應(yīng)用于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)

沈靜 王冠軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047）

1 引言

中高層大氣對(duì)于全球氣候與環(huán)境、大氣物理、航天和軍事研究意義深遠(yuǎn)，越來越受到關(guān)注。大氣風(fēng)場(chǎng)不僅是該區(qū)域動(dòng)力學(xué)和光化學(xué)過程的關(guān)鍵因素，對(duì)能量、動(dòng)量與大氣成分的傳輸起著巨大作用，還是重要的空間環(huán)境參量，對(duì)航天器的運(yùn)行軌道和安全產(chǎn)生很大的影響。

被動(dòng)式光學(xué)遙感探測(cè)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)因其裝置簡(jiǎn)單、分辨率高、探測(cè)精度高、受天氣影響小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上主要采用F-P (Fabry—Perot)干涉儀和邁克爾遜（MI）干涉儀實(shí)現(xiàn)地基和星載的中高層風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。具有代表性的是F-P 式高分辨多普勒成像儀HRDI(the High Resolution Doppler imager)、TIMED(Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics)多普勒干涉儀TIDI（the TIMED Doppler Interferometer）和風(fēng)成像干涉儀WINDII(WIND Imaging Interferometer )。F-P 干涉儀利用多光束干涉產(chǎn)生細(xì)銳條紋，具有超高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，但是對(duì)F-P 標(biāo)準(zhǔn)具的平整度要求極高，且光通量小、體積大。MI干涉儀采用擴(kuò)視場(chǎng)技術(shù)增加系統(tǒng)的光通量，體積相對(duì)較小。通過步進(jìn)電機(jī)獲取四個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，儀器漂移不能被實(shí)時(shí)跟蹤，除此之外，動(dòng)鏡的機(jī)械穩(wěn)定性誤差也成為限制因素。

美國(guó)、加拿大研究基于多普勒非對(duì)稱空間外差（DASH—Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne Spectroscopy）的風(fēng)速測(cè)量技術(shù)，具有大視場(chǎng)，靜態(tài)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的星載儀器研制，初步實(shí)驗(yàn)取得較好的結(jié)果。目前，我國(guó)對(duì)于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)研究還主要集中在F-P 和MI 干涉法，空間外差光譜技術(shù)的研究主要集中在對(duì)稱干涉形式。

本文介紹了多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)的基本原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)所在，簡(jiǎn)要分析了這種新型技術(shù)用于地基和星載風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的儀器特點(diǎn)。開展多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)的研究，可以進(jìn)一步豐富我國(guó)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)模式，提高風(fēng)場(chǎng)測(cè)量精度，增強(qiáng)對(duì)中高層大氣的光化學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程的理解，為地球氣候和航天研究等提供支持。

2 多普勒非對(duì)稱空間外差技術(shù)基本原理

2.1 空間外差干涉原理

圖1：DASH 干涉儀的原理圖

由MI干涉儀探測(cè)風(fēng)場(chǎng)的原理，通過計(jì)算在一定光程差偏移（Δd）下的干涉圖的相位差可以得到大氣的風(fēng)速：

其中，φw為干涉圖相位差，σ 為波數(shù)，v 為多普勒風(fēng)速，c 為真空中的光速。

與對(duì)稱式結(jié)構(gòu)相比，干涉儀一只臂上多出Δd 的偏移量，這使得兩個(gè)光波波前具有2Δd 的光程差，DASH 通過兩臂光柵在一個(gè)較大的光程差范圍采樣干涉圖，如圖1 所示。

被探測(cè)器記錄下的干涉圖表示為：

其中， x 是探測(cè)器的位置坐標(biāo)（x=0 是陣列中心），B(σ)是入射光譜輻亮度。

2.2 干涉圖求相位

干涉圖經(jīng)過采樣可以簡(jiǎn)化為：

圖2：REDDI 干涉儀結(jié)構(gòu)

圖3：右 MIGHTI 光學(xué)系統(tǒng)單元

其中，j=0、1、2……，表示通帶內(nèi)發(fā)射線的序號(hào)，x 是探測(cè)器的坐標(biāo)，Sj正比于譜線強(qiáng)度，Ej(x)是依賴單個(gè)線型和光程差偏移的包絡(luò)函數(shù)。κj=4(σj-σL)tanθL是發(fā)射線的外差條紋頻率，φj=4π(σjσL)Δd 是附加的相位項(xiàng)，δφj是每條發(fā)射線的多普勒頻移導(dǎo)致的相位項(xiàng)。令j=0，同時(shí)用矩形窗函數(shù)去除負(fù)頻率光譜。這樣有效消除其他所有譜線的貢獻(xiàn)，得到：

減去零風(fēng)相位2πκ0x+φ0之后，得到由多普勒偏移引起的相移δφ0。風(fēng)場(chǎng)的速度則可以通過δφ0和公式（1）得到。相比于單譜線測(cè)風(fēng)速，多譜線測(cè)風(fēng)速能夠增加探測(cè)精度。

3 多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)的發(fā)展

DASH 結(jié)合了空間外差光譜儀SHS（Spatial Heterodyne Spectrometer）和步進(jìn)MI 干涉儀，使用有限光程差處的干涉圖相位來確定風(fēng)場(chǎng)信息。與MI 干涉儀相比，DASH 能夠同時(shí)采樣空間域幾百個(gè)點(diǎn)；與SHS 相比，DASH 的采樣是從非零光程差點(diǎn)開始，更適合于獲得明顯的干涉相位。

