风成像迈克尔逊干涉仪的研究

摘要: 对探测大气风场的迈克尔逊成像干涉仪发展状况作了详细的分析,从WINDII 发展起来的MIMI以及PAMI和NSPWII的改进,其性能、技术特性的创新改良,并对它们的优缺点加以分析比较。

Abstract: This paper analyzed the development of wind imaging Michelson interferometer in detail,from the development of MIMI based on WINDII to the improved PAMI and NSPWII, introduced their performance, improved technical and innovation, and compared their merits and drawbacks.

关键词: 航天技术;大气风场;分析;研究

Key words: aerospace technology;atmospheric wind;analysis;study

中图分类号:P407.4 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0250-03

0引言

随着现代航天技术的发展,人类对太空的研究愈加深入,对外层空间大气信息的掌握愈加迫切;加之日益严峻的臭氧空洞、全球变暖等一系列气候与环境的问题,使得大气探测成为人类关注的热点问题之一[1-9]。风是大气行为的表现者,风场速度和大气温度是其重要参数[5-7],对风场速度与温度探测是获取大气行为重要方法,而迈克尔逊干涉仪是完成这一任务的有力工具。

迈克尔逊干涉仪是被动式探测,是利用大气本身发射的辐射或其他自然辐射源发射的辐射同大气相互作用的物理效应,进行大气探测,系统体积、重量和功耗都较小,适用于空基探测。

1风成像干涉仪的高层大气风场被动探测技术的基本原理

根据谱线的选择原则[3]①根据探测高度,选择合适高度上的谱线;②选择合适强度谱线,考虑信噪比和自我吸收效应。③选择相对独立的谱线,考虑和附近谱线相对位置及相对强度,以易于滤波。依据这些原则和探测目标,选两条主要谱线O(1S)和O(1D)(主要来源于亚稳态原子氧的跃迁),其波长分别为557.7nm(绿色)和630.0nm(红线)。光谱为对高斯线型,可表示为:

B=Bexp[-4ln2(σ-σ)]/W(1)

其中W=[(7.16×10)σT/M],σ为波数,σ为谱线的中心波数,W为半高宽,单位均为cm-1,T为温度(单位为K),M为原子质量。对(1)式作傅立叶变换即可得其干涉图

I=I[1+exp(-QT)cos(2πσ)](2)

其中为光程差(单位为cm),Q与光谱线型有关,对于高斯线型,Q=1.82×10(σ/M)Kcm

调制度V=V=(I-I)/(I+I)=exp(-QT)(3)

则有I=I[1+Vcos(2πσ)](4)

由电磁波的多普勒效应,当光源和观察者之间的相对速度v与二者连线成任意角θ时,观察者接收到的光源频率为

ν=(1-cosθ)ν≈(1+cosθ)ν(5)

其中ν为光源的真实频率,当光源和观察者相互靠近时,v取正值;相互远离时,v取负值则波数为

σ=1+cosθσ(6)

σ为对应于零风速v=0时的波数。

将光程差分为两部分,即=0+′,其中0定义为干涉仪的基准光程差(固定值,由干涉仪定标获得),′为干涉仪的步进光程差,则将(6)式带入(4)式得

I=I1+Vcos2πσ+2πσ′+2πσ+2πσ′(7)

式中:

φ=2πσ――干涉仪的零风速相位,对应于干涉仪的基准光程差,由定标获得;

φ=2πσ′――干涉仪的步进相位,对应于干涉仪的步进相位差;

φ=2πσ――由风速产生的多普勒相移,对应于探测粒子的运动。

如果知道干涉条纹的调制度V和干涉图的多普勒相移量φ,就可以反演出探测目标的温度T和风速ν,这就是基于迈克尔逊干涉仪的风场探测技术的基本原理。为了求得调制度V和相移量φ,通常采用四强度法[5,6,11],即让干涉仪依次产生四个式中的步进光程差′依次为0,λ/4,λ/2,3λ/4,即

I=I(1+VcosΨ)I=I(1-VsinΨ)I=I(1-VcosΨ)I=I(1+VsinΨ)(8)

其中Ψ=φ+φ,由式的四个关系式可得

I=(I+I)/2=(I+I)/2

V=[(I-I)+(I-I)]/2I(9)

Ψ=arctan[(I-I)/(I-I)]

因此,通过干涉仪的四步进获得四幅干涉图,提取其强度值,运用(9)式可得出调制度V和相移量φ=Ψ-φ,可得到探测目标的温度和风速信息,这就是高层大气风场被动探测技术的基本原理。

2风成像场干涉仪――迈克尔逊干涉仪的发展

自上世纪80年以来,相继研发了多种用于大气探测的风成像场干涉仪,如WINDII、PAMI、WAMI、MIMI、SWIFT、E域风场干涉仪ERWIN等等,大都基于迈克尔逊干涉仪基础上发展起来的。根据目前国际上现有的大气风场被动探测仪器,按照干涉图获取模式的不同主要划分为以下三种:动镜扫描模式的探测系统、四分区镀膜模式的探测系统、基于偏振迈克尔逊干涉仪的探测系统。

2.1 动镜扫描模式干涉仪探测系统在上世纪80年代才逐渐被提出并采用。此类干涉仪探测系统是对宽场迈克尔逊干涉仪的一个动静臂使用压电陶瓷步进装置进行驱动,使动静依次步进1/4波长(共步进四次),从而在CCD探测器上依次获得四个干涉强度,采用四强度算法可实现对大气风速和温度的反演[5,11]。动静扫描模式是当前应用最广泛的大气风场被动探测系统,WINDII[5-8](Wind Imaging Interferometer)[2-5]是最典型的代表(如图1所示),此外还有SWIFT、ERWIN、DYNAMO。其核心部分如图2所示。

