大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

冯玉涛,李 娟,赵增亮,原晓斌,余 涛,付建国,武魁军,郝雄波,傅 頔,孙 剑,王 爽

(1.中国科学院 西安光学精密机械研究所,中国科学院光谱成像技术重点实验室,陕西 西安 710119; 2.北京应用气象研究所,北京100029; 3.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉430074; 4.中国科学院 国家空间科学中心,北京100190; 5.中国科学院 武汉物理与数学研究所,湖北 武汉430071)



大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

冯玉涛1,李 娟1,赵增亮2,原晓斌1,余 涛3,付建国4,武魁军5,郝雄波1,傅 頔1,孙 剑1,王 爽1

(1.中国科学院 西安光学精密机械研究所,中国科学院光谱成像技术重点实验室,陕西 西安 710119; 2.北京应用气象研究所,北京100029; 3.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉430074; 4.中国科学院 国家空间科学中心,北京100190; 5.中国科学院 武汉物理与数学研究所,湖北 武汉430071)

综述了被动光学遥感国外星载大气风场探测干涉光谱技术的研究进展。阐述了Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、多普勒差分干涉仪及其相应的探测原理，其中从单视场发展到双视场、四视场临边扫描。比较了不同技术体制特点和局限。介绍了国外广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)、高分辨率多普勒成像仪(HRDI)、多普勒干涉仪(TIDI)等的特点、性能指标及其应用。分析了研制中二维空间转台、光纤视场合成技术、窄带滤光片工艺水平等关键技术。归纳了性能指标中测风精度提高、探测范围扩大、视场增大等进展；数据应用中由反演风速、温度和辐射率数据向探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数，大气有效反射率，气溶胶相位函数和散射系数等的转变。展望了技术的发展趋势。

空间环境； 多普勒效应； 大气风场； 星载干涉仪； 被动遥感； Fabry-Perot干涉仪； Michelson干涉仪； 多普勒差分干涉仪

0 引言

风场和温度是表征地球及行星大气特征的重要参数。如地球风场和温度直接影响离子体和中性成分掺杂的动力学和耦合过程，通过电离成分相互冲击、中性成分运动产生电流和电场，风场方向和强度变化导致电离层扰动，对穿过电离层传播的无线电系统(通信和导航卫星系统)产生不良影响；地磁场活动通过焦耳热效应影响上层大气的能量平衡，进一步驱使中性风场强度；对流层向上传播潮汐和重力波表现为上层大气的温度扰动等[1-3]。风场和温度是表征大气动力学、热力学特性的重要参数，也是影响大气动力学、热学结构、物质、能量分布及其时空变化的重要因素。

卫星遥感探测大气风场不受地理条件和天气限制，可进行全球尺度全天候遥感观测，更重要的是采用临边观测模式能提供全球尺度水平风场和温度随高程分布的长周期观测结果，这是研究大尺度、长期性空间天气或气候所必需的，对更全面理解地球上层大气的动力学和热力学特性至关重要，对航天器发射、运行和返回过程的安全保障、空间科学实验、无线电通信、GPS操作等有重要价值；对预报空间天气，描绘大气动态状况、大气波现象、季节性和长期性的大气成分变化及研究上下层大气之间动量和能量输运及大气成分传输具有重大意义[3-7]。

星载大气风场探测技术可分为主动探测技术和被动探测技术。主动探测技术主要指探测过程中主动引入示踪源或辐射源，通过探测示踪物或回波信号变化反演大气运动速度，如探空气球、微波雷达、激光雷达等[8-12]。被动探测技术则通过探测自然界中客观存在的示踪物或辐射源信号变化反演大气运动速度，如云成像仪、风场干涉仪等[13-15]。本文对被动光学遥感中星载风场探测干涉仪的研究进展进行了综述。

