【摘要】：中高層大氣中含有極少量OH自由基,其含量以及垂直空間分布會(huì)影響臭氧層的破壞效應(yīng)以及半球氣候不對(duì)稱性。我們通常通過高光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分的有效探測(cè),更高的光譜分辨率可以提升探測(cè)的靈敏度。空間外差光譜技術(shù)可以在相對(duì)較窄的譜段范圍內(nèi)獲得極高的光譜分辨率,結(jié)合層析反演技術(shù),采用視場(chǎng)正交的雙通道臨邊觀測(cè)方式,還可以獲得探測(cè)對(duì)象的三維空間分布信息。空間外差分視場(chǎng)成像光譜儀采用空間干涉類型的新型超光譜分光方案,利用面陣探測(cè)器對(duì)所有干涉數(shù)據(jù)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集,可有效降低噪聲,并獲得成像光譜;干涉儀的光譜復(fù)原是利用傅里葉變換將儀器采集的干涉數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域,依賴于探測(cè)器每個(gè)像元穩(wěn)定的光譜響應(yīng)關(guān)系,以及器件級(jí)的定標(biāo)參數(shù);同時(shí),焦平面器件與干涉儀的位形關(guān)系也將影響最終獲取的光譜信息的真實(shí)性。為保證衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)OH自由基三維空間分布的有效觀測(cè),需結(jié)合儀器方案的技術(shù)特點(diǎn)以及在軌工作模式進(jìn)行光機(jī)和電子學(xué)系統(tǒng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。本文在對(duì)中高層大氣OH自由基探測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行定量化研究與分析后,給出相應(yīng)的光機(jī)設(shè)計(jì)分析與電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),然后開展了探測(cè)儀相關(guān)特性分析與性能優(yōu)化研究,論文的具體工作包括以下幾個(gè)方面:1.首先對(duì)空間外差同時(shí)分視場(chǎng)成像技術(shù)進(jìn)行了研究,討論了正交觀測(cè)的技術(shù)方案,然后對(duì)探測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行定量化研究與分析,明確探測(cè)儀應(yīng)用指標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,優(yōu)化探測(cè)技術(shù)方案,并最終給出相應(yīng)的光機(jī)設(shè)計(jì)分析與電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.研究了探測(cè)器暗電流對(duì)空間外差光譜儀信噪比與動(dòng)態(tài)范圍的影響,開展了探測(cè)器不同溫度對(duì)儀器信噪比影響的實(shí)驗(yàn)研究,在綜合考慮儀器功耗與信噪比后確定了探測(cè)器最優(yōu)的工作溫度。3.對(duì)儀器探測(cè)器裝調(diào)角度誤差和探測(cè)儀雙通道光譜儀視場(chǎng)配準(zhǔn)裝調(diào)方法展開了研究。建立了空間外差光譜儀探測(cè)器裝調(diào)角度誤差模型,分別給出了傾角誤差、斜坡誤差和旋轉(zhuǎn)誤差的誤差角度容限值,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)傾角誤差角度、斜坡誤差角度、旋轉(zhuǎn)誤差角度分別小于1.21°,1.21°,0.066°時(shí),誤差角度可被接受。4.研究了探測(cè)器響應(yīng)參數(shù)對(duì)空間外差光譜儀光譜復(fù)原的影響,針對(duì)這些參數(shù)設(shè)計(jì)了探測(cè)器篩選實(shí)驗(yàn)裝置和篩選方法。開展了探測(cè)器篩選實(shí)驗(yàn),從備選探測(cè)器中篩選出了綜合性能最優(yōu)的探測(cè)器。5.針對(duì)正交模式下的雙通道空間外差光譜儀的視場(chǎng)、光譜分辨率、信噪比等重要參數(shù)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià),給出了測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,開展了航空飛行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該儀器可應(yīng)用于中高層大氣OH自由基探測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P412
【圖文】：

相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。逡逑在中高層大氣０Ｈ自由基探測(cè)過程中，不同的光譜分辨率獲取的光譜曲線有逡逑．相當(dāng)大的差異，分辨率越高的光譜對(duì)０Ｈ濃度變化越敏感。圖１．１所示為不同光逡逑譜分辨率下獲取的０Ｈ自由基光譜，其中紅線代表大氣散射背景信號(hào)，黑線代表逡逑０Ｈ自由基在大氣散射背景上疊加的信號(hào)。從圖中可以看出，在紫外３０８ｎｍ波段，逡逑當(dāng)光譜分辨率為Ｏ．ｌｎｍ時(shí)（左圖），大氣散射背景信號(hào)與０Ｈ自由基光譜輻射信逡逑號(hào)混疊，二者難以區(qū)分，然而當(dāng)光譜分辨率為0．0２４ｎｍ時(shí)（右圖），便可以從大逡逑氣散射背景信號(hào)中提�。希茸杂苫墓庾V輻射信號(hào)ＨＩ。因此在復(fù)雜背景下獲取微逡逑量氣體的特征光譜輻射信息、獲取精細(xì)光譜信息要求探測(cè)系統(tǒng)具有很高的分辨能逡逑力，發(fā)展高光譜分辨技術(shù)對(duì)大氣遙感具有重要意義。逡逑５逡逑

大氣探測(cè)領(lǐng)域的臨邊觀測(cè)模式傅里葉變換光譜儀［１８］。ＭＩＰＡＳ主要用于探測(cè)大氣逡逑中高層紅外波段的發(fā)射光譜，工作波段為４．〗５ｕｍ？１４．６ｕｍ，光譜分辨率為逡逑０．０３５ｃｍ４，圖１．２為ＭＩＰＡＳ觀測(cè)的光譜圖。ＭＩＰＡＳ擁有５個(gè)觀測(cè)通道，可通過逡逑反演獲�。茫龋�、０；、Ｈ２０等大氣成分的廓線ｔ１９Ｕ逡逑ｐ———逡逑圖１．２邐ＭＩＰＡＳ觀測(cè)光譜圖逡逑ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ａｎｄ邋Ｎｅａｒ邋ｉｎｆｒａｒｅｄ邋Ｓｅｎｓｏｒ邋ｆｏｒ邋ｃａｒｂｏｎ邋Ｏｂｓｅｒｂａｔｉｏｎ）是日本逡逑研制的基于Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉儀的擺鏡式傅里葉變換光譜儀，于２００９年１月搭載日逡逑本ＧＯＳＡＴ衛(wèi)星發(fā)射［２Ｇ］。ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ主要用來探測(cè)Ｃ０２、ＣＨ４以及其它痕量氣逡逑體的濃度，ＧＯＳＡＴ衛(wèi)星也是世界上首顆針對(duì)Ｃ０２和ＣＨ４等溫室氣體監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星。逡逑圖１．３為ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ結(jié)構(gòu)圖，其近紅外工作波段為０．７５８ｕｍ？０．７７５ｕｍ、ｌ＿５６ｕｍ？逡逑１．７２ｕｍ以及１．９２ｕｍ？２．０８ｕｍ，其中氧氣波段的光譜分辨率為０．６ｃｍ＇其它波段光逡逑譜分辨率為0．２７ｃｍ“ｌ２１】。逡逑８逡逑

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