首页 > 论文 > 光学学报 > 37卷 > 4期(pp:430003--1)

测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正

Absolute Phase Drift Analysis and Correction of Asymmetric Spatial Heterodyne Interferometer for Wind Detection

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移,进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小,而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同,除受扩视场棱镜和光栅影响之外,用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移,分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上,提出了一种绝对相位漂移校正方法,通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离,校正温度引起的绝对相位漂移,从而准确反演风速。结果表明,仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5 m/s,与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。

Abstract

A Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer can be used to detect Doppler frequency shift of airglow spectrum lines of the O2 band, and thus the wind speed in the high-level atmosphere can be retrieved. The absolute phase frequency shift of interference fringes caused by wind speed is small, and the absolute phase drift caused by system error has significant influence on the wind retrieval precision. Different with the single arm interferometer, the dual-arm interferometer has the absolute phase of its interferograms affected not only by the field-widened prisms and gratings, but also by the thermal expansion of spacers used to produce optical path difference. Therefore, the absolute phase drifts at different temperatures are measured experimentally and simulated numerically, and the reason of absolute phase drift is analyzed. Based on this, a absolute phase drift correction method is proposed. The distance between two linear phase fitting curves under the conditions of zero wind speed and a given wind speed is calculated, the temperature dependent absolute phase drift is corrected, and the wind speed is retrieved accurately. Results show that the measured phase drift fits well with the simulated phase drift. After the absolute phase drift correction, the retrieved wind speed error is 3.5 m/s, which is greatly improved compared with the result before absolute phase drift correction.

投稿润色
补充资料

中图分类号:O433.4

DOI:10.3788/aos201737.0430003

所属栏目:光谱学

基金项目:中科院创新基金(CXJJ-14-S91),xx-5卫星数据模拟技术项目(50-Y20A38-0509-15/16)

收稿日期:2016-11-08

修改稿日期:2016-12-29

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

沈静:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
熊伟:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
施海亮:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
罗海燕:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
李志伟:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
胡广骁:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
方雪静:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
徐标:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031

联系人作者:沈静(xingyang_jing@163.com)

备注:沈静(1988|-),女,博士研究生,主要从事中高层大气风场探测技术方面的研究。

【1】Shepherd G G, Thuillier G, Gault W A, et al. WINDII, the wind imaging interferometer on the upper atmosphere research satellite[J]. J Geophys Res, 1993, 98(D6): 10725-10750.

【2】Hays P B, Abreu V J, Dobbs M E, et al. The high-resolution Doppler imager on the upper atmosphere research satellite[J]. J Geophys Res, 1993, 98(D6): 10713-10723.

【3】Killeen T L, Skinner W R, Johnson R M, et al. TIMED Doppler interferometer (TIDI)[C]. SPIE, 1999, 3756: 289-303.

【4】Mclandress C, Shepherd G G, Solheim B H, et al. Combined mesosphere/thermosphere winds using WINDII and HRDI data from the upper atmosphere research satellite[J]. J Geophys Res, 1996, 1011(D6): 10441-10454.

【5】Wang Yingjian, Wang Yongmei, Wang Houmao. Simulation of ground-based Fabry-Perot interferometer for the measurement of upper atmospheric winds[J]. Chinese J Geophysics, 2014, 57(6): 1732-1739.
王英鉴, 王咏梅, 王后茂. 高层大气测风用地基F-P干涉仪的数值模拟[J]. 地球物理学报, 2014, 57(6): 1732-1739.

【6】Englert C R, Harlander J M, Babcock D D, et al. Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy (DASH): An innovative concept for measuring winds in planetary atmospheres[C]. SPIE, 2006, 6303: 63030T.

【7】Englert C R, Harlander J M, Emmert J T, et al. Initial ground-based thermospheric wind measurements using Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy (DASH)[J]. Optics Express, 2010, 18(26): 27416-27430.

【8】Englert C R, Harlander J M, Brown M, et al. MIGHTI: The spatial heterodyne instrument for thermospheric wind measurements on board the ICON mission[C]. Conference on Fourier Transform Spectroscopy and Hyperspectral Imaging and Sounding of the Environment, 2015: FM4A.1.

【9】Fei Xiaoyun, Feng Yutao, Bai Qinglan, et al. Optical system design of a co-path Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer with two fields of view[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(4): 0422003.
费小云, 冯玉涛, 白清兰, 等. 双视场准共路多普勒外差干涉仪光学系统设计[J]. 光学学报, 2015, 35(4): 0422003.

【10】Harlander J M, Englert C R, Babcock D D, et al. Design and laboratory tests of a Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne (DASH) interferometer for upper atmospheric wind and temperature observations[J]. Optics Express, 2010, 18(25): 26430-26440.

【11】Marr K D, Englert C R, Harlander J M, et al. Measurement and modeling of the thermal behavior of a laboratory DASH interferometer[C]. SPIE, 2012, 8493: 849302.

【12】Englert C R, Babcock D D, Harlander J M. Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy (DASH): Concept and experimental demonstration[J]. Applied Optics, 2007, 46(29): 7297-7307.

【13】Li Zhiwei, Xiong Wei, Shi Hailiang, et al. Correction of detector response error for hyperspectral spatial heterodyne interferometer[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(5): 0530001.
李志伟, 熊 伟, 施海亮, 等. 超光谱空间外差干涉仪探测器响应误差矫正[J]. 光学学报, 2014, 34(5): 0530001.

引用该论文

Shen Jing,Xiong Wei,Shi Hailiang,Luo Haiyan,Li Zhiwei,Hu Guangxiao,Fang Xuejing,Xu Biao. Absolute Phase Drift Analysis and Correction of Asymmetric Spatial Heterodyne Interferometer for Wind Detection[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(4): 0430003

沈静,熊伟,施海亮,罗海燕,李志伟,胡广骁,方雪静,徐标. 测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正[J]. 光学学报, 2017, 37(4): 0430003

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF