多普勒差分干涉光谱仪风速反演技术研究

发布时间：2020-05-04 12:03

【摘要】：中高层大气是空间天气学和空间环境学的重要研究领域,同时也是最有应用价值的太空科学研究领域,由于大气风场是描述大气行为的重要的参数之一,因此,大气风场的探测是研究大气科学的重要手段。多普勒差分干涉光谱技术作为一种新型的大气风场探测技术,不仅可以实现大气痕量气体精细谱线风速相位的高精度反演,而且计算量较小,复原反演的精确度较高。在利用多普勒差分干涉光谱技术反演大气风速的过程中,对多普勒差分干涉光谱仪获取到的包含有风速相位信息的干涉图进行反演和重构,是准确获得大气风场反演数据的重要组成部分。本论文针对目前应用于大气风场探测的多普勒差分干涉光谱技术中一些基础问题展开研究。论文的主要研究内容及研究成果包括:简要介绍了中高层大气风场探测的研究形势及其重要性,以及国内外一些已有的大气风场探测方法,多普勒差分干涉光谱技术用于大气风场探测的优势,及其在本研究领域的发展现状与趋势;研究了多普勒差分干涉光谱仪的系统结构和干涉原理,分析了大气风场探测目标源气辉的特性,并基于谱线的多普勒效应研究了多普勒差分干涉光谱仪用于大气风场探测的基本原理,介绍了多普勒差分干涉光谱仪用于地基大气风场探测的观测模式;基于目标谱线的特性,设计了多普勒差分干涉光谱仪的系统参数,研究了多普勒差分干涉光谱仪的大气风速反演算法,并基于Matlab平台进行了风速反演的验证,研究了多普勒差分干涉光谱仪的干涉图信噪比分析计算方法,并基于系统参数,模拟计算了多普勒差分干涉光谱仪的干涉图信噪比。模拟理想无噪声影响情况下的风速值,对整个数据处理过程进行验证,反演风速的标准差可达0.31 m/s,由全天空630nm谱段的气辉亮度最大值的平均值,模拟算得多普勒差分干涉光谱仪的平均干涉图信噪比约为80倍左右;研究了去低频基线的基本原理,分别分析了不同去除低频基线方法的原理和特性,研究了理想无噪声影响干涉图和在高斯白噪声影响下的干涉图的去低频基线处理方法,分析了使用不同类型去除低频基线方法的优化处理结果,得到了一阶差分滤波法为最优的去低频基线的方法,相同情况下相比于其他方法,它的风速反演结果更精确。对于信噪比分别为20倍到180倍的干涉图,对比每种方法的风速反演结果,一阶差分滤波法均可以比其他方法精确约0.2 m/s以上;研究了切趾的基本原理,分别分析了不同切趾函数的特性,研究了理想无噪声影响干涉图和在高斯白噪声影响下的干涉图的切趾过程,分析了使用不同类型切趾方法的优化处理结果,得出了应用于大气风场探测时,干涉图受到噪声影响的情况下,使用汉宁窗、汉明窗和三角窗切趾函数处理的反演风速值更稳定,更适合于多普勒差分干涉光谱仪的风速反演,特别是干涉图信噪比较低的情况下,复原反演的精度更高。对于信噪比为20倍的干涉图,对比每种方法的风速反演结果,使用汉宁窗、汉明窗和三角窗进行切趾处理的反演风速标准差可以比其他切趾函数的标准差精确约0.2 m/s;针对高斯白噪声影响下的不同信噪比的干涉图,使用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同单一谱线提取算法的优化反演结果进行分析,得到了线宽为7-12倍光谱分辨率的矩形窗函数是最优的窗函数优化方式。对于信噪比分别为20倍到180倍的干涉图,对比每种方法的风速反演结果,7-12倍光谱分辨率的矩形窗的单一谱线提取平均比其他两种单一谱线提取函数的标准差精确约1 m/s-2 m/s;对于信噪比为80倍的干涉图,线宽为8倍光谱分辨率的矩形窗的反演风速的标准差为7.6586 m/s,可以复原相位信息,反演出大气风速的近似值。
【图文】：

(Michelson)干涉技术和多普勒差分干涉光谱技术 DASH(Doppler AsymmetriSpatial Heterodyne Spectroscopy)来实现地面或星载探测平台上的被动大气风场测量[8]。法布里-珀罗干涉风场探测技术对小视场范围成像，依靠不同的入射角来获得不同光程差的干涉图，再通过对干涉条纹圆心和半径的精确测量来反演风速它没有运动部件，保证了较高的可靠性[8][9][16]。由于法布里-珀罗干涉仪的基本原理是光的多光束干涉，可以产生对比度极高的干涉条纹，因此有利于精细光谱的探测及研究；但是由于其自身特点，法布里-珀罗干涉仪的视场难以展宽大视场难以实现，并且它对工作环境温度要求严格，加工装调也最为困难。典型的用于大气风场探测的法布里-珀罗干涉仪有美国 1982 年搭载在 DE-卫星上的 DE-FPI，它是第一个基于高分辨率的干涉型光谱仪来对大气风速进行探测的仪器，还有美国 1991 年搭载在 URAS 卫星上的 HRDI 等。如图 1.1 所示是 HRDI 光学结构图[13][14]。

