發(fā)布時(shí)間：2019-09-13 01:51

【摘要】：目前,法布里-帕羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)被廣泛的應(yīng)用于中高層大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度的觀測(cè)研究。對(duì)于FPI觀測(cè),目前國(guó)際上開展了一些相關(guān)的風(fēng)速和溫度反演算法的研究,而我國(guó)對(duì)FPI進(jìn)行風(fēng)速和溫度反演算法的研究則相對(duì)較少,尤其是針對(duì)FPI非全干涉圓環(huán)的算法研究。為了對(duì)本論文中的算法進(jìn)行驗(yàn)證,因此基于的FPI均需具有成熟的風(fēng)速和溫度產(chǎn)品,因此本文基于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心興隆FPI(40.40°N,117.59°E)和中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心岢嵐FPI(38.71°N,111.58°E)地基觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)FPI的全干涉圓環(huán)和非全干涉圓環(huán)兩種數(shù)據(jù)形式進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)和溫度反演方法的研究,論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:(1)基于“數(shù)據(jù)處理法”進(jìn)行了地基FPI全干涉圓環(huán)中高層大氣風(fēng)速的反演,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、干涉環(huán)圓心確定、干涉環(huán)半徑峰值擬合和風(fēng)速計(jì)算。興隆FPI8天數(shù)據(jù)的風(fēng)速平均反演偏差分別為7.7 m/s(892.0 nm氣輝)、5.5 m/s(630.0nm氣輝)和2.7 m/s(557.7 nm氣輝),而岢嵐FPI 28天數(shù)據(jù)的風(fēng)速平均反演偏差分別為5.7 m/s(892.0 nm氣輝)、6.18 m/s(630.0 nm氣輝)和3.66 m/s(557.7nm氣輝)。此外,本文首次基于“數(shù)據(jù)處理法”對(duì)數(shù)據(jù)處理中影響風(fēng)速反演精度的因素進(jìn)行了具體分析,包括氣輝輻射強(qiáng)度、圓心確定及焦距等。在影響因素分析的基礎(chǔ)上,對(duì)FPI自身反演誤差的新方法進(jìn)行了研究,風(fēng)速誤差的計(jì)算主要包含兩方面:半徑擬合誤差和多環(huán)間的標(biāo)準(zhǔn)差,其中半徑擬合誤差又包括擬合的隨機(jī)誤差及信噪比引起的誤差。(2)基于艾里函數(shù)方法建立了FPI風(fēng)速和溫度正演模型,基于正演模型對(duì)激光定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬獲得FPI儀器函數(shù),進(jìn)而進(jìn)行FPI全干涉圓環(huán)的大氣風(fēng)速和溫度的反演研究。為了獲得準(zhǔn)確且穩(wěn)定的反演結(jié)果,我們創(chuàng)新性的利用迭代法首先對(duì)風(fēng)速進(jìn)行反演計(jì)算,然后再分別進(jìn)行氣輝強(qiáng)度和背景噪聲計(jì)算,最后進(jìn)行溫度的反演。為了驗(yàn)證該算法,我們將反演結(jié)果與FPI產(chǎn)品結(jié)果進(jìn)行了比較,557.7 nm氣輝的風(fēng)速平均反演偏差為1.44 m/s,630.0 nm氣輝的風(fēng)速平均反演偏差為5.89 m/s,而892.0 nm氣輝的風(fēng)速平均反演偏差為10.8 m/s。同時(shí),對(duì)溫度反演結(jié)果進(jìn)行了比較分析,892.0 nm氣輝、630.0 nm氣輝和557.7nm氣輝相對(duì)反演偏差卻非常接近,分別為8.43%、9.67%和7.45%。(3)基于FPI非全干涉圓環(huán)進(jìn)行了中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法的研究。基于Taubin算法獲得FPI非全干涉圓環(huán)的圓心,然后引入圓周積分進(jìn)而進(jìn)行半徑擬合計(jì)算,最后進(jìn)行風(fēng)速反演。這種方法實(shí)現(xiàn)了弱氣輝(或較大噪聲)時(shí)非全干涉圓環(huán)風(fēng)速的計(jì)算,目的是為地基FPI多個(gè)方向的同時(shí)觀測(cè)提供準(zhǔn)確的理論反演方法,最終使地基FPI觀測(cè)時(shí)間分辨率提高數(shù)倍(4~5倍)。為了驗(yàn)證算法,我們利用28天的地基FPI(岢嵐)氣輝觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演研究,包括892.0 nm、630.0 nm和557.7 nm氣輝數(shù)據(jù)。將地基FPI反演結(jié)果與全干涉圓環(huán)的風(fēng)速結(jié)果進(jìn)行了比較和分析,三種氣輝的平均反演偏差分別為5.38 m/s、5.81 m/s和3.03 m/s,反演偏差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.15 m/s、8.56 m/s和4.58 m/s。此外,將興隆地基FPI非全干涉圓環(huán)和全干涉圓環(huán)的風(fēng)速結(jié)果與十三陵站點(diǎn)(40.3°N,116.2°E)的流星雷達(dá)風(fēng)速數(shù)據(jù)也進(jìn)行了比較分析,風(fēng)速變化趨勢(shì)一致。
【圖文】：

圖 1.1 Michelson 干涉儀光路示意圖Michelson 干涉儀用于風(fēng)場(chǎng)和溫度的探測(cè)是基于相位移動(dòng)和調(diào)制度的變化。其在一定的基準(zhǔn)光程差上，采用四步法依次探測(cè)相鄰相位相差 π/2 的干涉值，獲得在一個(gè)干涉周期內(nèi)的條紋的調(diào)制度和相位信息。Michelson 干涉儀過移動(dòng)的反射鏡來實(shí)現(xiàn)四次相位的獲取的，其光路圖如圖 1.1 所示。圖 1.1 中鏡每移動(dòng)一次，可取一次強(qiáng)度計(jì)數(shù)值，連續(xù)依次移動(dòng)四次并取樣四次，即可得到風(fēng)速和溫度。由于 Michelson 采用的是動(dòng)鏡掃描依次取樣的方式，因此以容易的實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)展寬，且反演算法相對(duì)簡(jiǎn)單。但 Michelson 干涉儀也存在缺點(diǎn)，如①系統(tǒng)需依次采樣四次進(jìn)行風(fēng)速反演，不能同時(shí)采集，因此系統(tǒng)誤可避免；②動(dòng)鏡掃描采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、電容反饋回路監(jiān)控的方案，但由于晶體的非線性，掃描的步進(jìn)精度仍需精密控制，抗震性能較差；③由于動(dòng)鏡距離為 λ/4，因此控制精度和加工要求都非常高。

圖 1.2 非對(duì)稱空間外差干涉儀 DASH 光路示意圖FPI 具有高靈敏度、高光譜分辨率以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于 Michelson干涉儀，F(xiàn)PI 在光路上不需要高精度的移動(dòng)部件, 屬于靜態(tài)干涉成像光譜技術(shù)，因此其穩(wěn)定性較高，抗震干擾能力也相對(duì)較強(qiáng), 具有較高的信噪比和探測(cè)靈敏度(圖 1.3)。因此，F(xiàn)PI 被廣泛的應(yīng)用于中高層大氣風(fēng)速和溫度的地基和星上測(cè)量。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P412.2

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本文編號(hào)：2535495