1 风场被动探测技术

干涉光谱技术是遥感探测大气精细光谱辐射特征的重要手段之一，通过干涉图的相位、对比度、幅值变化测量大气中O2，Na，O，O3，OH等粒子谱线的多普勒频移、展宽和强度变化，进而反演出风速、温度、辐射率、粒子流密度等大气物理参数。目前大气风场探测干涉仪主要基于三种原理：法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪、迈克尔逊(Michelson)干涉仪和多普勒差分干涉仪，它们均具高光谱分辨率、高相位灵敏度和高通量的特点。主要的优缺点是：Fabry-Perot干涉仪依靠高干涉级次实现高光谱分辨率，干涉图为典型的多光束等倾干涉圆环，自由光谱范围窄，干涉条纹锐利，但其为多光束等倾干涉原理，依赖不同的入射角获得不同光程差的干涉图，视场小、通量低，同时对标准具平板平面度、平行度和稳定性要求极高，另外需要极窄带滤光片分离单一辐射线，会降低辐射探测能力和温度稳定性，这样就需要加大仪器的口径予以补偿，由此会面临大尺寸高效窄带干涉滤光片和高质量标准具平板研制的难题；Michelson干涉仪需要动镜移动改变光程差，其伺服系统将不可避免地造成系统的不稳定，若采用四分区的办法虽然可省去动镜扫描，但系统只能对一条极窄的发射线探测，仪器的效率受到限制，且四分区法只能采集到4个相位点，数据反演精度有限，另外该干涉仪同样需要极窄带的滤光片分离单一辐射线，限制仪器的能量利用率；与Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪相比，多普勒差分干涉仪的原理是双光束的等厚空间调制干涉，对元件的光学指标要求可放宽，干涉图的一次采集无需步进扫描，同时不需要极窄带宽的滤光片分离单一线光谱，此外还可实现与测量同步的定标，定标光源标准谱线与大气气辉谱线同时引入干涉仪系统实时监测干涉仪的状态变化，因此有更高的探测精度。多普勒差分干涉仪的这些特点极大地提高了系统的能量利用率、稳定性和可操作性，非常适于行星大气风场的星载遥感探测应用。

1.1 测风法布里-珀罗干涉仪

星载测风Fabry-Perot干涉仪系统一般由望远镜、准直滤光系统、Fabry-Perot标准具、成像系统、探测器及信号处理系统组成，如图1所示[16-17]。核心部件Fabry-Perot标准具由两块相距一定间隔的镀有内反射膜的玻璃平板组成，玻璃平板平面度一般为λ/200量级，两平板内表面严格平行。此处：λ为工作波长。Fabry-Perot干涉仪依靠高干涉级次实现高光谱分辨率，干涉图为典型的多光束等倾干涉圆环，自由光谱范围窄，干涉条纹锐利。

测风法布里-珀罗干涉仪通过干涉条纹位置和轮廓变化反演大气风速和温度值。对中心波长为λ的入射光谱，m级条纹峰值到干涉环中心距离为aλ，当中心波长受风速影响产生多普勒频移Δλ时，对应条纹峰值到条纹中心的距离为aλ+Δλ，则风速可表示为

(1)

式中：f为条纹成像系统焦距；c为光速。入射光为准单色光，具一定谱线展宽，干涉仪的输出信号分布不再是理想爱里函数，而是爱里函数与谱线线型函数的卷积，即

(2)

(3)

式中：T，T0分别为温度及其初值；R为响应度；d，n为折射率；k为波尔兹曼常数；M为原子质量；m为干涉级次。通过测量各级次干涉条纹强度可算出大气温度。

上述大气风速和温度计算方法仅适于理想条件：仪器响应为爱里函数，辐射线型为Gaussian函数。但实际中由于仪器各种缺陷和辐射线型的影响，反演大气风速和温度需采用特定的复杂算法。

1.2 广角迈克尔逊干涉仪

星载测风广角Michelson干涉仪系统一般由望远镜、准直滤光系统、Michelson干涉仪、成像镜、探测器及信号处理系统组成，如图2所示[18-19]。其核心部件Michelson干涉仪的特点有：一是干涉仪两臂反射镜相对分束元件非对称放置，动镜在较大基础光程差下进行扫描，以获得更高的相位灵敏度；二是为提高干涉仪对暗弱辐射的探测灵敏度，在干涉仪两臂引入玻璃平板实现视场展宽。测风广角Michelson干涉仪的干涉图为双光束等倾干涉圆环。

