馮玉濤,李 娟,趙增亮,原曉斌,余 濤,付建國(guó),武魁軍,郝雄波,傅 頔,孫 劍,王 爽

(1.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710119; 2.北京應(yīng)用氣象研究所,北京100029; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢430074; 4.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京100190; 5.中國(guó)科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所,湖北 武漢430071)

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大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)星載干涉光譜技術(shù)進(jìn)展綜述

馮玉濤1,李 娟1,趙增亮2,原曉斌1,余 濤3,付建國(guó)4,武魁軍5,郝雄波1,傅 頔1,孫 劍1,王 爽1

(1.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710119; 2.北京應(yīng)用氣象研究所,北京100029; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢430074; 4.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京100190; 5.中國(guó)科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所,湖北 武漢430071)

綜述了被動(dòng)光學(xué)遙感國(guó)外星載大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉光譜技術(shù)的研究進(jìn)展。闡述了Fabry-Perot干涉儀、Michelson干涉儀、多普勒差分干涉儀及其相應(yīng)的探測(cè)原理，其中從單視場(chǎng)發(fā)展到雙視場(chǎng)、四視場(chǎng)臨邊掃描。比較了不同技術(shù)體制特點(diǎn)和局限。介紹了國(guó)外廣角邁克爾遜多普勒成像干涉儀(WAMDII)、高分辨率多普勒成像儀(HRDI)、多普勒干涉儀(TIDI)等的特點(diǎn)、性能指標(biāo)及其應(yīng)用。分析了研制中二維空間轉(zhuǎn)臺(tái)、光纖視場(chǎng)合成技術(shù)、窄帶濾光片工藝水平等關(guān)鍵技術(shù)。歸納了性能指標(biāo)中測(cè)風(fēng)精度提高、探測(cè)范圍擴(kuò)大、視場(chǎng)增大等進(jìn)展；數(shù)據(jù)應(yīng)用中由反演風(fēng)速、溫度和輻射率數(shù)據(jù)向探測(cè)重力波、成分密度、氣輝和極光發(fā)射率、夜光云和離子流密度等動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，大氣有效反射率，氣溶膠相位函數(shù)和散射系數(shù)等的轉(zhuǎn)變。展望了技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

空間環(huán)境； 多普勒效應(yīng)； 大氣風(fēng)場(chǎng)； 星載干涉儀； 被動(dòng)遙感； Fabry-Perot干涉儀； Michelson干涉儀； 多普勒差分干涉儀

0 引言

風(fēng)場(chǎng)和溫度是表征地球及行星大氣特征的重要參數(shù)。如地球風(fēng)場(chǎng)和溫度直接影響離子體和中性成分摻雜的動(dòng)力學(xué)和耦合過(guò)程，通過(guò)電離成分相互沖擊、中性成分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流和電場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)方向和強(qiáng)度變化導(dǎo)致電離層擾動(dòng)，對(duì)穿過(guò)電離層傳播的無(wú)線電系統(tǒng)(通信和導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng))產(chǎn)生不良影響；地磁場(chǎng)活動(dòng)通過(guò)焦耳熱效應(yīng)影響上層大氣的能量平衡，進(jìn)一步驅(qū)使中性風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度；對(duì)流層向上傳播潮汐和重力波表現(xiàn)為上層大氣的溫度擾動(dòng)等[1-3]。風(fēng)場(chǎng)和溫度是表征大氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特性的重要參數(shù)，也是影響大氣動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)、能量分布及其時(shí)空變化的重要因素。

衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)不受地理?xiàng)l件和天氣限制，可進(jìn)行全球尺度全天候遙感觀測(cè)，更重要的是采用臨邊觀測(cè)模式能提供全球尺度水平風(fēng)場(chǎng)和溫度隨高程分布的長(zhǎng)周期觀測(cè)結(jié)果，這是研究大尺度、長(zhǎng)期性空間天氣或氣候所必需的，對(duì)更全面理解地球上層大氣的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性至關(guān)重要，對(duì)航天器發(fā)射、運(yùn)行和返回過(guò)程的安全保障、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、無(wú)線電通信、GPS操作等有重要價(jià)值；對(duì)預(yù)報(bào)空間天氣，描繪大氣動(dòng)態(tài)狀況、大氣波現(xiàn)象、季節(jié)性和長(zhǎng)期性的大氣成分變化及研究上下層大氣之間動(dòng)量和能量輸運(yùn)及大氣成分傳輸具有重大意義[3-7]。