2.2 四分区镀膜模式的探测系统是把四块不同的多层介质膜置于宽场迈克尔逊干涉仪一个臂的反射镜的四个分区上,使经过各个分区的光波分别产生0°、90°、180°、270°的相位差,这样就可以同时得到目标的四幅干涉图,实现实时探测[6]。与动静扫描模式的干涉仪探测系统相比,这种模式不需要动静扫描装置,可同时探测,因此具更高的稳定性和精度。但是这种模式对多层介质膜的性能要求非常高,因此在工程技术方面也更加复杂。WAMI (the Waves Michelson Interferometer)[9-11]和MIMI[6-12](Mesospheric Imaging Michelson Interferolmeter)是此类探测模式的典型代表,图3为MIMI的结构示意图。

2.3 基于偏振迈克尔逊干涉仪的探测系统与前两种探测模式相比,该系统的最大不同是采用偏振干涉仪系统,并通过旋转偏振片来调制,分别得到目标光源的四幅不同相位的干涉图。原理样机的PAMI (the Polarizing Michelson Interferometer )[8]是偏振模式的典型代表,结构如图4所示,从偏振干涉仪出射的两束具有一定相位差振动方向垂直的线偏振光经过1/4 波片后成为旋转方向相反的圆偏振光,再经过1/4 波片后又合成为线偏振光,经过旋转偏振片(偏振片可以通过旋转改变偏振方向,相邻旋转角度为45°),这样可以获得不同相位差的强度值。偏振片的旋转角度对不同波长的谱线都适用,无需作出调整。

PAMI 保持了迈克尔逊风场探测干涉仪的时间响应快和高光通量的优点,还具有低成本、装置简单和易携带性的优点。它结合了偏振旋转技术和四步法测风技术,采用旋转偏振片的方法代替了普通迈克尔逊风场探测干涉仪中的动镜而获得四强度值,实现起来更加简单。偏振分束器和1/4 波片的采用减少了光的损失,提高了光利用率。它所观测的谱线是97km 高度的夜间557.7nm 的氧原子绿线。探测器是光电倍增管,相对于CCD 来说更加简化,其灵敏度高、成本低,它收集9°×9°视场范围内的光,不进行成像。

新型静态偏振风成像干涉仪NSPWII(Novel Static Polarization Wind Imaging Interferometer)是在PAMI的基础上提出的,其创新点在于采用的四面角锥棱镜与偏振阵列的组合结构可同时在CCD的四个分区上得到四个不同相位的干涉图,替代了PAMI中通过旋转四次偏振片来依次获取四个干涉强度的方法,如图5所示,因此,NSPWII系统可以实现对目标的实时探测,克服了动静扫描探测模式不能对快速变化目标进行精确探测的缺陷,并且无任何运动部件更加适用于星载探测。

总之,上述3种干涉图获取模式各有各的优缺点,动镜扫描模式是当前该方向的研究和发展的热点,分区镀膜探测模式和偏振模式思路较好,具有很大的应用前景。

3分析比较

以上介绍了自广角迈克尔逊干涉仪用于大气风场探测以来世界各国应用相关技术所研制的各种风场探测装置。它们所遵循的都是四步法风场探测原理,只是在实现形式上有所变化。主要包括下面几种:

3.1 利用压电陶瓷带动干涉仪其中一臂反射镜以λ/4 步进运动,这种方法应用较多,可以根据不同探测波长调整步进长度,但是由于是机械运动,速度较慢,存在一定的机械误差。采用这种方法的风场探测干涉仪有:WINDII、ERWIN、SWIFT、DYNAMO。

3.2 四分区镀膜的方法,将干涉仪其中一臂的反射镜四分区,分别镀上厚度依次相差λ/8 的反射膜,这样对应不同光程差的干涉条纹可以同时成像。有利于减小误差,尤其适用于迅速变化的目标的探测。但是由于膜一旦固定,对不同波长的谱的光程差间隔将不严格等于λ/4,因此适合于单一波长的测试。WAMI 和MIMI 都应用了此方法。

3.3 基于偏振迈克尔逊干涉仪的探测系统中的旋转偏振片的方法,将出射的线偏振光进入通过旋转产生不同偏振方向的偏振片,偏振方向分别相差45°,这样就可获得相位差依次为π/2 的干涉强度。这种方法比较简单,但是整个装置成本较高。NSPWII系统中重要的分光器件四面角锥棱镜的加工、偏振阵列的加工是一个期待解决的问题。

随着迈克尔逊干涉仪风场探测技术的不断成熟,探测波长也有所扩展,从可见区扩展到了近红外和中红外区。探测高度也覆盖了同温层、中间层、E 区、低热层的大部分区域[9-13]。随着我国航空航天技术的发展,中层顶区是空间飞行器发射、回收的重要区域。其状态和扰动特性对再入飞行器的主动加热、回落点精度和宇航员过载等都有着很大影响。热层大气是近地卫星和空间站运行的主要场所,它的结构和变化特性对保障空间飞行器安全、延长轨道寿命、提高遥感器探测精度和效益都有着重要意义,因此在我国开展对中高层大气的探测研究具有重要意义。

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