本发明同时对高层大气风速和温度的探测方法，利用上述的地基气辉成像干涉仪，从探测光路、干涉原理、探测风速及温度的原理三个方面进行详细说明：

本发明探测方法的探测光路为：参照图1，来自高层大气气辉光源的入射光在视场光阑1处形成平面光源向下射入，随后经过透镜组A16的作用被调制为平行光，出射偏振片A4后变为线偏振光，此后将依次在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6、LCoS反射式液晶5及偏振片B7的作用下发生干涉现象(干涉原理见下文，光路图见图2)，出射的具有先偏振态的平行光经过透镜组B17后会聚成像，至此为第一次成像，该像在理论上应与视场光阑1处的平面光源相同；随后以该第一次成像处的光线入射透镜组C18进而被再一次调制为平行光，以不同的离轴角入射窄带干涉滤光片13，经过镜头14的会聚作用被滤出的光最终成像在CCD相机15的靶面上。

本发明的探测方法，基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪，干涉原理是：参照图2，一束经过偏振片A4起偏调制后的线偏振光与光轴成θ 角入射直角三棱镜B21，在半反半透膜19处被分成方向不同的两束光，其中一束经过直角三棱镜B21(右侧面)和大空气隙24的透射进入LCoS反射式液晶5，这时对LCoS反射式液晶5每一个像素施加电压，通过液晶对光束的双折射效应，使得入射光被LCoS反射式液晶5反射后的相位被调制，当反射光再次出射时，与入射光相比相位被调制了一定的数值，该数值的大小通过调节施加在LCoS反射式液晶5上的电压值来实现，然后反射光再次经过大空气隙24和直角三棱镜B21到达半反半透膜19，与此同时，另一束被半反半透膜19分束的入射光通过直角三棱镜A20和玻璃立方体22的透射和全反射膜23的反射后再次经过玻璃立方体22和直角三棱镜A20到达半反半透膜19，两束光汇合后出射直角三棱镜A20(左侧面)，再经过偏振片B7 的检偏作用使得两束带有不同偏振态的光线发生干涉。

本发明的探测方法，进行风速及温度的探测原理为：利用相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的方法作为探测原理和依据。其中，高层大气风速的信息包含在光源的多普勒频移量中，而频移量可以通过图2中的基于 LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪6来探测；温度的信息包含在转动谱线不同的强度比值中，图1窄带干涉滤光片13的中心透过波长是随入射光的角度变化的，因此在本发明的光路中将不同波长的谱线配以不同的入射角度，从而在窄带干涉滤光片13作用下被依次滤出，通过CCD相机15所拍摄的不同谱线强度信息的比值来获取温度值。这两种方法耦合后的反演方法有别于它们独立存在时的反演方法，这也是本发明的创新点之一。其具体反演计算方法如下：

假设高层大气的目标光源中含有两条谱线，其转动量子数分别为J₁和 J₂，那么CCD上能够接收到的谱线强度可表示为：

$I_{0 (J_{1})} = CS (J_{1}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{1}) hc / {kT}_{r}] - - - (1)$

$I_{0 (J_{2})} = CS (J_{2}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{2}) hc / {kT}_{r}] - - - (2)$

其中C为一常数且与其它量无关，S(J₁)、S(J₂)是与转动量子数J和Einstein 系数有关的因子，F(J₁)、F(J₂)为转动项，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，T_r为大气温度。

两条谱线经过滤光片的作用在CCD靶面上呈现为具有一定宽度的两条亮环，其间再加入本发明的基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪，则两条谱线的强度被分别调制为：

$I_{(J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \cos φ) - - - (3)$

$I_{(J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \cos φ) - - - (4)$

其中V为调制度，通常表示为仪器调制度与谱线调制度的乘积，数值一般在 0.3-1之间。此时迈克尔逊干涉仪的相位为：

φ＝φ_θ+φ_v+φ′＝2πσ₀Δ_θ(1+v/c)+2πσ₀Δ′ (5)

