高層大氣風場測量中干涉圖強度測量方法的比較

王周琴+朱林婕

摘要：本文分析了高層大氣風場被動測量的基本理論，重點分析了干涉圖強度測量的幾種比較方法，給出了各種方法的優缺點。此分析討論對高層大氣風場測量儀器設計具有參考意義。

關鍵詞：高層大氣風場；干涉圖；測量方法

一、引言

大氣是人類生存的屏障，科學家一直沒有停止對大氣的研究和探索。大氣風場的溫度和速度是兩個重要的氣象參數，通過對大氣風場的測量，可以為大氣行為的研究提供依據。所以對大氣風場的測量具有重要的意義。

在大氣中，各種物質或者化學成分的移動和傳播過程都是以風為媒介的，所以對大氣風場的研究是了解大氣中物質變化的重要依據。航空航天技術也需要對大氣風場進行測量研究之后，才能評估航天器在發射或運行過程中受到大氣的影響因素。因此對大氣風場的測量是天氣預報、災害預警、航空航天研究等一系列日常或科研問題的重要參考依據。

大氣風場的測量技術分為直接探測和遙感探測，精度較高的為遙感探測，遙感探測也分為主動式和被動式。主動式為向風場發射激光，利用回歸信號對大氣風場進行探測；而被動式以大氣風場中的極光或者氣輝作為光源，利用干涉圖對風場進行探測，常見干涉儀包括邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀。這里主要對邁克爾遜干涉儀的被動式風場測量進行討論。

二、大氣風場測量原理

發光粒子經過與周圍粒子的大量碰撞，處于熱平衡狀態，因此測量粒子的溫度即為周圍大氣的溫度。經過大量碰撞后，速度和周圍粒子處于熱平衡的玻爾茲曼分布，測量粒子的速度也代表了大氣的速度。根據高斯線形的極光強度和光程差的關系，可以得到大氣的溫度由干涉條紋的調制度決定，而調制度和溫度有關。發光粒子運動產生的相位差與光程差存在特定關系，根據多普勒效應，可以得到粒子的運動速度，因此只要得到干涉條紋的可見度和相位差，就可以得到高層大氣風場的溫度和速度。當然，可以沿著兩個相互垂直的方向進行速度測量，然后合成二維風速。

數據處理過程為常見的四強度法，即在一個干涉條紋中等間隔完成四次采樣，得到四個強度值，然后得到該干涉條紋的可見度和相位差，進而得到大氣風場的溫度和速度。

三、強度測量方法的比較

1.動鏡步進法

動鏡步進法是最傳統的一種方法，它利用壓電步進裝置帶動動鏡步進1/4，得到光程差變量為1/2。這種方法的優點在于數據處理方法簡單，當探測譜線波長改變時只需改變步進幅度即可。但動鏡步進法只適合測量變化相對緩慢的風場，且遙感中移動部件會增加調整難度，引起誤差。

2.四分區鍍膜法

四分區鍍膜法是在邁克爾遜干涉儀的其中一個臂的反射鏡上分別鍍上四個不同厚度的膜，模擬四個不同的光程差，因此可以在同一時刻在探測器上得到不同相位的干涉圖，可以達到同時測試四個相位的干涉強度的要求，以減少時間調制過程中的誤差影響。這種方法與傳統的動鏡步進法相比，具有更高的穩定性且可以實現實時探測。由于鍍膜是固定的，相鄰分區之間應有光程差1/4，但對于不同波長的譜線，其光程差并不能嚴格等于1/4，因此會產生誤差。同時，此方法對多層介質膜的要求非常高，在工程技術方面更加復雜。

3.旋轉偏振片法

第一臺用于大氣熱層風場探測的偏振邁克爾遜干涉儀（PAMI）采用旋轉偏振片方法產生步進光程差。偏振干涉儀出射的兩束光是偏振態互相垂直并具有一定相位差的線偏振光，經過1/2波片后兩束光變為旋向相反的圓偏振光，因為具有相位差則合成為線偏振光，此線偏振光經過偏振片和成像系統可在探測器上得到一個干涉強度值，再通過旋轉偏振片來改變偏振方向，旋轉角度為45°，通過旋轉偏振片可以在探測器上分別得到0°、45°、90°、135°的四個不同相位差的干涉強度值。旋轉偏振片的方法對不同探測譜線的波長均適用，無需作出調整，但此方法也具有不能進行實時探測的缺點，不適合快速變化的目標的探測，并且也會產生由運動部件帶來的誤差。

4.偏振陣列法

偏振陣列法是應用于偏振邁克爾遜干涉儀的一種四強度探測實現方法。偏振陣列是由四個鑲嵌在透明基底上偏振化方向相差45°的偏振片組成的，應用時置于探測器前方。偏振陣列法的基本原理與旋轉偏振片法相同，通過不同偏振方向產生四個相位差，區別在于偏振陣列是四個偏振方向不同偏振片的集成。使用四面角錐棱鏡作為分光器件，可將偏振邁克爾遜干涉儀出射光分為四束光，通過成像系統可分別會聚于偏振陣列的四個偏振單元，在探測器上同時得到四個干涉強度值，實現實時探測，減少運動部件帶來的誤差。因為偏振陣列法實時探測性好，可以簡化大氣風場探測干涉儀系統裝置，無運動部件可實現靜態測量，本文采用偏振陣列法作為四強度探測的實現方法。

綜上所述，本文對高層大氣風場被動測量的理論進行了總結，重點對干涉圖強度測量的幾種方法進行了比較分析。這一分析對高層大氣風場測量儀器的設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

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