星載大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)可分為主動(dòng)探測(cè)技術(shù)和被動(dòng)探測(cè)技術(shù)。主動(dòng)探測(cè)技術(shù)主要指探測(cè)過(guò)程中主動(dòng)引入示蹤源或輻射源，通過(guò)探測(cè)示蹤物或回波信號(hào)變化反演大氣運(yùn)動(dòng)速度，如探空氣球、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等[8-12]。被動(dòng)探測(cè)技術(shù)則通過(guò)探測(cè)自然界中客觀存在的示蹤物或輻射源信號(hào)變化反演大氣運(yùn)動(dòng)速度，如云成像儀、風(fēng)場(chǎng)干涉儀等[13-15]。本文對(duì)被動(dòng)光學(xué)遙感中星載風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 風(fēng)場(chǎng)被動(dòng)探測(cè)技術(shù)

干涉光譜技術(shù)是遙感探測(cè)大氣精細(xì)光譜輻射特征的重要手段之一，通過(guò)干涉圖的相位、對(duì)比度、幅值變化測(cè)量大氣中O2，Na，O，O3，OH等粒子譜線的多普勒頻移、展寬和強(qiáng)度變化，進(jìn)而反演出風(fēng)速、溫度、輻射率、粒子流密度等大氣物理參數(shù)。目前大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀主要基于三種原理：法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀、邁克爾遜(Michelson)干涉儀和多普勒差分干涉儀，它們均具高光譜分辨率、高相位靈敏度和高通量的特點(diǎn)。主要的優(yōu)缺點(diǎn)是：Fabry-Perot干涉儀依靠高干涉級(jí)次實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率，干涉圖為典型的多光束等傾干涉圓環(huán)，自由光譜范圍窄，干涉條紋銳利，但其為多光束等傾干涉原理，依賴不同的入射角獲得不同光程差的干涉圖，視場(chǎng)小、通量低，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具平板平面度、平行度和穩(wěn)定性要求極高，另外需要極窄帶濾光片分離單一輻射線，會(huì)降低輻射探測(cè)能力和溫度穩(wěn)定性，這樣就需要加大儀器的口徑予以補(bǔ)償，由此會(huì)面臨大尺寸高效窄帶干涉濾光片和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)具平板研制的難題；Michelson干涉儀需要?jiǎng)隅R移動(dòng)改變光程差，其伺服系統(tǒng)將不可避免地造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，若采用四分區(qū)的辦法雖然可省去動(dòng)鏡掃描，但系統(tǒng)只能對(duì)一條極窄的發(fā)射線探測(cè)，儀器的效率受到限制，且四分區(qū)法只能采集到4個(gè)相位點(diǎn)，數(shù)據(jù)反演精度有限，另外該干涉儀同樣需要極窄帶的濾光片分離單一輻射線，限制儀器的能量利用率；與Fabry-Perot干涉儀和Michelson干涉儀相比，多普勒差分干涉儀的原理是雙光束的等厚空間調(diào)制干涉，對(duì)元件的光學(xué)指標(biāo)要求可放寬，干涉圖的一次采集無(wú)需步進(jìn)掃描，同時(shí)不需要極窄帶寬的濾光片分離單一線光譜，此外還可實(shí)現(xiàn)與測(cè)量同步的定標(biāo)，定標(biāo)光源標(biāo)準(zhǔn)譜線與大氣氣輝譜線同時(shí)引入干涉儀系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉儀的狀態(tài)變化，因此有更高的探測(cè)精度。多普勒差分干涉儀的這些特點(diǎn)極大地提高了系統(tǒng)的能量利用率、穩(wěn)定性和可操作性，非常適于行星大氣風(fēng)場(chǎng)的星載遙感探測(cè)應(yīng)用。

1.1 測(cè)風(fēng)法布里-珀羅干涉儀

星載測(cè)風(fēng)Fabry-Perot干涉儀系統(tǒng)一般由望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直濾光系統(tǒng)、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、成像系統(tǒng)、探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示[16-17]。核心部件Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊相距一定間隔的鍍有內(nèi)反射膜的玻璃平板組成，玻璃平板平面度一般為λ/200量級(jí)，兩平板內(nèi)表面嚴(yán)格平行。此處：λ為工作波長(zhǎng)。Fabry-Perot干涉儀依靠高干涉級(jí)次實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率，干涉圖為典型的多光束等傾干涉圓環(huán)，自由光譜范圍窄，干涉條紋銳利。

測(cè)風(fēng)法布里-珀羅干涉儀通過(guò)干涉條紋位置和輪廓變化反演大氣風(fēng)速和溫度值。對(duì)中心波長(zhǎng)為λ的入射光譜，m級(jí)條紋峰值到干涉環(huán)中心距離為aλ，當(dāng)中心波長(zhǎng)受風(fēng)速影響產(chǎn)生多普勒頻移Δλ時(shí)，對(duì)應(yīng)條紋峰值到條紋中心的距離為aλ+Δλ，則風(fēng)速可表示為

(1)

式中：f為條紋成像系統(tǒng)焦距；c為光速。入射光為準(zhǔn)單色光，具一定譜線展寬，干涉儀的輸出信號(hào)分布不再是理想愛(ài)里函數(shù)，而是愛(ài)里函數(shù)與譜線線型函數(shù)的卷積，即