基于Michelson干涉仪的大气风场探测也是利用大气成分辐射线的Doppler效应，通过干涉条纹相位和对比度变化反映谱线频移和展宽。目前风场探测Michelson干涉仪大多是基于“四步法”探测原理设计：仪器工作在光程差空间，在一定的基准光程差附近，探测相位差为π/4的4个相邻相位采样点的干涉强度值，则可计算出在1个干涉周期内的条纹的对比度和位相值。从硬件角度来说，干涉仪实现4个相位干涉图采集一般可用以下方案：压电晶体驱动动镜四步扫描、交替引入相位相差π/4的偏振片、孔径分为4个分区镀制不同厚度的膜层或放置不同相位偏振片[20-25]。通过干涉条纹上相位相差π/4的4个采样点，可计算相位和对比度为

(4)

若大气多普勒展宽线型函数为高斯函数，则

(5)

式中：v为风速；T为温度；Ii为干涉强度(i=0，1，2，3，4)；V为干涉条纹对比度；φ为相位；φ0为基础相位；δφ为相位的频移量；σ0为波数；Q为谱线特征常数；Δ为基准光程差。

其他谱线线型函数的风速和温度计算需对上述公式进行特定的复杂化处理。

1.3 多普勒差分干涉仪

测风多普勒差分干涉仪实质是一种非对称结构的空间外差光谱仪，其基本结构与广角迈克尔逊干涉仪相似，两干涉臂相对分束元件呈非对称结构，平面反射镜和玻璃平板分别用闪耀光栅和特定楔角棱镜替代，实现双光束等厚干涉，干涉图为平行干涉条纹，如图3所示[26-29]。与Fabry-Perot干涉仪和广角Michelson干涉仪相比，该技术有3个特点：原理是双光束等厚空间调制干涉，这放宽了对元件光学指标的要求，干涉图一次采集无需步进扫描；依靠干涉图与光谱图间的傅里叶变换关系反演风速，不再需要极窄带宽的滤光片分离单一线光谱；可实现与测量同步的定标，定标光源标准谱线和大气气辉谱线同时引入干涉仪系统实时监测干涉仪状态变化，提高测量精度。上述特点极大地提高了系统的能量利用率、稳定性和可操作性，非常适于精细光谱探测的星载遥感应用。

多普勒差分干涉光谱仪也是通过干涉条纹相位和对比度变化反演大气谱线的多普勒频移和展宽，进而反演大气风速和温度，但与广角Michelson干涉仪依靠“四步法”反演风速有本质不同。多普勒差分干涉仪围绕基础光程差同时采集数百至上千个干涉图采样点，通过干涉图和光谱图的傅里叶变换关系，计算任一采样点对应的相位值和条纹对比度，有

(6)

2 测风载荷应用及研究进展

星载风场探测不受地理和气象条件的限制，可提供全球尺度的空间覆盖，且可通过临边扫描方式获得风场高度廓线，对建立全球尺度大气风场模型有重要意义。目前，用于大气风场探测的星载干涉仪只有少数成功应用和在轨运营，基本是由美国和加拿大研制，见表1。

1969年发射的OGO-6卫星上的Fabry-Perot干涉仪是第一个星载高层大气温度探测干涉仪，也是唯一一台星载球面标准具的Fabry-Perot干涉仪。标准具由两块相距13.2 mm的平凹石英透镜构成，两个凹面镀有多层介质反射膜，利用压电陶瓷改变标准具间隔实现波长扫描。系统前端安装扫描平面反射镜以保证系统光轴始终指向辐射层，探测器采用光电倍增管，系统每2 d进行1次星上定标，利用镉放电灯对干涉仪进行定标，光电倍增管的灵

