高层大气风场测量中干涉图强度测量方法的比较

王周琴+朱林婕

摘要：本文分析了高层大气风场被动测量的基本理论，重点分析了干涉图强度测量的几种比较方法，给出了各种方法的优缺点。此分析讨论对高层大气风场测量仪器设计具有参考意义。

关键词：高层大气风场；干涉图；测量方法

一、引言

大气是人类生存的屏障，科学家一直没有停止对大气的研究和探索。大气风场的温度和速度是两个重要的气象参数，通过对大气风场的测量，可以为大气行为的研究提供依据。所以对大气风场的测量具有重要的意义。

在大气中，各种物质或者化学成分的移动和传播过程都是以风为媒介的，所以对大气风场的研究是了解大气中物质变化的重要依据。航空航天技术也需要对大气风场进行测量研究之后，才能评估航天器在发射或运行过程中受到大气的影响因素。因此对大气风场的测量是天气预报、灾害预警、航空航天研究等一系列日常或科研问题的重要参考依据。

大气风场的测量技术分为直接探测和遥感探测，精度较高的为遥感探测，遥感探测也分为主动式和被动式。主动式为向风场发射激光，利用回归信号对大气风场进行探测；而被动式以大气风场中的极光或者气辉作为光源，利用干涉图对风场进行探测，常见干涉仪包括迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪。这里主要对迈克尔逊干涉仪的被动式风场测量进行讨论。

二、大气风场测量原理

发光粒子经过与周围粒子的大量碰撞，处于热平衡状态，因此测量粒子的温度即为周围大气的温度。经过大量碰撞后，速度和周围粒子处于热平衡的玻尔兹曼分布，测量粒子的速度也代表了大气的速度。根据高斯线形的极光强度和光程差的关系，可以得到大气的温度由干涉条纹的调制度决定，而调制度和温度有关。发光粒子运动产生的相位差与光程差存在特定关系，根据多普勒效应，可以得到粒子的运动速度，因此只要得到干涉条纹的可见度和相位差，就可以得到高层大气风场的温度和速度。当然，可以沿着两个相互垂直的方向进行速度测量，然后合成二维风速。

数据处理过程为常见的四强度法，即在一个干涉条纹中等间隔完成四次采样，得到四个强度值，然后得到该干涉条纹的可见度和相位差，进而得到大气风场的温度和速度。

三、强度测量方法的比较

1.动镜步进法

动镜步进法是最传统的一种方法，它利用压电步进装置带动动镜步进1/4，得到光程差变量为1/2。这种方法的优点在于数据處理方法简单，当探测谱线波长改变时只需改变步进幅度即可。但动镜步进法只适合测量变化相对缓慢的风场，且遥感中移动部件会增加调整难度，引起误差。

2.四分区镀膜法

四分区镀膜法是在迈克尔逊干涉仪的其中一个臂的反射镜上分别镀上四个不同厚度的膜，模拟四个不同的光程差，因此可以在同一时刻在探测器上得到不同相位的干涉图，可以达到同时测试四个相位的干涉强度的要求，以减少时间调制过程中的误差影响。这种方法与传统的动镜步进法相比，具有更高的稳定性且可以实现实时探测。由于镀膜是固定的，相邻分区之间应有光程差1/4，但对于不同波长的谱线，其光程差并不能严格等于1/4，因此会产生误差。同时，此方法对多层介质膜的要求非常高，在工程技术方面更加复杂。

3.旋转偏振片法

第一台用于大气热层风场探测的偏振迈克尔逊干涉仪（PAMI）采用旋转偏振片方法产生步进光程差。偏振干涉仪出射的两束光是偏振态互相垂直并具有一定相位差的线偏振光，经过1/2波片后两束光变为旋向相反的圆偏振光，因为具有相位差则合成为线偏振光，此线偏振光经过偏振片和成像系统可在探测器上得到一个干涉强度值，再通过旋转偏振片来改变偏振方向，旋转角度为45°，通过旋转偏振片可以在探测器上分别得到0°、45°、90°、135°的四个不同相位差的干涉强度值。旋转偏振片的方法对不同探测谱线的波长均适用，无需作出调整，但此方法也具有不能进行实时探测的缺点，不适合快速变化的目标的探测，并且也会产生由运动部件带来的误差。

4.偏振阵列法

偏振阵列法是应用于偏振迈克尔逊干涉仪的一种四强度探测实现方法。偏振阵列是由四个镶嵌在透明基底上偏振化方向相差45°的偏振片组成的，应用时置于探测器前方。偏振阵列法的基本原理与旋转偏振片法相同，通过不同偏振方向产生四个相位差，区别在于偏振阵列是四个偏振方向不同偏振片的集成。使用四面角锥棱镜作为分光器件，可将偏振迈克尔逊干涉仪出射光分为四束光，通过成像系统可分别会聚于偏振阵列的四个偏振单元，在探测器上同时得到四个干涉强度值，实现实时探测，减少运动部件带来的误差。因为偏振阵列法实时探测性好，可以简化大气风场探测干涉仪系统装置，无运动部件可实现静态测量，本文采用偏振阵列法作为四强度探测的实现方法。

综上所述，本文对高层大气风场被动测量的理论进行了总结，重点对干涉图强度测量的几种方法进行了比较分析。这一分析对高层大气风场测量仪器的设计具有一定的参考价值。

参考文献：

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