非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)始于2006 年，在2010 年美研制出用于測(cè)630nm 氧紅線的DASH 地基探測(cè)儀（Redline DASH Demonstration instrument, REDDI）。在通過單臂式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光程差點(diǎn)相位測(cè)量，由雙反射Koester 棱鏡分束器，擴(kuò)視場(chǎng)棱鏡，基片和光柵組成，如圖2 所示。

由于氣輝信號(hào)弱，而且白天大氣背景信號(hào)非常強(qiáng)，REDDI 的地基探測(cè)在晚上進(jìn)行。REDDI 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同時(shí)在測(cè)的F-P 干涉儀的結(jié)果具有高度的一致性，證明了該地基觀測(cè)的可行性。由于在進(jìn)行雙光束干涉時(shí)，REDDI 采用共光路的單臂結(jié)構(gòu)，不利于儀器自身的校準(zhǔn)和定標(biāo)，因此星載探測(cè)的方案仍然選用了雙臂式的結(jié)構(gòu)形式。

全球高分辨率熱成像邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging, MIGHTI） 作 為NASA 提出的電離層聯(lián)合探測(cè)任務(wù)載荷，目標(biāo)是確定熱電離層的風(fēng)速和溫度，選擇630.0nm 氧原子紅線，557.7nm 的氧原子綠線和762nm 的氧分子線作為目標(biāo)源。

MIGHTI 延續(xù)了傳統(tǒng)的空間外差技術(shù)，但是與地基探測(cè)不同的是，星載探測(cè)采用兩個(gè)高效的光闌系統(tǒng)使探測(cè)白天的氣輝信號(hào)，而且通過分視場(chǎng)技術(shù)同時(shí)反演不同高度的風(fēng)速廓線。圖3 為MIGHTI干涉儀光學(xué)系統(tǒng)單元組成。

DASH 技術(shù)不僅在中高層大氣探測(cè)中展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，也適用于低層大氣的探測(cè)。把DASH 技術(shù)用在紅外臭氧探測(cè)上，美研制了空間外差式平流層臭氧風(fēng)場(chǎng)干涉儀SWIFT-DASH。由于平流層20-45km處的大氣中不存在明顯分立的氣輝譜線，因此選擇8.9μm 的臭氧熱紅外發(fā)射線作為探測(cè)目標(biāo)。消除熱漂移對(duì)窄帶濾光片的嚴(yán)格要求，使采用干涉法探測(cè)臭氧濃度和風(fēng)場(chǎng)成為可能。

4 多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)的特點(diǎn)

與步進(jìn)MI 干涉儀相比，DASH 具有以下特點(diǎn)：

（1）大光程差間隔。由公式3，采樣光程差間隔由光柵寬度和littrow 角決定。這個(gè)特點(diǎn)決定了DASH 在寬譜段內(nèi)進(jìn)行多譜線探測(cè)。同時(shí)也使采用校準(zhǔn)線實(shí)時(shí)跟蹤儀器漂移得以實(shí)現(xiàn)。

（2）多點(diǎn)探測(cè)。DASH 是空間調(diào)制型干涉儀，探測(cè)器干涉維方向的每個(gè)像元代表不同位置的采樣，因此一般情況下DASH 采樣點(diǎn)約為幾百個(gè)。多采樣點(diǎn)增加了對(duì)背景雜散光的抑制力。

（3）無動(dòng)鏡。DASH 用固定光柵取代了步進(jìn)MI 干涉儀的反射鏡，不需要任何的運(yùn)動(dòng)光學(xué)部件，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，高度適合于空間飛行探測(cè)。

與Fabry-Perot 相比，DASH 具有以下特點(diǎn)：

（1）對(duì)干涉儀制造誤差要求低。DASH 對(duì)干涉儀元件的平整度和制造誤差要求遠(yuǎn)低于Fabry-Perot 干涉儀，易于集成。

（2）高集光率。DASH 采用擴(kuò)視場(chǎng)技術(shù)，光通量是FP 干涉儀的百倍。

5 多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)發(fā)展前景

越來越多的研究表明，多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)在中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)、軍事及國(guó)家安全、地球科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。

由于氣輝信號(hào)弱、譜線頻移量小，因此如何獲得有效的干涉圖和頻移量來反演風(fēng)場(chǎng)信息是關(guān)鍵。WINDII 通過合并探測(cè)器像元來增加到達(dá)探測(cè)器面的光子數(shù)。對(duì)于DASH，綜合延長(zhǎng)積分時(shí)間和合并像元兩種有效方式增大信號(hào)，得到理想的干涉圖。此外，由于風(fēng)場(chǎng)引起的氣輝譜線多普勒頻移在107 分之一波數(shù)量級(jí)，光學(xué)器件的漂移以及環(huán)境溫度的變化等諸多因素引起的目標(biāo)譜線漂移都極易覆蓋微弱的多普勒頻移信號(hào)，從多方面考慮。通過合理選擇干涉儀光學(xué)組件的材料進(jìn)行熱補(bǔ)償、控制系統(tǒng)環(huán)境溫度穩(wěn)定以及采用校準(zhǔn)線跟蹤漂移等方法盡可能減小熱效應(yīng)，提取干涉圖的頻移信號(hào)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多普勒非對(duì)稱空間外差光譜技術(shù)在理論研究、設(shè)計(jì)制造、地基和星載探測(cè)方面都取得了顯著的進(jìn)展。利用該技術(shù)進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)、成分和氧原子數(shù)密度等的探測(cè)具有較多優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)急需開展相關(guān)研究。