(2)

(3)

式中：T，T0分別為溫度及其初值；R為響應(yīng)度；d，n為折射率；k為波爾茲曼常數(shù)；M為原子質(zhì)量；m為干涉級(jí)次。通過(guò)測(cè)量各級(jí)次干涉條紋強(qiáng)度可算出大氣溫度。

上述大氣風(fēng)速和溫度計(jì)算方法僅適于理想條件：儀器響應(yīng)為愛(ài)里函數(shù)，輻射線型為Gaussian函數(shù)。但實(shí)際中由于儀器各種缺陷和輻射線型的影響，反演大氣風(fēng)速和溫度需采用特定的復(fù)雜算法。

1.2 廣角邁克爾遜干涉儀

星載測(cè)風(fēng)廣角Michelson干涉儀系統(tǒng)一般由望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直濾光系統(tǒng)、Michelson干涉儀、成像鏡、探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)組成，如圖2所示[18-19]。其核心部件Michelson干涉儀的特點(diǎn)有：一是干涉儀兩臂反射鏡相對(duì)分束元件非對(duì)稱放置，動(dòng)鏡在較大基礎(chǔ)光程差下進(jìn)行掃描，以獲得更高的相位靈敏度；二是為提高干涉儀對(duì)暗弱輻射的探測(cè)靈敏度，在干涉儀兩臂引入玻璃平板實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)展寬。測(cè)風(fēng)廣角Michelson干涉儀的干涉圖為雙光束等傾干涉圓環(huán)。

基于Michelson干涉儀的大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)也是利用大氣成分輻射線的Doppler效應(yīng)，通過(guò)干涉條紋相位和對(duì)比度變化反映譜線頻移和展寬。目前風(fēng)場(chǎng)探測(cè)Michelson干涉儀大多是基于“四步法”探測(cè)原理設(shè)計(jì)：儀器工作在光程差空間，在一定的基準(zhǔn)光程差附近，探測(cè)相位差為π/4的4個(gè)相鄰相位采樣點(diǎn)的干涉強(qiáng)度值，則可計(jì)算出在1個(gè)干涉周期內(nèi)的條紋的對(duì)比度和位相值。從硬件角度來(lái)說(shuō)，干涉儀實(shí)現(xiàn)4個(gè)相位干涉圖采集一般可用以下方案：壓電晶體驅(qū)動(dòng)動(dòng)鏡四步掃描、交替引入相位相差π/4的偏振片、孔徑分為4個(gè)分區(qū)鍍制不同厚度的膜層或放置不同相位偏振片[20-25]。通過(guò)干涉條紋上相位相差π/4的4個(gè)采樣點(diǎn)，可計(jì)算相位和對(duì)比度為

(4)

若大氣多普勒展寬線型函數(shù)為高斯函數(shù)，則

(5)

式中：v為風(fēng)速；T為溫度；Ii為干涉強(qiáng)度(i=0，1，2，3，4)；V為干涉條紋對(duì)比度；φ為相位；φ0為基礎(chǔ)相位；δφ為相位的頻移量；σ0為波數(shù)；Q為譜線特征常數(shù)；Δ為基準(zhǔn)光程差。

其他譜線線型函數(shù)的風(fēng)速和溫度計(jì)算需對(duì)上述公式進(jìn)行特定的復(fù)雜化處理。

1.3 多普勒差分干涉儀

測(cè)風(fēng)多普勒差分干涉儀實(shí)質(zhì)是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的空間外差光譜儀，其基本結(jié)構(gòu)與廣角邁克爾遜干涉儀相似，兩干涉臂相對(duì)分束元件呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，平面反射鏡和玻璃平板分別用閃耀光柵和特定楔角棱鏡替代，實(shí)現(xiàn)雙光束等厚干涉，干涉圖為平行干涉條紋，如圖3所示[26-29]。與Fabry-Perot干涉儀和廣角Michelson干涉儀相比，該技術(shù)有3個(gè)特點(diǎn)：原理是雙光束等厚空間調(diào)制干涉，這放寬了對(duì)元件光學(xué)指標(biāo)的要求，干涉圖一次采集無(wú)需步進(jìn)掃描；依靠干涉圖與光譜圖間的傅里葉變換關(guān)系反演風(fēng)速，不再需要極窄帶寬的濾光片分離單一線光譜；可實(shí)現(xiàn)與測(cè)量同步的定標(biāo)，定標(biāo)光源標(biāo)準(zhǔn)譜線和大氣氣輝譜線同時(shí)引入干涉儀系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉儀狀態(tài)變化，提高測(cè)量精度。上述特點(diǎn)極大地提高了系統(tǒng)的能量利用率、穩(wěn)定性和可操作性，非常適于精細(xì)光譜探測(cè)的星載遙感應(yīng)用。