敏度和滤光片的透过特性利用两个钨灯辐射线进行监测。通过测量氧原子557.7，630 nm气辉发射线，从谱线线宽反演高度200～300 km范围的大气温度，测量误差约15 K，但风场数据未见报道。其代表了星载中高层大气风场探测干涉仪载荷在轨应用的开始。

1982年发射的DE-2卫星上的动力学探测者Fabry-Perot干涉仪(DE-2 FPI)，首次实现了高层大气风场的星载被动光学探测[30-31]。DE-2卫星应用高稳定性的单标准具Fabry-Perot干涉仪，观测不同正切高度的地球大气，探测波段520～770 nm内的气辉特征线，一次光谱和空间扫描数据能分辨中层大气的温度、风速和粒子浓度，最高测风精度约10 m/s。与OGO-6卫星Fabry-Perot干涉仪相比，DE FPI的技术方案和器件工艺有了极大提高。DE-FPI前置望远物镜采用了天空光阑加视场内扫描技术，不再采用前置平面扫描镜的外扫描技术，如图4所示。提出采用六点悬臂梁式结构突破了高稳定性标准具装夹工艺，如图5所示[32-33]。DE-FPI探测器采用成像平面探测器(IPD)，由12个等面积阳极圆环接收相等波长间隔的干涉条纹信号，如图6所示[34]。数据反演算法采用傅里叶级数拟合仪器函数，通过局部非线性最小二乘算法和傅里叶分解算法反演大气温度、风速和辐射率数据。

表1 星载测风干涉仪

1983年加拿大约克大学宇宙空间实验室成功研制了广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)[18]。这是用于风场探测的星载迈克尔逊干涉仪的最早雏形，采用动镜四步扫描方法测量上层大气发射谱线多普勒频移和展宽，其结构如图7所示。计划在距地335 km处观测80～300 km上层大气的温度和风速，设计风速测量精度10～20 m/s。

1991年在URAS卫星上搭载了高分辨率多普勒成像仪(HRDI)和风场成像干涉仪(WINDII)。HRDI白天测量同温层10～40 km、中间层和低热层50～120 km的风场矢量，夜晚测量低热层95 km风场矢量。WINDII的主要任务是探测中高层大气(80～300 km)风速、温度、压强、气辉体发射率，并研究潮汐风场、大行星尺度结构，以及由极光产生的加强风场。URAS卫星两台风场干涉仪实现了对平流层、中间层和热层大气全球水平风场和温度的星载同时测量，测风精度最高达5 m/s。

HRDI是截止目前为止最成功的一台星载测风Fabry-Perot干涉仪，多项新技术在该载荷上首次应用，如图8所示[35]。HRDI的望远镜安装在UARS卫星对地面两轴转台上，可实现轨道两侧任意高度方位和天顶方向的扫描，望远镜接收到的目标光谱辐射通过光纤束传输到干涉仪系统，并将方视场转换成圆视场，光纤随机排列以均匀望远镜所成像强度的变化。HRDI由3个间隔不等的平面标准具串联构成，高分辨率标准具采用微晶固定间隔厚度，中分辨率和低分辨率标准具利用压电陶瓷改变间隔厚度，从而整个干涉仪可实现透射中心波长扫描。单标准具的透射函数周期性不适于扩展光谱探测，因此采用3个标准具降低单标准具的边带，再通过压 电陶瓷改变标准具的间距对确定波长进行选择，这样使HRDI能在白天连续状况观测吸收光谱特性[36-37]。另外，HRDI的温控作为一种新方法从发射开始验证，最初保持温度在±1 ℃范围，新的温控方法可使温度变化控制在0.2 ℃，定标显示仪器的灵敏度变化很小，探测器响应没有降低，光学系统的透过率无变化[38]。

