【摘要】：中高層大氣是空間天氣學和空間環(huán)境學的重要研究領域,同時也是最有應用價值的太空科學研究領域,由于大氣風場是描述大氣行為的重要的參數(shù)之一,因此,大氣風場的探測是研究大氣科學的重要手段。多普勒差分干涉光譜技術作為一種新型的大氣風場探測技術,不僅可以實現(xiàn)大氣痕量氣體精細譜線風速相位的高精度反演,而且計算量較小,復原反演的精確度較高。在利用多普勒差分干涉光譜技術反演大氣風速的過程中,對多普勒差分干涉光譜儀獲取到的包含有風速相位信息的干涉圖進行反演和重構,是準確獲得大氣風場反演數(shù)據(jù)的重要組成部分。本論文針對目前應用于大氣風場探測的多普勒差分干涉光譜技術中一些基礎問題展開研究。論文的主要研究內容及研究成果包括:簡要介紹了中高層大氣風場探測的研究形勢及其重要性,以及國內外一些已有的大氣風場探測方法,多普勒差分干涉光譜技術用于大氣風場探測的優(yōu)勢,及其在本研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢;研究了多普勒差分干涉光譜儀的系統(tǒng)結構和干涉原理,分析了大氣風場探測目標源氣輝的特性,并基于譜線的多普勒效應研究了多普勒差分干涉光譜儀用于大氣風場探測的基本原理,介紹了多普勒差分干涉光譜儀用于地基大氣風場探測的觀測模式;基于目標譜線的特性,設計了多普勒差分干涉光譜儀的系統(tǒng)參數(shù),研究了多普勒差分干涉光譜儀的大氣風速反演算法,并基于Matlab平臺進行了風速反演的驗證,研究了多普勒差分干涉光譜儀的干涉圖信噪比分析計算方法,并基于系統(tǒng)參數(shù),模擬計算了多普勒差分干涉光譜儀的干涉圖信噪比。模擬理想無噪聲影響情況下的風速值,對整個數(shù)據(jù)處理過程進行驗證,反演風速的標準差可達0.31 m/s,由全天空630nm譜段的氣輝亮度最大值的平均值,模擬算得多普勒差分干涉光譜儀的平均干涉圖信噪比約為80倍左右;研究了去低頻基線的基本原理,分別分析了不同去除低頻基線方法的原理和特性,研究了理想無噪聲影響干涉圖和在高斯白噪聲影響下的干涉圖的去低頻基線處理方法,分析了使用不同類型去除低頻基線方法的優(yōu)化處理結果,得到了一階差分濾波法為最優(yōu)的去低頻基線的方法,相同情況下相比于其他方法,它的風速反演結果更精確。對于信噪比分別為20倍到180倍的干涉圖,對比每種方法的風速反演結果,一階差分濾波法均可以比其他方法精確約0.2 m/s以上;研究了切趾的基本原理,分別分析了不同切趾函數(shù)的特性,研究了理想無噪聲影響干涉圖和在高斯白噪聲影響下的干涉圖的切趾過程,分析了使用不同類型切趾方法的優(yōu)化處理結果,得出了應用于大氣風場探測時,干涉圖受到噪聲影響的情況下,使用漢寧窗、漢明窗和三角窗切趾函數(shù)處理的反演風速值更穩(wěn)定,更適合于多普勒差分干涉光譜儀的風速反演,特別是干涉圖信噪比較低的情況下,復原反演的精度更高。對于信噪比為20倍的干涉圖,對比每種方法的風速反演結果,使用漢寧窗、漢明窗和三角窗進行切趾處理的反演風速標準差可以比其他切趾函數(shù)的標準差精確約0.2 m/s;針對高斯白噪聲影響下的不同信噪比的干涉圖,使用蒙特卡羅方法對不同線寬的不同單一譜線提取算法的優(yōu)化反演結果進行分析,得到了線寬為7-12倍光譜分辨率的矩形窗函數(shù)是最優(yōu)的窗函數(shù)優(yōu)化方式。對于信噪比分別為20倍到180倍的干涉圖,對比每種方法的風速反演結果,7-12倍光譜分辨率的矩形窗的單一譜線提取平均比其他兩種單一譜線提取函數(shù)的標準差精確約1 m/s-2 m/s;對于信噪比為80倍的干涉圖,線寬為8倍光譜分辨率的矩形窗的反演風速的標準差為7.6586 m/s,可以復原相位信息,反演出大氣風速的近似值。
【圖文】：

(Michelson)干涉技術和多普勒差分干涉光譜技術 DASH(Doppler AsymmetriSpatial Heterodyne Spectroscopy)來實現(xiàn)地面或星載探測平臺上的被動大氣風場測量[8]。法布里-珀羅干涉風場探測技術對小視場范圍成像，依靠不同的入射角來獲得不同光程差的干涉圖，再通過對干涉條紋圓心和半徑的精確測量來反演風速它沒有運動部件，保證了較高的可靠性[8][9][16]。由于法布里-珀羅干涉儀的基本原理是光的多光束干涉，可以產(chǎn)生對比度極高的干涉條紋，因此有利于精細光譜的探測及研究；但是由于其自身特點，法布里-珀羅干涉儀的視場難以展寬大視場難以實現(xiàn)，并且它對工作環(huán)境溫度要求嚴格，加工裝調也最為困難。典型的用于大氣風場探測的法布里-珀羅干涉儀有美國 1982 年搭載在 DE-衛(wèi)星上的 DE-FPI，它是第一個基于高分辨率的干涉型光譜儀來對大氣風速進行探測的儀器，還有美國 1991 年搭載在 URAS 衛(wèi)星上的 HRDI 等。如圖 1.1 所示是 HRDI 光學結構圖[13][14]。

第一章 緒論制度和相位值來反演風場信息[18][19]。它最大的優(yōu)點是光程差容易控制，但需要動鏡的移動來改變光程差，將不可避免地造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時為了獲得大的光程差也會增加儀器的體積和重量等。典型的用于大氣風場探測的邁克爾遜干涉儀有加拿大 1983 年研制的WAMDII，，美國 1991 年搭載在 URAS 衛(wèi)星上的 WINDII 等[15]。如圖 1.2 所示是WINDII 的光學結構圖。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P351

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本文編號：2648513