其中，φ_θ为迈克尔逊干涉仪的固定光程差导致的相位，φ_v为风速引起的相位，φ′为步进光程差引起的相位，v为视线方向的风速，光程差为Δ＝Δ_θ+Δ′， Δ_θ为基准光程差，Δ′为步进光程差。假设步进光程差Δ′能够从Δ′＝0以λ/4 的步进递增4次，也即Δ′所对应的相位能够以π/2的步进从0到3π/2递增 4次，得到量子数J₁的谱线每一步的强度为：

$I_{1 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \cos φ) - - - (6)$

$I_{2 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 - V \sin φ) - - - (7)$

$I_{3 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 - V \cos φ) - - - (8)$

$I_{4 (J_{1})} = I_{0 (J_{1})} (1 + V \sin φ) - - - (9)$

同理，得到量子数J₂的谱线每一步的强度为：

$I_{1 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \cos φ) - - - (10)$

$I_{2 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 - V \sin φ) - - - (11)$

$I_{3 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 - V \cos φ) - - - (12)$

$I_{4 (J_{2})} = I_{0 (J_{2})} (1 + V \sin φ) - - - (13)$

因此，(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)八个式子即是本发明方法最终得到的相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的耦合强度值。由此，高层大气温度和风速的反演计算方法为：

其一、高层大气温度的计算方法：

将(6)(7)(8)(9)和(10)(11)(12)(13)分别代入下述公式(14) 及(15)，得到I_0(J1)和I_0(J2)为：

$I_{0 (J_{1})} = [I_{1 (J_{1})} + I_{3 (J_{1})}] / 2 = [I_{2 (J_{1})} + I_{4 (J_{1})}] / 2 = CS (J_{1}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{1}) hc / k T_{r}] - - - (14)$

$I_{0 (J_{2})} = [I_{1 (J_{2})} + I_{3 (J_{2})}] / 2 = [I_{2 (J_{2})} + I_{4 (J_{2})}] / 2 = CS (J_{2}) λ^{- 3} \exp [- F (J_{2}) hc / k T_{r}] - - - (15)$

由(14)(15)两式的比值可得大气温度T_r：

T_r＝(hc/k)[F(J₂)-F(J₁)]/lnA (16)

式(16)就是“转动谱线测温法”最终得到的高层大气温度表达式。

其二、高层大气风速的计算方法：

将(6)(7)(8)(9)和(10)(11)(12)(13)分别代入下述公式(17)，得到迈克尔逊干涉仪相位的正切值为：

$\tan φ = [I_{4 (J_{1})} - I_{2 (J_{1})}] / [I_{1 (J_{1})} - I_{3 (J_{1})}] = [I_{4 (J_{2})} - I_{2 (J_{2})}] / [I_{1 (J_{2})} - I_{3 (J_{2})}] - - - (17)$

由式(17)跟前文中的式(5)结合计算便得到风速值：

$v = \frac{c}{2 π σ_{0} Δ_{θ}} [\arctan (\frac{I_{4 (J_{1})} - I_{2 (J_{1})}}{I_{1 (J_{1})} - I_{3 (J_{1})}}) - 2 π σ_{0} (Δ^{'} - Δ_{θ})]$

$= \frac{c}{2 π σ_{0} Δ_{θ}} [\arctan (\frac{I_{4 (J_{2})} - I_{2 (J_{2})}}{I_{1 (J_{2})} - I_{3 (J_{2})}}) - 2 π σ_{0} (Δ^{'} - Δ_{θ})] - - - (18)$

(16)和(18)式即为利用本发明地基气辉成像干涉仪所获得信息得到的高层大气温度及风速的表达式。

本发明能够实现对高层大气风速和温度的同时探测，同时具备很高的风速和温度的探测精度，实现了无动镜的光程差步进，抗震性能也能得到保障，整体结构紧凑，本身功耗很低，成本可观，为这类仪器的应用推广提供了有力的支持。

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