WINDII是第一个发射升空的用于上层大气风场被动探测的迈克尔逊干涉仪，如图9所示[39-41]。其结构与WAMDII基本相似，并做了三个重要改进：一是干涉仪采用楔形设计降低由空气玻璃界面产生的二级条纹的对比度，干涉仪的反射镜和接近扫描镜的空气玻璃表面都相对光轴稍微倾斜，通过实验测得仪器对比度可达0.9；二是采用双望远镜和视场合成器组成的前置望远系统，实现两个正交视场的同时测量；三是通过遮光罩和孔径光阑的特殊设计在白天遮挡太阳散射辐射，使WINDII在白天可探测气辉辐射，系统具备全天工作能力。WINDII的干涉仪为实体结构，六角形分束棱镜、视场展宽平板和反射镜胶合成一体，动镜由压电陶瓷步进装置产生“四强度法”的步进光程差，实现1～2个条纹的扫描。干涉仪平衡扫描镜安装机构与干涉仪其他部分的热系数实现552～763 nm光谱范围的大视场和热补偿设计。WINDII采用面阵CCD作为探测器，测风精度可达5 m/s。

2001年成功搭载于TIMED卫星上的多普勒干涉仪(TIDI)是在DE-FPI，URAS-HRDI成功应用的基础上进一步开发研制的新一代高分辨率Fabry-Perot干涉仪[42-43]。TIDI由三个子系统构成：4个相同的望远镜、单标准具Fabry-Perot干涉仪和电控箱，图10仅给出了2台望远镜。TIDI首次实现了对与卫星速度方向成±45°和±135°四个方向的同时探测，4个视场辐射均通过光纤束光纤随机排列实现空间均匀分布。第五个视场由定标系统引出，与其他视场的光纤束结合组成同心90°环楔的输入视场轮廓，如图11所示。

TIDI第一次使用环转线成像光学系统CLIO和高量子效率低噪声CCD，如图12所示。环转线系统(CLIO)的作用是将同心圆环干涉条纹转换为楔形条纹，与阵列探测器探测匹配，简化数据处理方法。

上述光学系统的优点有：一是所有望远镜视场同时成像到探测器上，这是重要的多路优势；二是用CCD提供较IPD更大的收集效率；三是CLIO使CCD有效利用，能实现片上信号积分，通过减小片读出时间提高负载周期，通过减小读出数据量降低读出噪声。TIDI实现了100%的负载周期，能在白天、夜间和极光条件下进行探测。最佳观测条件下观测中间层风速测量精度最高3 m/s，热层精度15 m/s。TIDI是目前唯一在空间正常运行的中高层大气风场测量的卫星设备。

在WINDII取得成功后，又陆续出现了多种基于不同使用目的的迈克尔逊风场探测干涉仪，在结构及实现形式上也有改变和发展。同样由加拿大空间署研制的输运研究同温层风场干涉仪(SWIFT)是计划装载在卫星上用于同时探测全球20～60 km水平风速矢量和臭氧浓度的广角Michelson干涉仪，具备昼夜探测能力，如图13所示[44]。设计风场测量精度优于5 m/s，臭氧浓度精度可达5%。先后计划搭载在日本GCOM卫星和GOSAT卫星上，后又计划搭载于加拿大航空局2010年发射的第二代科学卫星CHINOOK上。SWIFT利用两个带宽分别为0.8，2.5 nm的Ge晶片标准具实现臭氧8.823 μm附近谱线的分离。由于实现足够窄带宽的滤光片分离目标辐射线并监测波长变化成为项目研制中的主要难题和挑战，最终导致项目终止。

NASA的MIDEX计划中Wave-Michelson干涉仪(WAMI)和加拿大SatSci计划中的中间层成像Michelson干涉仪(MIMI)是将迈克尔逊干涉仪中一臂上的反射镜分为4部分，分别镀上厚度不同的反射膜，以实现同时探测4个不同相位值对应的干涉图强度[45-46]。这种四分区镀膜方法的优点是实现四相位强度的同时探测。上述载荷计划中首次提出将多普勒大气风场探测扩展到短波红外区，以波长为1.27 μm O2(1Δg)带红外波段发射谱线为探测源。2002年提出的火星大气动力学观测者(DYNAMO)载荷方案即拟通过探测火星大气中O2(a1Δg) 1.27 μm和O(1S) 557 nm附近发射谱线反演火星大气15～40 km和80～180 km高度范围的风速与温度。仪器方案与WIDII基本相同，作为深空探测载荷干涉仪采用紧凑设计，预估总质量15.3 kg[47]。

