[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

说明书

技术领域

本发明属于干涉法探测高层大气技术领域，利用基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪及法布里波罗干涉滤光片，来同时实现相位四步进测风及转动谱线测温，具体涉及一种地基气辉成像干涉仪；本发明还涉及利用该地基气辉成像干涉仪，同时对高层大气风速和温度的探测方法。

背景技术

利用光学干涉法测量风速是被动遥感探测高层大气风场的主要手段。其中，借助广角迈克尔逊干涉仪(MI，Michelson interferometer)的“四强度”测风法是由加拿大的G.G.Shepherd课题组于1966年提出，经过不断的研究和实验，直到1991年，第一台被动探测高层大气风场的广角Michelson成像干涉仪WINDII(Wind Interferometer Imaging)研制成功，并搭载于美国NASA发射的高层大气研究卫星UARS(Upper Atmospheric Research Satellite)上，用于研究高层大气特性(温度、风速、微量粒子密度、丰度和动力学等)，开创了卫星遥感被动探测高层大气风场的先河。此后，围绕该技术的改进方案主要集中在如何设计出更具有实用性的无动镜实体干涉仪。国外，WAMI(Waves Michelson Interferometer)将干涉仪的一个反射镜分为四个区域，分别镀反射膜以产生1/4波长步进的光程差，并经过角锥棱镜的分光从而用探测器接收，PAMI(Polarizing Atmospheric Michelson interferometer)基于偏振化方向的改变，利用潜望镜收集天空光线，无动镜。

转动谱线测温法是一种精度很高的探测高层大气温度的主要手段，它借助由多个带通滤光片及光电倍增管或CCD(Charge Coupled Device)组成的倾斜滤光片光度计或气辉温度光度计来实现，探测精度达1K，也能获得气辉粒子体发射率信息，通过大气温度变化研究大气潮汐、重力波传播。国外比较著名的有加拿大York大学的R.H.Wiens等人研制的MORTI(Mesopause Oxygen Rotational Temperature Imager)，1997年对该仪器进行了改进，通过增加一个OH(6-2)带的通道及更换更高灵敏度的CCD进而产生了SATI(Spectral Airglow Temperature Imager)。2007年，日本K.Shiokawa等人制作了类似仪器，具备12个光谱通道及更高探测灵敏度。中国中科院空间科学与应用研究中心于1996年就购买了一台国外的倾斜滤光片光度计进行观测和研究。

对高层大气的观测和研究要求仪器能够同时测得指定区域的风速和温度等信息，并尽可能地提高精度。上述的广角迈克尔逊干涉仪技术虽然在测风方面具备成熟的套路，但测温的原理较为复杂且精度不是很理想，而转动谱线测温法虽然具备较高的温度探测精度，但不能够探测风速。

发明内容

本发明的目的是提供一种地基气辉成像干涉仪，将基于LCoS的大空气隙广角迈克尔逊干涉仪以及法布里波罗干涉滤光片作为仪器的核心器件，利用相位四步进测风法及转动谱线测温法相结合的手段，来实现对高层大气风速和温度的同时探测。

本发明的另一目的是利用上述的地基气辉成像干涉仪，提供一种同时对高层大气风速和温度的探测方法，显著提高探测精度。

本发明所采用的技术方案是，一种地基气辉成像干涉仪，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、透镜组A、偏振片A及大空气隙广角迈克尔逊干涉仪；

横向光轴部分从大空气隙广角迈克尔逊干涉仪开始，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向一侧间隔设置有LCoS反射式液晶，在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪的横向光轴方向另一侧依次间隔设置有偏振片B、透镜组B、透镜组C、窄带干涉滤光片、镜头和CCD相机。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述的地基气辉成像干涉仪，同时对高层大气风速和温度的探测方法，具体包括以下步骤：

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处形成平面光源向下射入，随后经过透镜组A的作用被调制为平行光，出射偏振片A后变为线偏振光，依次在大空气隙广角迈克尔逊干涉仪、LCoS反射式液晶及偏振片B的作用下发生干涉现象，出射的平行光经过透镜组B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，经过镜头后被滤出的光最终成像在CCD相机的靶面上，得到目标光源信息；