[发明专利]一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统

说明书

本发明涉及一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，主要解决现有地基高层大气风场测量干涉仪观测效率低的问题。该系统包括第一空间扫描机构、第二空间扫描机构、第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜、视场耦合组件、定标模块、干涉仪组件、分色成像组件和探测器；视场耦合组件位于第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜的出射光路上，将第一望远镜、第二望远镜、天顶望远镜的视场光束耦合到一起，并透射到干涉仪组件中；定标模块位于视场耦合组件和干涉仪组件之间，用于提供与观测谱线波长相近的标准谱线；干涉仪组件对入射光谱辐射进行调制产生干涉图；分色成像组件包括沿光路依次设置的光楔分色镜和马赛克滤光片。

技术领域

本发明涉及地基干涉仪系统，具体涉及一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统，能够在地面实现高时间分辨率中高层大气风场测量。

背景技术

地基干涉仪测量中高层大气风场的原理为：通过观测中高层大气成分发射光谱谱线，利用多普勒频移反演大气的运动速度信息。地球大气成分直接或间接吸收太阳电磁辐射能量后被激发到较高的能级，从较高的能级跃迁到较低能级时会释放出一定频率的光子，从而形成微弱光辐射，不同的能级跃迁对应不同波长的光谱谱线。当这些大气成分随着大气运动时，相对地基测风干涉仪而言，气辉光谱将会产生频移。根据多普勒效应可知，当发射物体向着观测方向运动时，观测到的谱线中心频率将向短波方向移动；当背离观测方向运动时，观测的谱线中心频率将向长波方向移动。多普勒频移量取决于谱线的本征频率σ₀和发射源运动速度v，如公式(1)所示，Δσ为多普勒频移量，σ₀为速度v＝0m/s时气辉谱线的本征频率，c为光速；

Δσ＝σ₀·v/c (1)

用于大气风场探测的多普勒差分干涉光谱仪主要通过探测干涉条纹相位变化反演大气风速信息，Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy(DASH):concept and experimental demonstration.APPLIED OPTICS Vol.46,No.29,pp7297,2007.中已公开，干涉曲线理论表达式为：

其中，I(x)为干涉图强度，B(σ)为光谱强度，σ₀为风速为0时的本征波数，σ_L为Littrow波数，θ_L为Littrow角，x为探测器对应位置，Δd为干涉仪非对称量；当入射谱线由于风速v引入Doppler频移时，谱线的中心波数变为：则上式(1)变为：

由(1)、(2)式可见，在干涉图采样中心x＝0位置存在如下关系：

如上，基于多普勒差分干涉光谱技术的大气风速测量方法已经被提出。

地基测风干涉仪主要以OI630nm和OI557.7nm为探测源实现250km和90km高度风场探测，通过测量天顶、东南西北斜向共五个方位观测获得经向和纬向风矢量数据，方位观测主要依靠天空扫描镜来实现，首先两个通道需要串行工作，其次单视场扫描需要扫5次才能将5个方位都扫描完，所以其观测效率较低，现有的地基测风干涉仪完成两个通道风场测量累计需要40min，如果再加上定标时间，一个观测周期时间会更长。

发明内容

本发明的目的是解决现有地基高层大气风场测量干涉仪观测效率低的问题，提出一种高时间分辨率地基中高层大气风场测量干涉仪系统。

为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案是：