2006年美国海军实验室ENGLERT团队首次提出多普勒差分干涉光谱技术概念，该技术在提出后受到广泛关注，在美国航空航天局(NASA)行星仪器定义和发展计划(PIDDP)资助下，该团队完成了利用氧原子O(1D) 630 nm红线探测上层大气风场的多普勒差分干涉仪(DASH)设计，2008年搭建了多普勒差分干涉仪的原理验证装置。2011年在美国空军实验室和海军实验室联合支持下，开始多普勒差分干涉仪星载原型样机的研制，报道了星载多普勒风场测量大气红线干涉仪(ARROW)的设计结果，如图14所示[48-51]。

约克大学研制的用于输运研究的同温层风场干涉仪(SWIFT)，最初采用与WINDII相同的广角迈克尔逊干涉仪原理，2013年该项目组报道了改用多普勒差分干涉光谱技术方案研制的SWIFT-DASH原理样机(如图15所示)和实验结果。SWIFT-DASH可同时测量同温层风场和臭氧浓度，仿真分析星载数据反演20～55 km臭氧精度达10%，24～60 km风场反演精度达3 m/s[52]。

2013年基于多普勒差分干涉光谱技术原理的全球高分辨率热层成像迈克尔逊干涉仪(MIGHTI)成为NASA电离层连接探测项目(ICON)中的载荷之一。ICON任务将利用低地球轨道卫星上的一系列载荷进行联合探测地球电离层的极端变化(如图16所示)。MIGHTI将用于测量无法进行原位探测高度范围内的中性风场和温度的全球分布。利用557.7，630 nm氧原子绿线和红线多普勒频移测量风速，利用762 nm附近的氧气A-band带的线型测量大气温度[53]。MIGHTI载荷由两台相同的正交安装的宽谱段多普勒差分干涉仪组成，每台干涉仪具备沿临边高度方向成像能力，覆盖高度80～300 km，卫星计划于2017年发射。

3 关键技术分析与展望

Fabry-Perot干涉仪适应星载应用的标准具结构已经成熟，并根据应用目标采用单标准具或串联多标准具；Michelson干涉仪也出现压电晶体扫描、四分区镀膜、旋转偏振片等多种“四步法”实施方案；多普勒差分干涉仪则是从原理上的技术革新。从仪器研制角度讲，星载测风干涉仪探测模式由单视场发展到双视场、四视场临边扫描，将二维空间转台、光纤视场合成技术用于望远镜扫描系统。探测器由光电倍增管、成像平面探测器IPD发展到采用面阵CCD，使探测方式由单通道扫描发展到多通道探测，能量利用率大幅提高。窄带滤光片工艺水平的进步使干涉仪稳定性和空间适应性得到提升。

在探测能力方面，由探测主要粒子二三条明亮辐射线发展到利用吸收谱线反演风速和温度，并利用可见到近红外甚至长波红外谱段的多种粒子谱线探测不同时空分布的大气风场，实现100%负载周期的全天候探测，探测覆盖高度10～300 km，包括平流层、中间层、低热层的广阔高度范围内的大部分区域，并提出地外行星大气风场探测计划，风速测量精度最高已达3 m/s。

在数据应用方面，由反演风速、温度和辐射率数据发展到探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数，大气有效反射率、气溶胶相位函数和散射系数也能确定。测风干涉仪的发展趋势如图17所示。

星载测风干涉光谱技术经过五十多年的研究和应用，为大气科学、空间物理学研究提供了大量全球尺度风场和温度的长周期观测数据，使对地球大气的动力学和热力学特性的理解更全面，对推动空间天气预报、描绘大气动态状况、研究大气成分变化及上下层大气间动量和能量输运起到了极为重要的作用。目前，国际上仍不断将地球和行星大气风场探测列入探测计划。随着新技术涌现和器件、工艺水平进步，星载大气风场探测干涉仪的探测能力将进一步提高。

