应用于风场探测的多普勒非对称空间外差光谱技术

沈静 王冠军

（中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047）

1 引言

中高层大气对于全球气候与环境、大气物理、航天和军事研究意义深远，越来越受到关注。大气风场不仅是该区域动力学和光化学过程的关键因素，对能量、动量与大气成分的传输起着巨大作用，还是重要的空间环境参量，对航天器的运行轨道和安全产生很大的影响。

被动式光学遥感探测中高层大气风场因其装置简单、分辨率高、探测精度高、受天气影响小等优点被广泛应用。目前国际上主要采用F-P (Fabry—Perot)干涉仪和迈克尔逊（MI）干涉仪实现地基和星载的中高层风场探测。具有代表性的是F-P 式高分辨多普勒成像仪HRDI(the High Resolution Doppler imager)、TIMED(Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics)多普勒干涉仪TIDI（the TIMED Doppler Interferometer）和风成像干涉仪WINDII(WIND Imaging Interferometer )。F-P 干涉仪利用多光束干涉产生细锐条纹，具有超高的测量精度和稳定性，但是对F-P 标准具的平整度要求极高，且光通量小、体积大。MI干涉仪采用扩视场技术增加系统的光通量，体积相对较小。通过步进电机获取四个点的强度，进行风场反演，仪器漂移不能被实时跟踪，除此之外，动镜的机械稳定性误差也成为限制因素。

美国、加拿大研究基于多普勒非对称空间外差（DASH—Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne Spectroscopy）的风速测量技术，具有大视场，静态探测的优点，应用于中高层大气风场探测的星载仪器研制，初步实验取得较好的结果。目前，我国对于风场探测研究还主要集中在F-P 和MI 干涉法，空间外差光谱技术的研究主要集中在对称干涉形式。

本文介绍了多普勒非对称空间外差光谱技术的基本原理，结构特点和优势所在，简要分析了这种新型技术用于地基和星载风场探测的仪器特点。开展多普勒非对称空间外差光谱技术的研究，可以进一步丰富我国风场探测模式，提高风场测量精度，增强对中高层大气的光化学和动力学过程的理解，为地球气候和航天研究等提供支持。

2 多普勒非对称空间外差技术基本原理

2.1 空间外差干涉原理

图1：DASH 干涉仪的原理图

由MI干涉仪探测风场的原理，通过计算在一定光程差偏移（Δd）下的干涉图的相位差可以得到大气的风速：

其中，φw为干涉图相位差，σ 为波数，v 为多普勒风速，c 为真空中的光速。

与对称式结构相比，干涉仪一只臂上多出Δd 的偏移量，这使得两个光波波前具有2Δd 的光程差，DASH 通过两臂光栅在一个较大的光程差范围采样干涉图，如图1 所示。

被探测器记录下的干涉图表示为：

其中， x 是探测器的位置坐标（x=0 是阵列中心），B(σ)是入射光谱辐亮度。

2.2 干涉图求相位

干涉图经过采样可以简化为：

图2：REDDI 干涉仪结构

图3：右 MIGHTI 光学系统单元

其中，j=0、1、2……，表示通带内发射线的序号，x 是探测器的坐标，Sj正比于谱线强度，Ej(x)是依赖单个线型和光程差偏移的包络函数。κj=4(σj-σL)tanθL是发射线的外差条纹频率，φj=4π(σjσL)Δd 是附加的相位项，δφj是每条发射线的多普勒频移导致的相位项。令j=0，同时用矩形窗函数去除负频率光谱。这样有效消除其他所有谱线的贡献，得到：

减去零风相位2πκ0x+φ0之后，得到由多普勒偏移引起的相移δφ0。风场的速度则可以通过δφ0和公式（1）得到。相比于单谱线测风速，多谱线测风速能够增加探测精度。

3 多普勒非对称空间外差光谱技术的发展

DASH 结合了空间外差光谱仪SHS（Spatial Heterodyne Spectrometer）和步进MI 干涉仪，使用有限光程差处的干涉图相位来确定风场信息。与MI 干涉仪相比，DASH 能够同时采样空间域几百个点；与SHS 相比，DASH 的采样是从非零光程差点开始，更适合于获得明显的干涉相位。