多普勒差分干涉光譜儀也是通過(guò)干涉條紋相位和對(duì)比度變化反演大氣譜線的多普勒頻移和展寬，進(jìn)而反演大氣風(fēng)速和溫度，但與廣角Michelson干涉儀依靠“四步法”反演風(fēng)速有本質(zhì)不同。多普勒差分干涉儀圍繞基礎(chǔ)光程差同時(shí)采集數(shù)百至上千個(gè)干涉圖采樣點(diǎn)，通過(guò)干涉圖和光譜圖的傅里葉變換關(guān)系，計(jì)算任一采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值和條紋對(duì)比度，有

(6)

2 測(cè)風(fēng)載荷應(yīng)用及研究進(jìn)展

星載風(fēng)場(chǎng)探測(cè)不受地理和氣象條件的限制，可提供全球尺度的空間覆蓋，且可通過(guò)臨邊掃描方式獲得風(fēng)場(chǎng)高度廓線，對(duì)建立全球尺度大氣風(fēng)場(chǎng)模型有重要意義。目前，用于大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的星載干涉儀只有少數(shù)成功應(yīng)用和在軌運(yùn)營(yíng)，基本是由美國(guó)和加拿大研制，見(jiàn)表1。

1969年發(fā)射的OGO-6衛(wèi)星上的Fabry-Perot干涉儀是第一個(gè)星載高層大氣溫度探測(cè)干涉儀，也是唯一一臺(tái)星載球面標(biāo)準(zhǔn)具的Fabry-Perot干涉儀。標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊相距13.2 mm的平凹石英透鏡構(gòu)成，兩個(gè)凹面鍍有多層介質(zhì)反射膜，利用壓電陶瓷改變標(biāo)準(zhǔn)具間隔實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。系統(tǒng)前端安裝掃描平面反射鏡以保證系統(tǒng)光軸始終指向輻射層，探測(cè)器采用光電倍增管，系統(tǒng)每2 d進(jìn)行1次星上定標(biāo)，利用鎘放電燈對(duì)干涉儀進(jìn)行定標(biāo)，光電倍增管的靈

敏度和濾光片的透過(guò)特性利用兩個(gè)鎢燈輻射線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)測(cè)量氧原子557.7，630 nm氣輝發(fā)射線，從譜線線寬反演高度200～300 km范圍的大氣溫度，測(cè)量誤差約15 K，但風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)未見(jiàn)報(bào)道。其代表了星載中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀載荷在軌應(yīng)用的開(kāi)始。

1982年發(fā)射的DE-2衛(wèi)星上的動(dòng)力學(xué)探測(cè)者Fabry-Perot干涉儀(DE-2 FPI)，首次實(shí)現(xiàn)了高層大氣風(fēng)場(chǎng)的星載被動(dòng)光學(xué)探測(cè)[30-31]。DE-2衛(wèi)星應(yīng)用高穩(wěn)定性的單標(biāo)準(zhǔn)具Fabry-Perot干涉儀，觀測(cè)不同正切高度的地球大氣，探測(cè)波段520～770 nm內(nèi)的氣輝特征線，一次光譜和空間掃描數(shù)據(jù)能分辨中層大氣的溫度、風(fēng)速和粒子濃度，最高測(cè)風(fēng)精度約10 m/s。與OGO-6衛(wèi)星Fabry-Perot干涉儀相比，DE FPI的技術(shù)方案和器件工藝有了極大提高。DE-FPI前置望遠(yuǎn)物鏡采用了天空光闌加視場(chǎng)內(nèi)掃描技術(shù)，不再采用前置平面掃描鏡的外掃描技術(shù)，如圖4所示。提出采用六點(diǎn)懸臂梁式結(jié)構(gòu)突破了高穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)具裝夾工藝，如圖5所示[32-33]。DE-FPI探測(cè)器采用成像平面探測(cè)器(IPD)，由12個(gè)等面積陽(yáng)極圓環(huán)接收相等波長(zhǎng)間隔的干涉條紋信號(hào)，如圖6所示[34]。數(shù)據(jù)反演算法采用傅里葉級(jí)數(shù)擬合儀器函數(shù)，通過(guò)局部非線性最小二乘算法和傅里葉分解算法反演大氣溫度、風(fēng)速和輻射率數(shù)據(jù)。

表1 星載測(cè)風(fēng)干涉儀

1983年加拿大約克大學(xué)宇宙空間實(shí)驗(yàn)室成功研制了廣角邁克爾遜多普勒成像干涉儀(WAMDII)[18]。這是用于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的星載邁克爾遜干涉儀的最早雛形，采用動(dòng)鏡四步掃描方法測(cè)量上層大氣發(fā)射譜線多普勒頻移和展寬，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。計(jì)劃在距地335 km處觀測(cè)80～300 km上層大氣的溫度和風(fēng)速，設(shè)計(jì)風(fēng)速測(cè)量精度10～20 m/s。