总体而言，获得全球尺度中高层大气风场(10～100 m/s)观测数据，揭示其基本规律及其变化、建立预报预测模型，对航天安全、空天飞行器操控、临近空间平台投放、空间通信有重要应用价值。目前，国际上采用超高光谱分辨率干涉仪进行被动光学临边观测是获取全球尺度中高层大气风场数据的主要手段。国内高精度测风干涉光谱技术研究起步晚，与国外的差距大，限于国内现有的工艺水平，中高层大气风场探测多仍为理论研究，地基风场测量仪器和研究用测风干涉仪核心部件仍依赖进口，更重要的是星载测风干涉光谱仪器至今仍属空白。空间物理研究者多用国外数据进行中高层大气物理研究，全球尺度中高层大气自主研究受到极大限制，也阻碍了我国航天能力和国防实力的提高。国内尚不具备进行全球尺度中高层大气风场探测能力，星载中高层大气风场探测仪器仍是空白，急需开展中高层大气风场探测技术和载荷研究工作。

4 结束语

中高层大气与人类的生存和发展密切相关，与全球的气候和环境变化密切相连，对其进行探测与研究是当今世界各航天大国所面临的共同挑战。本文综述了星载大气风场探测干涉光谱技术研究进展，展望技术发展趋势，希望对大气风场星载遥感探测技术研究有一定借鉴作用。所有的这些研究活动还正在不断继续，相信随着新设备、新技术和工艺的发展和应用，将会对我国中高层大气风场的研究会有更大的推动作用。

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Development of Interferometric Spectroscopy for Atmosphere Wind Observations Based on Satellite

FENG Yu-tao1, LI Juan1, ZHAO Zheng-liang2, YUAN Xiao-bin1, YU Tao3, FU Jian-guo4,WU Kui-jun5, HAO Xiong-bo1, FU Di1, SUN Jian1, WANG Shuang1

(1. Key Laboratory of Spectral Imaging Technology of Chinese Academy of Sciences, Xi’an Institute of Optics Precision Mechanic, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, Shaanxi, China; 2. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China; 3. Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geoscience, Wuhan 430074, Hubei, China; 4. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 5. Wuhan Institute of Physics and Mathematics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, Hubei, China)

The development of passive optical remote sensing of atmospheric wind observation from satellite in abroad was reviewed in this paper. The Fabry-Perot interferometer, Michelson interferometer and Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer were described and so were the basic theories of three type interferometers. The single field of view was developed to dual field of view and quarter view of field. The characteristics and limitations of the three types interferometers were compared. The feature, performance and application of Wind Imaging Interferometer (WAMDII), High Resolution Doppler Imager (HRDI) and TIMED Doppler Interferometer (TIDI) in abroad were introduced. The key technologies of two-dimension space turntable, synthetic technology of fiber field of view and technique of the narrow band filter in development were analyzed. The progress of improving wind measuring accuracy, and enlarging detection scope and field of view in performance were summarized. And so were the transfer from the retrieval of wind velocity, temperature and radiant emissivity to the detection of dynamics and thermodynamics (such as gravity wave, composition density, airglow and aurora emissivity, noctilucent clouds, and ion flow density), atmospheric effective reflectivity, and phase function and scattering coefficient of aerosol. The development trend of the technology was prospected at last.

space environment; Doppler effect; atmosphere wind; space-borne interferometer; passive remote sensing; Fabry-Perot interferometer; Michelson interferometer; Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

1006-1630(2017)03-0014-13

2016-12-19；

2017-05-04

国家自然科学基金资助(41005019)；“西部青年学者”人才基金资助(XAB 2016A07)

冯玉涛(1980—)，男，研究员，硕士生导师，中科院青年创新促进会会员，主要从事光谱成像及精细光谱探测技术研究。

O439

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.002