第一章 绪论制度和相位值来反演风场信息[18][19]。它最大的优点是光程差容易控制，但需要动镜的移动来改变光程差，将不可避免地造成系统的不稳定，同时为了获得大的光程差也会增加仪器的体积和重量等。典型的用于大气风场探测的迈克尔逊干涉仪有加拿大 1983 年研制的WAMDII，，美国 1991 年搭载在 URAS 卫星上的 WINDII 等[15]。如图 1.2 所示是WINDII 的光学结构图。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P351

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张敏娟;毕满清;郝骞;王志斌;李珊;;弹光调制干涉图的预处理及相位校正方法[J];红外与激光工程;2017年04期

2 葛锦蔓;苏俊宏;;干涉图的预处理技术研究[J];应用光学;2009年06期

3 张圣华,张晓辉,韩昌元;中心遮拦干涉图的处理[J];光学学报;1998年10期

4 夏亮;李全臣;;干涉图的数据采集和处理[J];光谱仪器与分析;1998年03期

5 杨仕润,俞刚;干涉图计算机处理[J];量子电子学;1990年01期

6 刘书钢,徐晓峰;剪切干涉图处理[J];光学学报;1986年11期

7 陈进榜;李萌;;干涉图的波面拟合与分析[J];光学仪器;1987年06期

8 孙启明;;差分干涉图计算方法研究[J];空气动力学学报;1987年02期

9 王义明;邱耀辉;吕瑞宁;钱苹;;三对双星的斑点干涉术观测[J];天文学报;1987年04期

10 范世福,徐晓初;傅里叶变换光谱学相位校正的新方法[J];光学学报;1988年09期

相关会议论文 前10条

1 杨仕润;俞刚;;干涉图计算机处理[A];第四届全国基础光学学术报告会论文集[C];1989年

2 葛锦蔓;苏俊宏;;干涉图处理技术在膜厚测量中的应用[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集（上册）[C];2009年

3 黄菁;朱日宏;陈磊;;高精度单幅干涉图处理方法[A];第十一届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2006年

4 何勇;王青;吴仁安;;干涉图条纹的全自动处理[A];第九届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2001年

5 王青;何勇;吴仁安;;干涉图组合测试中的空间关系[A];第九届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2001年

6 史宁煜;姚q;;傅里叶变换法干涉图的相位读取[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年

7 徐建程;许乔;柴立群;邓燕;;载波傅立叶分析法中干涉图的预处理技术研究[A];第十届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2004年

8 曾琪明;;关于INSAR处理中去平问题的探讨[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年

9 李爱民;陶纯堪;卞松玲;王家旺;;用于相关滤波的二元计算干涉图的载频分析[A];第四届全国光电技术与系统学术会议论文集[C];1991年

10 宋芳;;InSAR中基于干涉图质量的枝切法的相位展开[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年

相关重要报纸文章 前1条

1 常丽君;日合成首张500千兆赫天文干涉图[N];科技日报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 张秋坤;基于双分光镜的全深光学相干层析系统及其应用研究[D];福州大学;2017年

2 武楠;干涉合成孔径雷达信号处理技术研究[D];西安电子科技大学;2007年

3 查显杰;InSAR形变测量及其在地震学中应用的研究[D];中国科学技术大学;2007年

4 吕群波;干涉光谱成像数据处理技术[D];中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）;2007年

5 靳国旺;InSAR获取高精度DEM关键处理技术研究[D];解放军信息工程大学;2007年

6 王海英;大规模红外干涉信号并行获取技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

7 蔡国林;星载InSAR数据处理中的几个关键问题研究[D];西南交通大学;2009年

8 刘乾;抗振动移相干涉测量算法与实验研究[D];中国工程物理研究院;2015年

9 苏志德;高精度干涉测量随机移相技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

10 蒋廷臣;星载宽幅合成孔径雷达干涉测量形变监测理论与应用研究[D];武汉大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 王宝行;多基线SAR干涉图滤波技术研究[D];长安大学;2018年

2 刘奇;星载SAR顺轨干涉测海表层流场技术研究[D];国防科学技术大学;2016年

3 刘飞;基于Sentinel-1连续干涉像对的形变解算算法[D];武汉大学;2018年

4 陈洁婧;多普勒差分干涉光谱仪风速反演技术研究[D];中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所);2017年

5 王思雨;多通道干涉SAR高程重建方法研究[D];长沙理工大学;2018年

6 刘琦;星载极化干涉SAR森林冠层高度反演研究[D];西南林业大学;2017年

7 咸飞;多干涉图组合测试中的空间一致性研究[D];南京理工大学;2009年

8 杨露;干涉成像光谱技术中干涉图处理的研究[D];南京理工大学;2007年

9 卫韦;激光波面径向剪切干涉图处理技术研究[D];西安工业大学;2014年

10 刘向国;基于DSP的数字波面干涉图的预处理技术研究[D];南京理工大学;2007年

本文编号：2648513