1991年在URAS衛(wèi)星上搭載了高分辨率多普勒成像儀(HRDI)和風(fēng)場(chǎng)成像干涉儀(WINDII)。HRDI白天測(cè)量同溫層10～40 km、中間層和低熱層50～120 km的風(fēng)場(chǎng)矢量，夜晚測(cè)量低熱層95 km風(fēng)場(chǎng)矢量。WINDII的主要任務(wù)是探測(cè)中高層大氣(80～300 km)風(fēng)速、溫度、壓強(qiáng)、氣輝體發(fā)射率，并研究潮汐風(fēng)場(chǎng)、大行星尺度結(jié)構(gòu)，以及由極光產(chǎn)生的加強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)。URAS衛(wèi)星兩臺(tái)風(fēng)場(chǎng)干涉儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)平流層、中間層和熱層大氣全球水平風(fēng)場(chǎng)和溫度的星載同時(shí)測(cè)量，測(cè)風(fēng)精度最高達(dá)5 m/s。

HRDI是截止目前為止最成功的一臺(tái)星載測(cè)風(fēng)Fabry-Perot干涉儀，多項(xiàng)新技術(shù)在該載荷上首次應(yīng)用，如圖8所示[35]。HRDI的望遠(yuǎn)鏡安裝在UARS衛(wèi)星對(duì)地面兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)軌道兩側(cè)任意高度方位和天頂方向的掃描，望遠(yuǎn)鏡接收到的目標(biāo)光譜輻射通過(guò)光纖束傳輸?shù)礁缮鎯x系統(tǒng)，并將方視場(chǎng)轉(zhuǎn)換成圓視場(chǎng)，光纖隨機(jī)排列以均勻望遠(yuǎn)鏡所成像強(qiáng)度的變化。HRDI由3個(gè)間隔不等的平面標(biāo)準(zhǔn)具串聯(lián)構(gòu)成，高分辨率標(biāo)準(zhǔn)具采用微晶固定間隔厚度，中分辨率和低分辨率標(biāo)準(zhǔn)具利用壓電陶瓷改變間隔厚度，從而整個(gè)干涉儀可實(shí)現(xiàn)透射中心波長(zhǎng)掃描。單標(biāo)準(zhǔn)具的透射函數(shù)周期性不適于擴(kuò)展光譜探測(cè)，因此采用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具降低單標(biāo)準(zhǔn)具的邊帶，再通過(guò)壓 電陶瓷改變標(biāo)準(zhǔn)具的間距對(duì)確定波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，這樣使HRDI能在白天連續(xù)狀況觀測(cè)吸收光譜特性[36-37]。另外，HRDI的溫控作為一種新方法從發(fā)射開(kāi)始驗(yàn)證，最初保持溫度在±1 ℃范圍，新的溫控方法可使溫度變化控制在0.2 ℃，定標(biāo)顯示儀器的靈敏度變化很小，探測(cè)器響應(yīng)沒(méi)有降低，光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率無(wú)變化[38]。

WINDII是第一個(gè)發(fā)射升空的用于上層大氣風(fēng)場(chǎng)被動(dòng)探測(cè)的邁克爾遜干涉儀，如圖9所示[39-41]。其結(jié)構(gòu)與WAMDII基本相似，并做了三個(gè)重要改進(jìn)：一是干涉儀采用楔形設(shè)計(jì)降低由空氣玻璃界面產(chǎn)生的二級(jí)條紋的對(duì)比度，干涉儀的反射鏡和接近掃描鏡的空氣玻璃表面都相對(duì)光軸稍微傾斜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得儀器對(duì)比度可達(dá)0.9；二是采用雙望遠(yuǎn)鏡和視場(chǎng)合成器組成的前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交視場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量；三是通過(guò)遮光罩和孔徑光闌的特殊設(shè)計(jì)在白天遮擋太陽(yáng)散射輻射，使WINDII在白天可探測(cè)氣輝輻射，系統(tǒng)具備全天工作能力。WINDII的干涉儀為實(shí)體結(jié)構(gòu)，六角形分束棱鏡、視場(chǎng)展寬平板和反射鏡膠合成一體，動(dòng)鏡由壓電陶瓷步進(jìn)裝置產(chǎn)生“四強(qiáng)度法”的步進(jìn)光程差，實(shí)現(xiàn)1～2個(gè)條紋的掃描。干涉儀平衡掃描鏡安裝機(jī)構(gòu)與干涉儀其他部分的熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)552～763 nm光譜范圍的大視場(chǎng)和熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)。WINDII采用面陣CCD作為探測(cè)器，測(cè)風(fēng)精度可達(dá)5 m/s。

