[发明专利]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

权利要求书

1.一种地基气辉成像干涉仪，其特征在于：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A(16)、偏振片A(4)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B(7)、透镜组B(17)、透镜组C(18)、窄带干涉滤光片(13)、镜头(14)和CCD相机(15)。

2.根据权利要求1所述的地基气辉成像干涉仪，其特征在于：所述的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪(6)的结构是，包括采用两块相同材质的直角三棱镜A(20)和直角三棱镜B(21)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A(20)的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)下表面镀有一层全反射膜(23)。

3.根据权利要求1所述的地基气辉成像干涉仪，其特征在于：所述的透镜组A(16)由双胶合正透镜A(2)与双胶合正透镜B(3)间隔一定距离组合而成；透镜组B(17)由双胶合正透镜C(8)与双胶合正透镜D(9)间隔一定距离组合而成；透镜组C(18)由双胶合正透镜E(11)与双胶合正透镜F(12)间隔一定距离组合而成。

4.根据权利要求1所述的地基气辉成像干涉仪，其特征在于：所述的上述的视场光阑(1)与透镜组A(16)的间隔为透镜组A(16)的有效焦距，透镜组A(16)的位置与透镜组B(17)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A(16)的有效焦距，透镜组B(17)与透镜组C(18)的间隔为该两个透镜组焦距之和。

5.一种利用权利要求1、2、3或4所述的地基气辉成像干涉仪，对高层大气风速和温度的探测方法，其特征在于，该方法具体步骤是：

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(1)处形成平面光源向下射入，随后经过透镜组A(16)的作用被调制为平行光，出射偏振片A(4)后变为线偏振光，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B(7)的作用下发生干涉现象，出射的平行光经过透镜组B(17)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(18)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(13)，经过镜头(14)后被滤出的光最终成像在CCD相机(15)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：

I0(J1)=CS(J1)λ-3exp[-F(J1)hc/kTr]---(1)]]>

I0(J2)=CS(J2)λ-3exp[-F(J2)hc/kTr]---(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(J1)=I0(J1)(1+Vcosφ)---(3)]]>

I(J2)=I0(J2)(1+Vcosφ)---(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：

I1(J1)=I0(J1)(1+Vcosφ)---(6)]]>

I2(J1)=I0(J1)(1-Vsinφ)---(7)]]>

I3(J1)=I0(J1)(1-Vcosφ)---(8)]]>

I4(J1)=I0(J1)(1+Vsinφ)---(9)]]>

同理，得到量子数J₂的谱线每一步的强度为：

I1(J2)=I0(J2)(1+Vcosφ)---(10)]]>

I2(J2)=I0(J2)(1-Vsinφ)---(11)]]>

I3(J2)=I0(J2)(1-Vcosφ)---(12)]]>

I4(J2)=I0(J2)(1+Vsinφ)---(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：

I0(J1)=[I1(J1)+I3(J1)]/2=[I2(J1)+I4(J1)]/2=CS(J1)λ-3exp[-F(J1)hc/kTr]---(14)]]>

I0(J2)=[I1(J2)+I3(J2)]/2=[I2(J2)+I4(J2)]/2=CS(J2)λ-3exp[-F(J2)hc/kTr]---(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：

tanφ=[I4(J1)-I2(J1)]/[I1(J1)-I3(J1)]=[I4(J2)-I2(J2)]/[I1(J2)-I3(J2)]---(17)]]>

由式(17)跟前文中的式(5)结合计算即得到风速值：

v=c2πσ0Δθ[arctan(I4(J1)-I2(J1)I1(J1)-I3(J1))-2πσ0(Δ′-Δθ)]]]>

=c2πσ0Δθ[arctan(I4(J2)-I2(J2)I1(J2)-I3(J2))-2πσ0(Δ′-Δθ)]---(18)]]>

(18)式即为最终得到的高层大气风速的表达式。