基于Fabry-Perot干涉仪全干涉圆环和非全干涉圆环进行中高层大气风场和温度的反演研究

发布时间：2019-09-13 01:51

【摘要】：目前,法布里-帕罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)被广泛的应用于中高层大气风场和温度的观测研究。对于FPI观测,目前国际上开展了一些相关的风速和温度反演算法的研究,而我国对FPI进行风速和温度反演算法的研究则相对较少,尤其是针对FPI非全干涉圆环的算法研究。为了对本论文中的算法进行验证,因此基于的FPI均需具有成熟的风速和温度产品,因此本文基于中国科学院国家空间科学中心兴隆FPI(40.40°N,117.59°E)和中国气象局国家卫星气象中心岢岚FPI(38.71°N,111.58°E)地基观测数据,对FPI的全干涉圆环和非全干涉圆环两种数据形式进行风场和温度反演方法的研究,论文的主要研究内容和创新点包括以下几个方面:(1)基于“数据处理法”进行了地基FPI全干涉圆环中高层大气风速的反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径峰值拟合和风速计算。兴隆FPI8天数据的风速平均反演偏差分别为7.7 m/s(892.0 nm气辉)、5.5 m/s(630.0nm气辉)和2.7 m/s(557.7 nm气辉),而岢岚FPI 28天数据的风速平均反演偏差分别为5.7 m/s(892.0 nm气辉)、6.18 m/s(630.0 nm气辉)和3.66 m/s(557.7nm气辉)。此外,本文首次基于“数据处理法”对数据处理中影响风速反演精度的因素进行了具体分析,包括气辉辐射强度、圆心确定及焦距等。在影响因素分析的基础上,对FPI自身反演误差的新方法进行了研究,风速误差的计算主要包含两方面:半径拟合误差和多环间的标准差,其中半径拟合误差又包括拟合的随机误差及信噪比引起的误差。(2)基于艾里函数方法建立了FPI风速和温度正演模型,基于正演模型对激光定标数据进行模拟获得FPI仪器函数,进而进行FPI全干涉圆环的大气风速和温度的反演研究。为了获得准确且稳定的反演结果,我们创新性的利用迭代法首先对风速进行反演计算,然后再分别进行气辉强度和背景噪声计算,最后进行温度的反演。为了验证该算法,我们将反演结果与FPI产品结果进行了比较,557.7 nm气辉的风速平均反演偏差为1.44 m/s,630.0 nm气辉的风速平均反演偏差为5.89 m/s,而892.0 nm气辉的风速平均反演偏差为10.8 m/s。同时,对温度反演结果进行了比较分析,892.0 nm气辉、630.0 nm气辉和557.7nm气辉相对反演偏差却非常接近,分别为8.43%、9.67%和7.45%。(3)基于FPI非全干涉圆环进行了中高层大气风场反演方法的研究。基于Taubin算法获得FPI非全干涉圆环的圆心,然后引入圆周积分进而进行半径拟合计算,最后进行风速反演。这种方法实现了弱气辉(或较大噪声)时非全干涉圆环风速的计算,目的是为地基FPI多个方向的同时观测提供准确的理论反演方法,最终使地基FPI观测时间分辨率提高数倍(4~5倍)。为了验证算法,我们利用28天的地基FPI(岢岚)气辉观测数据进行了反演研究,包括892.0 nm、630.0 nm和557.7 nm气辉数据。将地基FPI反演结果与全干涉圆环的风速结果进行了比较和分析,三种气辉的平均反演偏差分别为5.38 m/s、5.81 m/s和3.03 m/s,反演偏差的标准差分别为8.15 m/s、8.56 m/s和4.58 m/s。此外,将兴隆地基FPI非全干涉圆环和全干涉圆环的风速结果与十三陵站点(40.3°N,116.2°E)的流星雷达风速数据也进行了比较分析,风速变化趋势一致。
【图文】：

图 1.1 Michelson 干涉仪光路示意图Michelson 干涉仪用于风场和温度的探测是基于相位移动和调制度的变化。其在一定的基准光程差上，采用四步法依次探测相邻相位相差 π/2 的干涉值，获得在一个干涉周期内的条纹的调制度和相位信息。Michelson 干涉仪过移动的反射镜来实现四次相位的获取的，其光路图如图 1.1 所示。图 1.1 中镜每移动一次，可取一次强度计数值，连续依次移动四次并取样四次，即可得到风速和温度。由于 Michelson 采用的是动镜扫描依次取样的方式，因此以容易的实现视场展宽，且反演算法相对简单。但 Michelson 干涉仪也存在缺点，如①系统需依次采样四次进行风速反演，不能同时采集，因此系统误可避免；②动镜扫描采用压电陶瓷驱动、电容反馈回路监控的方案，但由于晶体的非线性，扫描的步进精度仍需精密控制，抗震性能较差；③由于动镜距离为 λ/4，因此控制精度和加工要求都非常高。

图 1.2 非对称空间外差干涉仪 DASH 光路示意图FPI 具有高灵敏度、高光谱分辨率以及结构简单等优点。相对于 Michelson干涉仪，FPI 在光路上不需要高精度的移动部件, 属于静态干涉成像光谱技术，因此其稳定性较高，抗震干扰能力也相对较强, 具有较高的信噪比和探测灵敏度(图 1.3)。因此，FPI 被广泛的应用于中高层大气风速和温度的地基和星上测量。
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P412.2

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本文编号：2535495