[发明专利]一种地基F-P测风干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及风场测量技术领域，尤其涉及一种地基F-P测风干涉仪。

背景技术

地基F-P(Fabry-Perot)测风干涉仪是一款利用多普勒频移原理测量中高层大气风场的仪器。中高层大气风场是空间环境非常重要的指标参数，可以用于研究地球热层空气动力学特性，风场中的各类波动(潮汐波、行星波和重力波等)在大气能量和动量传输中扮演重要角色,广泛地影响着大气环流形式和大气结构的变化。由于Fabry-Perot测风干涉仪的光谱分辨率高，结构简单，探测距离远，所以在中高层大气测风领域得到了广泛的应用。

国外对地基F-P测风干涉仪的研究可追述到上世纪60年代。受当时的探测器类型限制，其关键元件标准具采用了压电陶瓷控制间隔。这种结构能够采集的干涉环个数少，所以探测精度低，并且可动部件降低了仪器的稳定性。随着探测技术的发展，制冷型二维CCD探测器的出现使系统结构简化，无需采用可调间隔的标准具就可以在像面处观察到干涉环。1993年美国匹兹堡大学研制了一款广角式地基F-P测风干涉仪，通过160°广角镜头探测多个方位的风速。采用广角式结构，干涉环为椭球形状，不利于后期的数据处理。2003年日本名古屋大学研制了一款扫描式F-P测风干涉仪。通过扫描空间不同方位，合成中高层大气风速。这种扫描式的结构虽然增加了运动部件，但扫描机构技术成熟，不会影响仪器稳定性。扫描式F-P干涉仪的干涉环为圆形，通过圆环积分和高斯拟合可以极大的提高信噪比和采样精度，进而提高测风精度，因而这种方式也是目前国际上采用较多的方式。2004年美国国家大气研究中心高海拔天文观测站也研制了一款扫描式F-P测风干涉仪，该仪器在前置光学系统做了改变，通过先缩束后扩束的方式来缩小滤光片尺寸。

目前地基F-P测风干涉仪按观察方式可分为两类：广角式和扫描式。广角式可利用广角透镜对全天空进行观察，其结构简单；但广角式产生的干涉环为椭圆形，不利于后期数据的拟合和积分，数据处理复杂。扫描式采用二维扫描镜分别对四个方位和天顶角进行观察。扫描式F-P干涉仪的优点是干涉环为圆形，数据拟合和积分简单，因而简化了数据处理的方法，增加了测量精度。目前报道较多的F-P干涉仪都为扫描式结构，其光学结构主要有以下三种：

第一种地基F-P测风干涉仪，如图1所示，其包括二维扫描反射镜1、滤光片轮5、望远物镜9、准直透镜10、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。望远物镜9将探测目标成像到像面处，然后经准直透镜10准直后产生平行光束。望远物镜9采用短焦距、大相对口径的结构，因而可以在前面放置小口径的滤光片轮5，实现多通道探测。该干涉仪的不足之处在于整体尺寸较大。

第二种地基F-P测风干涉仪，如图2所示，其结构包括二维扫描反射镜1、散射箱3、激光器11、缩束系统6、扩束系统7、滤光片轮5、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。该干涉仪增加了缩束系统6与扩束系统7，在两者之间放置滤光片轮5，可探测多个通道。由于缩小了光束尺寸，所以滤光片的口径不大，降低了成本。其定标方式与第一种地基F-P测风干涉仪相同。第二种地基F-P测风干涉仪的优点是仪器灵活性较大，可以探测多个波长，缺点是仪器整体尺寸较长，体积较大。

第三种地基F-P测风干涉仪，如图3所示，其结构包括二维扫描反射镜1、散射箱3、激光器11、滤波片轮5、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。其不存在望远物镜以及准直系统，所以整体结构简单紧凑，成本较低，所以适合多点布置，构建网络监控。但是该干涉仪只适合于单波长探测，信噪比的提高也受到滤光片口径的限制；若用于多波长探测，会导致滤光片轮尺寸变大，从而使制作成本上升。

上述三种结构的干涉仪，其中，第一种和第二种干涉仪适合多谱段探测，而第三种干涉仪适合单谱段探测。采用多个谱段的探测可以得到大气不同高度的风场信息。目前，在100km高度以下的大气风场，可以通过激光雷达和微波雷达测量。这类主动式探测方式信噪比高于地基F-P测风干涉仪。但是当探测高度大于100km时，由于大气密度降低，信号不能被反射回地面，因而无法测量。所以针对100km以上的高度还未有其他设备可替代地基F-P测风干涉仪。

上述第三种干涉仪虽然可用于单谱段探测，但其增大信噪比的方式为缩小焦距增大相对孔径，这样会导致干涉条纹个数增加。当干涉条纹个数增多时，边缘视场的干涉环半高宽将变窄，由于采样精度要求高，导致高斯拟合的精度降低，不利于干涉环的定位。而通过增大标准具口径来增大信噪比，需要大口径的滤光片，这类滤光片制作难度大，且增加了制作成本。

发明内容