[發(fā)明專利]一種大氣風(fēng)場、溫度場及臭氧濃度的多普勒差分探測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810587045.1
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108918428B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮玉濤;武魁軍;傅頔;郝雄波;武俊強(qiáng);閆鵬;胡炳樑
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 61211 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 胡樂<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入國

本發(fā)明提出一種大氣風(fēng)場、溫度場及臭氧濃度的多普勒差分探測方法，利用氧分子a¹Δ_g→X³Σ_g躍遷的^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)強(qiáng)線組合或^PQ(19)、^OQ(11)、^PP(19)弱線組合為多普勒差分干涉儀的觀測目標(biāo)源，得到包含三種不同空間頻率和強(qiáng)度的復(fù)合疊加干涉圖，每條譜線的中心波長和譜線強(qiáng)度與組成復(fù)合疊加干涉圖的一種單頻干涉圖的空間頻率和強(qiáng)度一一對應(yīng)；對復(fù)合疊加干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到三條目標(biāo)譜線的復(fù)數(shù)復(fù)原光譜；基于三條目標(biāo)譜線的復(fù)數(shù)復(fù)原光譜，分別計(jì)算得到風(fēng)場、溫度場和臭氧濃度。該方法降低了儀器濾光系統(tǒng)的研制難度又能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，探測效率高，其中溫度場探測不需要絕對輻射定標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量大氣風(fēng)場、溫度場及臭氧濃度的方法。

背景技術(shù)

干涉光譜技術(shù)是遙感探測大氣成分精細(xì)光譜特征的重要手段之一，其以特定大氣成分的精細(xì)光譜為觀測目標(biāo)，利用采集到的干涉圖可以反演出譜線的多普勒頻移、多普勒展寬、相對或絕對強(qiáng)度等信息，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對大氣風(fēng)場、溫度場和特定成分濃度的測量。

中間層大氣風(fēng)場、溫度場及臭氧濃度的傳統(tǒng)干涉測量方法是基于廣角邁克爾遜(Michelson)干涉儀原理的“四步法”^[1]。廣角邁克爾遜干涉儀以O(shè)₂¹Δ(0,0)的^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)和^PQ(19)、^OP(11)、^PP(19)六條譜線為觀測目標(biāo)，對每條譜線采集四幅相位相差π/2的干涉圖，則可以計(jì)算出每條譜線中心波長的多普勒頻移和譜線強(qiáng)度，進(jìn)而獲得大氣運(yùn)動(dòng)速度和臭氧濃度，再通過^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)或^PQ(19)、^OP(11)、^PP(19)兩組內(nèi)三條譜線之間相對強(qiáng)度的變化得到大氣溫度。由于廣角邁克爾遜干涉儀對目標(biāo)譜線只采集四個(gè)相位點(diǎn)的干涉圖，遠(yuǎn)不能滿足復(fù)原光譜的采樣要求，所以每條目標(biāo)譜線都需要利用極窄帶寬(～0.1nm)的濾光片分離出來單獨(dú)觀測。上述探測方法存在以下不足：第一，極窄帶寬(～0.1nm)濾光片的研制和熱穩(wěn)定性控制工藝難度大；第二，系統(tǒng)絕對輻射定標(biāo)精度要求高；第三，星載觀測情況下，各條譜線觀測數(shù)據(jù)來自不同大氣區(qū)域，導(dǎo)致溫度反演精度不高。

多普勒差分干涉光譜技術(shù)是一種空間調(diào)制型干涉光譜技術(shù)，其對目標(biāo)譜線的干涉圖采樣滿足采樣定理，依據(jù)傅里葉變換光譜學(xué)原理能夠得到目標(biāo)譜線的復(fù)原光譜^[2]。

多普勒差分干涉儀是一種具有一定基礎(chǔ)光程差的傅里葉變換型光譜儀，其干涉圖表達(dá)式為：

式中，I(x)光程差采樣點(diǎn)x對應(yīng)的干涉圖強(qiáng)度，為B(σ)為入射到干涉儀系統(tǒng)中的大氣成分氣輝光譜輻射信號，通常為一定背景強(qiáng)度下的一條或幾條分立譜線組成，各譜線波數(shù)為σ，σ_L為儀器參數(shù)決定的差分波數(shù)，θ_L為干涉儀光柵Littrow角，OPD₀為基礎(chǔ)光程差。