[发明专利]一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法

说明书

本发明提出一种大气风场、温度场及臭氧浓度的多普勒差分探测方法，利用氧分子a¹Δ_g→X³Σ_g跃迁的^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)强线组合或^PQ(19)、^OQ(11)、^PP(19)弱线组合为多普勒差分干涉仪的观测目标源，得到包含三种不同空间频率和强度的复合叠加干涉图，每条谱线的中心波长和谱线强度与组成复合叠加干涉图的一种单频干涉图的空间频率和强度一一对应；对复合叠加干涉图进行傅里叶变换得到三条目标谱线的复数复原光谱；基于三条目标谱线的复数复原光谱，分别计算得到风场、温度场和臭氧浓度。该方法降低了仪器滤光系统的研制难度又能够提高系统的稳定性，探测效率高，其中温度场探测不需要绝对辐射定标。

技术领域

本发明涉及一种测量大气风场、温度场及臭氧浓度的方法。

背景技术

干涉光谱技术是遥感探测大气成分精细光谱特征的重要手段之一，其以特定大气成分的精细光谱为观测目标，利用采集到的干涉图可以反演出谱线的多普勒频移、多普勒展宽、相对或绝对强度等信息，进而可实现对大气风场、温度场和特定成分浓度的测量。

中间层大气风场、温度场及臭氧浓度的传统干涉测量方法是基于广角迈克尔逊(Michelson)干涉仪原理的“四步法”^[1]。广角迈克尔逊干涉仪以O₂¹Δ(0,0)的^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)和^PQ(19)、^OP(11)、^PP(19)六条谱线为观测目标，对每条谱线采集四幅相位相差π/2的干涉图，则可以计算出每条谱线中心波长的多普勒频移和谱线强度，进而获得大气运动速度和臭氧浓度，再通过^RQ(9)、^SR(3)、^RR(9)或^PQ(19)、^OP(11)、^PP(19)两组内三条谱线之间相对强度的变化得到大气温度。由于广角迈克尔逊干涉仪对目标谱线只采集四个相位点的干涉图，远不能满足复原光谱的采样要求，所以每条目标谱线都需要利用极窄带宽(～0.1nm)的滤光片分离出来单独观测。上述探测方法存在以下不足：第一，极窄带宽(～0.1nm)滤光片的研制和热稳定性控制工艺难度大；第二，系统绝对辐射定标精度要求高；第三，星载观测情况下，各条谱线观测数据来自不同大气区域，导致温度反演精度不高。

多普勒差分干涉光谱技术是一种空间调制型干涉光谱技术，其对目标谱线的干涉图采样满足采样定理，依据傅里叶变换光谱学原理能够得到目标谱线的复原光谱^[2]。

多普勒差分干涉仪是一种具有一定基础光程差的傅里叶变换型光谱仪，其干涉图表达式为：

式中，I(x)光程差采样点x对应的干涉图强度，为B(σ)为入射到干涉仪系统中的大气成分气辉光谱辐射信号，通常为一定背景强度下的一条或几条分立谱线组成，各谱线波数为σ，σ_L为仪器参数决定的差分波数，θ_L为干涉仪光栅Littrow角，OPD₀为基础光程差。