非对称空间外差光谱技术始于2006 年，在2010 年美研制出用于测630nm 氧红线的DASH 地基探测仪（Redline DASH Demonstration instrument, REDDI）。在通过单臂式结构实现光程差点相位测量，由双反射Koester 棱镜分束器，扩视场棱镜，基片和光栅组成，如图2 所示。

由于气辉信号弱，而且白天大气背景信号非常强，REDDI 的地基探测在晚上进行。REDDI 的实验结果与同时在测的F-P 干涉仪的结果具有高度的一致性，证明了该地基观测的可行性。由于在进行双光束干涉时，REDDI 采用共光路的单臂结构，不利于仪器自身的校准和定标，因此星载探测的方案仍然选用了双臂式的结构形式。

全球高分辨率热成像迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging, MIGHTI） 作 为NASA 提出的电离层联合探测任务载荷，目标是确定热电离层的风速和温度，选择630.0nm 氧原子红线，557.7nm 的氧原子绿线和762nm 的氧分子线作为目标源。

MIGHTI 延续了传统的空间外差技术，但是与地基探测不同的是，星载探测采用两个高效的光阑系统使探测白天的气辉信号，而且通过分视场技术同时反演不同高度的风速廓线。图3 为MIGHTI干涉仪光学系统单元组成。

DASH 技术不仅在中高层大气探测中展现优势，也适用于低层大气的探测。把DASH 技术用在红外臭氧探测上，美研制了空间外差式平流层臭氧风场干涉仪SWIFT-DASH。由于平流层20-45km处的大气中不存在明显分立的气辉谱线，因此选择8.9μm 的臭氧热红外发射线作为探测目标。消除热漂移对窄带滤光片的严格要求，使采用干涉法探测臭氧浓度和风场成为可能。

4 多普勒非对称空间外差光谱技术的特点

与步进MI 干涉仪相比，DASH 具有以下特点：

（1）大光程差间隔。由公式3，采样光程差间隔由光栅宽度和littrow 角决定。这个特点决定了DASH 在宽谱段内进行多谱线探测。同时也使采用校准线实时跟踪仪器漂移得以实现。

（2）多点探测。DASH 是空间调制型干涉仪，探测器干涉维方向的每个像元代表不同位置的采样，因此一般情况下DASH 采样点约为几百个。多采样点增加了对背景杂散光的抑制力。

（3）无动镜。DASH 用固定光栅取代了步进MI 干涉仪的反射镜，不需要任何的运动光学部件，体积小，结构紧凑，高度适合于空间飞行探测。

与Fabry-Perot 相比，DASH 具有以下特点：

（1）对干涉仪制造误差要求低。DASH 对干涉仪元件的平整度和制造误差要求远低于Fabry-Perot 干涉仪，易于集成。

（2）高集光率。DASH 采用扩视场技术，光通量是FP 干涉仪的百倍。

5 多普勒非对称空间外差光谱技术发展前景

越来越多的研究表明，多普勒非对称空间外差光谱技术在中长期天气预报、环境保护、军事及国家安全、地球科学、航空航天等领域具有重要意义和广阔的应用前景。

由于气辉信号弱、谱线频移量小，因此如何获得有效的干涉图和频移量来反演风场信息是关键。WINDII 通过合并探测器像元来增加到达探测器面的光子数。对于DASH，综合延长积分时间和合并像元两种有效方式增大信号，得到理想的干涉图。此外，由于风场引起的气辉谱线多普勒频移在107 分之一波数量级，光学器件的漂移以及环境温度的变化等诸多因素引起的目标谱线漂移都极易覆盖微弱的多普勒频移信号，从多方面考虑。通过合理选择干涉仪光学组件的材料进行热补偿、控制系统环境温度稳定以及采用校准线跟踪漂移等方法尽可能减小热效应，提取干涉图的频移信号。

6 结束语

综上所述，多普勒非对称空间外差光谱技术在理论研究、设计制造、地基和星载探测方面都取得了显著的进展。利用该技术进行大气风场、成分和氧原子数密度等的探测具有较多优势，国内急需开展相关研究。