2001年成功搭載于TIMED衛(wèi)星上的多普勒干涉儀(TIDI)是在DE-FPI，URAS-HRDI成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研制的新一代高分辨率Fabry-Perot干涉儀[42-43]。TIDI由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：4個(gè)相同的望遠(yuǎn)鏡、單標(biāo)準(zhǔn)具Fabry-Perot干涉儀和電控箱，圖10僅給出了2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。TIDI首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)與衛(wèi)星速度方向成±45°和±135°四個(gè)方向的同時(shí)探測(cè)，4個(gè)視場(chǎng)輻射均通過(guò)光纖束光纖隨機(jī)排列實(shí)現(xiàn)空間均勻分布。第五個(gè)視場(chǎng)由定標(biāo)系統(tǒng)引出，與其他視場(chǎng)的光纖束結(jié)合組成同心90°環(huán)楔的輸入視場(chǎng)輪廓，如圖11所示。

TIDI第一次使用環(huán)轉(zhuǎn)線成像光學(xué)系統(tǒng)CLIO和高量子效率低噪聲CCD，如圖12所示。環(huán)轉(zhuǎn)線系統(tǒng)(CLIO)的作用是將同心圓環(huán)干涉條紋轉(zhuǎn)換為楔形條紋，與陣列探測(cè)器探測(cè)匹配，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理方法。

上述光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：一是所有望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)同時(shí)成像到探測(cè)器上，這是重要的多路優(yōu)勢(shì)；二是用CCD提供較IPD更大的收集效率；三是CLIO使CCD有效利用，能實(shí)現(xiàn)片上信號(hào)積分，通過(guò)減小片讀出時(shí)間提高負(fù)載周期，通過(guò)減小讀出數(shù)據(jù)量降低讀出噪聲。TIDI實(shí)現(xiàn)了100%的負(fù)載周期，能在白天、夜間和極光條件下進(jìn)行探測(cè)。最佳觀測(cè)條件下觀測(cè)中間層風(fēng)速測(cè)量精度最高3 m/s，熱層精度15 m/s。TIDI是目前唯一在空間正常運(yùn)行的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的衛(wèi)星設(shè)備。

在WINDII取得成功后，又陸續(xù)出現(xiàn)了多種基于不同使用目的的邁克爾遜風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀，在結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)形式上也有改變和發(fā)展。同樣由加拿大空間署研制的輸運(yùn)研究同溫層風(fēng)場(chǎng)干涉儀(SWIFT)是計(jì)劃裝載在衛(wèi)星上用于同時(shí)探測(cè)全球20～60 km水平風(fēng)速矢量和臭氧濃度的廣角Michelson干涉儀，具備晝夜探測(cè)能力，如圖13所示[44]。設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量精度優(yōu)于5 m/s，臭氧濃度精度可達(dá)5%。先后計(jì)劃搭載在日本GCOM衛(wèi)星和GOSAT衛(wèi)星上，后又計(jì)劃搭載于加拿大航空局2010年發(fā)射的第二代科學(xué)衛(wèi)星CHINOOK上。SWIFT利用兩個(gè)帶寬分別為0.8，2.5 nm的Ge晶片標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)臭氧8.823 μm附近譜線的分離。由于實(shí)現(xiàn)足夠窄帶寬的濾光片分離目標(biāo)輻射線并監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)變化成為項(xiàng)目研制中的主要難題和挑戰(zhàn)，最終導(dǎo)致項(xiàng)目終止。

NASA的MIDEX計(jì)劃中Wave-Michelson干涉儀(WAMI)和加拿大SatSci計(jì)劃中的中間層成像Michelson干涉儀(MIMI)是將邁克爾遜干涉儀中一臂上的反射鏡分為4部分，分別鍍上厚度不同的反射膜，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)探測(cè)4個(gè)不同相位值對(duì)應(yīng)的干涉圖強(qiáng)度[45-46]。這種四分區(qū)鍍膜方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)四相位強(qiáng)度的同時(shí)探測(cè)。上述載荷計(jì)劃中首次提出將多普勒大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)擴(kuò)展到短波紅外區(qū)，以波長(zhǎng)為1.27 μm O2(1Δg)帶紅外波段發(fā)射譜線為探測(cè)源。2002年提出的火星大氣動(dòng)力學(xué)觀測(cè)者(DYNAMO)載荷方案即擬通過(guò)探測(cè)火星大氣中O2(a1Δg) 1.27 μm和O(1S) 557 nm附近發(fā)射譜線反演火星大氣15～40 km和80～180 km高度范圍的風(fēng)速與溫度。儀器方案與WIDII基本相同，作為深空探測(cè)載荷干涉儀采用緊湊設(shè)計(jì)，預(yù)估總質(zhì)量15.3 kg[47]。

