地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的仪器正演及数据反演研究

摘要

基于课题组研制的地基气辉成像干涉仪GBAII(Ground-based Airglow ImagingInterferometer)，本文研究了GBAII的仪器正演及数据反演。
　　GBAII的仪器正演模型，需要分别对大气传输模型、滤波函数模型、大空气隙Michelson成像干涉仪模型和CCD模型研究，并将多方面因素综合后，最终推导获得正演方程，得到成像干涉图。正演过程利用MATLAB软件编程进行模拟，借助“四强度”测风的方法进行四步进相位调节，得到步进相位分别为ψ=0、π/2、π、3π/2的4幅干涉图。从正演模拟图像可见，取4×4个像素组成一个像素联合时，得到大气信号强度的电子计数率为0.66s-1，积分时间取120秒时的电子计数为79个，大于我们所使用的CCD的9个电子计数噪声，干涉图的结构和电子计数结果证明了该地基气辉成像干涉仪能够满足探测地球上空94km大气风速和温度的需求。给出了正演图像信噪比的分析，取4×4个像素组成一个像素联合时，最大信噪比为250，能够满足探测要求。进一步利用MATLAB，开发出一个用于正演模拟的软件Forward V1.0，使正演程序有了良好的可移植性和更加便捷的可操作性。
　　研究GBAII的数据反演是为了大气风场最终探测的目标——大气风速和温度。应用最小二乘拟合的方法对实验得到的干涉圆环的圆心进行了定标，确定了干涉条纹的圆心坐标，这为风场反演起到了重要的作用。通过研究反演理论，结合转动谱线测温的方法及正演模型，最终反演出了2011年11月8日凌晨4点左右的温度，并给出了温度随时间的变化曲线图。根据实验结果，对实验图像和正演模拟图像进行分析对比和讨论，两条曲线的整体趋势大致相似，达到了在验证正演模拟的合理性的同时又对正演结果进行修正的目的。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景和意义

1．2 研究背景和意义

1．2．1 国外研究

1．2．2 国内研究

1．3 本文的工作

2 中高层大气风场理论及其探测原理

2．1 大气的分层

2．2 中高层大气介绍

2．3 探测光源(气辉和极光)

2．4 大气风场的探测方式及分类

2．4．1 直接探测和遥感探测

2．4．2 主动探测和被动探测

2．5 用于探测中高层大气风场的干涉仪及风场测量方法

2．5．1 基于Fabry-Perot干涉仪类测量仪器

2．5．2 基于Michelson干涉仪类测量仪器

2．5．3 “四强度法”探测高层大气的风速

2．5．4 转动谱线法测温

2．5．5 地基气辉成像干涉仪

2．6 本章小结

3 GBAⅡ探测高层大气风场的正演模型研究

3．1 仪器正演的一般规律

3．2 GBAⅡ使用的光辐射源

3．3 大气辐射传输模型

3．3．1 分子吸收系数

3．3．2 光谱的散射衰减系数

3．3．3 由气象条件引起的衰减系数

3．4 GBAⅡ的滤波函数

3．5 GBAⅡ的干涉仪模型

3．7 GBAⅡ探测风场的正演方程

3．8 GBAⅡ的正演模拟结果

3．8．1 光程差模拟

3．8．2 大气信号正演模拟结果及信噪比

3．8．3 信噪比分析及讨论

3．9 本章小结

4 GBAⅡ探测高层大气风场的数据反演研究

4．1 反演模式的建立

4．1．1 确定GBAⅡ干涉条纹的圆心

4．1．2 GBAⅡ所获光强的积分

4．1．4 谱线调制度V和多普勒相位φ的确定

4．2 “四强度法”对风速和温度的反演

4．3 “转动谱线测温法”对温度的反演

4．4 本章小结

5 GBAⅡ实验结果对正演结果的修正

5．1 实验仪器

5．2 实验原理步骤

5．3 实验结果和正演结果

5．3．1 实验图与正演图的对比

5．3．2 对比分析结果

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间研究成果