2006年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室ENGLERT團(tuán)隊(duì)首次提出多普勒差分干涉光譜技術(shù)概念，該技術(shù)在提出后受到廣泛關(guān)注，在美國(guó)航空航天局(NASA)行星儀器定義和發(fā)展計(jì)劃(PIDDP)資助下，該團(tuán)隊(duì)完成了利用氧原子O(1D) 630 nm紅線探測(cè)上層大氣風(fēng)場(chǎng)的多普勒差分干涉儀(DASH)設(shè)計(jì)，2008年搭建了多普勒差分干涉儀的原理驗(yàn)證裝置。2011年在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和海軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合支持下，開(kāi)始多普勒差分干涉儀星載原型樣機(jī)的研制，報(bào)道了星載多普勒風(fēng)場(chǎng)測(cè)量大氣紅線干涉儀(ARROW)的設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖14所示[48-51]。

約克大學(xué)研制的用于輸運(yùn)研究的同溫層風(fēng)場(chǎng)干涉儀(SWIFT)，最初采用與WINDII相同的廣角邁克爾遜干涉儀原理，2013年該項(xiàng)目組報(bào)道了改用多普勒差分干涉光譜技術(shù)方案研制的SWIFT-DASH原理樣機(jī)(如圖15所示)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。SWIFT-DASH可同時(shí)測(cè)量同溫層風(fēng)場(chǎng)和臭氧濃度，仿真分析星載數(shù)據(jù)反演20～55 km臭氧精度達(dá)10%，24～60 km風(fēng)場(chǎng)反演精度達(dá)3 m/s[52]。

2013年基于多普勒差分干涉光譜技術(shù)原理的全球高分辨率熱層成像邁克爾遜干涉儀(MIGHTI)成為NASA電離層連接探測(cè)項(xiàng)目(ICON)中的載荷之一。ICON任務(wù)將利用低地球軌道衛(wèi)星上的一系列載荷進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)地球電離層的極端變化(如圖16所示)。MIGHTI將用于測(cè)量無(wú)法進(jìn)行原位探測(cè)高度范圍內(nèi)的中性風(fēng)場(chǎng)和溫度的全球分布。利用557.7，630 nm氧原子綠線和紅線多普勒頻移測(cè)量風(fēng)速，利用762 nm附近的氧氣A-band帶的線型測(cè)量大氣溫度[53]。MIGHTI載荷由兩臺(tái)相同的正交安裝的寬譜段多普勒差分干涉儀組成，每臺(tái)干涉儀具備沿臨邊高度方向成像能力，覆蓋高度80～300 km，衛(wèi)星計(jì)劃于2017年發(fā)射。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析與展望

Fabry-Perot干涉儀適應(yīng)星載應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)已經(jīng)成熟，并根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)采用單標(biāo)準(zhǔn)具或串聯(lián)多標(biāo)準(zhǔn)具；Michelson干涉儀也出現(xiàn)壓電晶體掃描、四分區(qū)鍍膜、旋轉(zhuǎn)偏振片等多種“四步法”實(shí)施方案；多普勒差分干涉儀則是從原理上的技術(shù)革新。從儀器研制角度講，星載測(cè)風(fēng)干涉儀探測(cè)模式由單視場(chǎng)發(fā)展到雙視場(chǎng)、四視場(chǎng)臨邊掃描，將二維空間轉(zhuǎn)臺(tái)、光纖視場(chǎng)合成技術(shù)用于望遠(yuǎn)鏡掃描系統(tǒng)。探測(cè)器由光電倍增管、成像平面探測(cè)器IPD發(fā)展到采用面陣CCD，使探測(cè)方式由單通道掃描發(fā)展到多通道探測(cè)，能量利用率大幅提高。窄帶濾光片工藝水平的進(jìn)步使干涉儀穩(wěn)定性和空間適應(yīng)性得到提升。

在探測(cè)能力方面，由探測(cè)主要粒子二三條明亮輻射線發(fā)展到利用吸收譜線反演風(fēng)速和溫度，并利用可見(jiàn)到近紅外甚至長(zhǎng)波紅外譜段的多種粒子譜線探測(cè)不同時(shí)空分布的大氣風(fēng)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)100%負(fù)載周期的全天候探測(cè)，探測(cè)覆蓋高度10～300 km，包括平流層、中間層、低熱層的廣闊高度范圍內(nèi)的大部分區(qū)域，并提出地外行星大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)計(jì)劃，風(fēng)速測(cè)量精度最高已達(dá)3 m/s。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，由反演風(fēng)速、溫度和輻射率數(shù)據(jù)發(fā)展到探測(cè)重力波、成分密度、氣輝和極光發(fā)射率、夜光云和離子流密度等動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，大氣有效反射率、氣溶膠相位函數(shù)和散射系數(shù)也能確定。測(cè)風(fēng)干涉儀的發(fā)展趨勢(shì)如圖17所示。

星載測(cè)風(fēng)干涉光譜技術(shù)經(jīng)過(guò)五十多年的研究和應(yīng)用，為大氣科學(xué)、空間物理學(xué)研究提供了大量全球尺度風(fēng)場(chǎng)和溫度的長(zhǎng)周期觀測(cè)數(shù)據(jù)，使對(duì)地球大氣的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性的理解更全面，對(duì)推動(dòng)空間天氣預(yù)報(bào)、描繪大氣動(dòng)態(tài)狀況、研究大氣成分變化及上下層大氣間動(dòng)量和能量輸運(yùn)起到了極為重要的作用。目前，國(guó)際上仍不斷將地球和行星大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)列入探測(cè)計(jì)劃。隨著新技術(shù)涌現(xiàn)和器件、工藝水平進(jìn)步，星載大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀的探測(cè)能力將進(jìn)一步提高。

總體而言，獲得全球尺度中高層大氣風(fēng)場(chǎng)(10～100 m/s)觀測(cè)數(shù)據(jù)，揭示其基本規(guī)律及其變化、建立預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)模型，對(duì)航天安全、空天飛行器操控、臨近空間平臺(tái)投放、空間通信有重要應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)際上采用超高光譜分辨率干涉儀進(jìn)行被動(dòng)光學(xué)臨邊觀測(cè)是獲取全球尺度中高層大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的主要手段。國(guó)內(nèi)高精度測(cè)風(fēng)干涉光譜技術(shù)研究起步晚，與國(guó)外的差距大，限于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的工藝水平，中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多仍為理論研究，地基風(fēng)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器和研究用測(cè)風(fēng)干涉儀核心部件仍依賴進(jìn)口，更重要的是星載測(cè)風(fēng)干涉光譜儀器至今仍屬空白?？臻g物理研究者多用國(guó)外數(shù)據(jù)進(jìn)行中高層大氣物理研究，全球尺度中高層大氣自主研究受到極大限制，也阻礙了我國(guó)航天能力和國(guó)防實(shí)力的提高。國(guó)內(nèi)尚不具備進(jìn)行全球尺度中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)能力，星載中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀器仍是空白，急需開(kāi)展中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)和載荷研究工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

中高層大氣與人類的生存和發(fā)展密切相關(guān)，與全球的氣候和環(huán)境變化密切相連，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)與研究是當(dāng)今世界各航天大國(guó)所面臨的共同挑戰(zhàn)。本文綜述了星載大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉光譜技術(shù)研究進(jìn)展，展望技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，希望對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)星載遙感探測(cè)技術(shù)研究有一定借鑒作用。所有的這些研究活動(dòng)還正在不斷繼續(xù)，相信隨著新設(shè)備、新技術(shù)和工藝的發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)對(duì)我國(guó)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的研究會(huì)有更大的推動(dòng)作用。

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Development of Interferometric Spectroscopy for Atmosphere Wind Observations Based on Satellite

FENG Yu-tao1, LI Juan1, ZHAO Zheng-liang2, YUAN Xiao-bin1, YU Tao3, FU Jian-guo4,WU Kui-jun5, HAO Xiong-bo1, FU Di1, SUN Jian1, WANG Shuang1

(1. Key Laboratory of Spectral Imaging Technology of Chinese Academy of Sciences, Xi’an Institute of Optics Precision Mechanic, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, Shaanxi, China; 2. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China; 3. Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geoscience, Wuhan 430074, Hubei, China; 4. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 5. Wuhan Institute of Physics and Mathematics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, Hubei, China)

The development of passive optical remote sensing of atmospheric wind observation from satellite in abroad was reviewed in this paper. The Fabry-Perot interferometer, Michelson interferometer and Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer were described and so were the basic theories of three type interferometers. The single field of view was developed to dual field of view and quarter view of field. The characteristics and limitations of the three types interferometers were compared. The feature, performance and application of Wind Imaging Interferometer (WAMDII), High Resolution Doppler Imager (HRDI) and TIMED Doppler Interferometer (TIDI) in abroad were introduced. The key technologies of two-dimension space turntable, synthetic technology of fiber field of view and technique of the narrow band filter in development were analyzed. The progress of improving wind measuring accuracy, and enlarging detection scope and field of view in performance were summarized. And so were the transfer from the retrieval of wind velocity, temperature and radiant emissivity to the detection of dynamics and thermodynamics (such as gravity wave, composition density, airglow and aurora emissivity, noctilucent clouds, and ion flow density), atmospheric effective reflectivity, and phase function and scattering coefficient of aerosol. The development trend of the technology was prospected at last.

space environment; Doppler effect; atmosphere wind; space-borne interferometer; passive remote sensing; Fabry-Perot interferometer; Michelson interferometer; Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

1006-1630(2017)03-0014-13

2016-12-19；

2017-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(41005019)；“西部青年學(xué)者”人才基金資助(XAB 2016A07)

馮玉濤(1980—)，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員，主要從事光譜成像及精細(xì)光譜探測(cè)技術(shù)研究。

O439

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.002