迈克尔逊风场探测干涉仪视场展宽的实现

迈克尔逊风场探测干涉仪视场展宽的实现在于臂玻璃材料的选择和厚度的确定。依据视场展宽的4个条件,经过分析计算,从中国玻璃库中选出了最佳玻璃对LAF4和ZF2,并计算出了臂厚度值。经过验证,此选择很好地满足了视场展宽条件。将相关参数输入计算机,通过模拟干涉仪的结构并进行光线追迹,得到了视场展宽干涉图。经过数据反演得到了风速值41.48 m/s,与理论值47.62 m/s基本一致。

马赫-曾德尔干涉仪频谱特性及入射视场展宽技术研究

马赫-曾德尔干涉仪(MZI)具有光学能量利用率高、便于视场展宽等优点,在光学滤波、鉴频等方面具有广泛的应用。然而,在实际应用中MZI频谱会受到各种因素的影响而导致性能下降。从理论上导出了在考虑入射光发散角2θ_(0)和谱宽Δν的影响下,MZI干涉频谱的理论表达式,并定量分析了其对MZI频谱的影响。结果表明:MZI的光程差l越大,其频谱受Δν的影响越显著,l与入射光波长λ比值越大,其频谱受θ_(0)的影响越显著;当λ=355 nm,l=3 cm时(第1种情形),Δν=10 GHz和θ_(0)=4.5 mrad将分别使条纹对比度K降至2.8%和16.3%;当λ=532 nm,l=59 cm时(第2种情形),Δν=0.5 GHz和θ_(0)=1.25 mrad将分别使K降至3.2%和15%。为减小发散角的影响,从理论上进一步研究了棱镜式视场展宽技术。结果表明:若补偿棱镜厚度d和折射率n满足d=nl/(n􀀀1),对应第1种情形,θ_(0)=50 mrad时K仍高于93.1%,θ_(0)=70 mrad时K将降至33.3%;在第2种情形下,θ_(0)=25 mrad时K仍高于94.0%,θ_(0)=35 mrad时K将降至37.6%。若d依据不同θ_(0)取不同最优值时,在第1种情形下,θ_(0)=70 mrad时K仍高于92.1%;而在第2种情形下,θ_(0)=35 mrad时K仍高于94.4%。

多纵模高光谱分辨率激光雷达马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术

考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达(MLM-HSRL)接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性,因此分析马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响,仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响,提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明,视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad,视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。

空间外差光谱仪视场展宽棱镜设计理论与方法

空间外差光谱仪采用特定楔角的棱镜实现视场拓展是提高仪器通量和辐射灵敏度的重要手段之一。借鉴传统傅里叶变换光谱仪视场展宽基础理论,结合空间外差光谱仪的技术特点,研究了基于数值归纳方法进行视场展宽棱镜设计的理论依据和实现途径。分析了不同Littrow角和目标波数下视场展宽棱镜顶角的最优取值及最大视场展宽容限。结果表明数值归纳方法全面衡量各级次视场对相位差的影响给出视场展宽棱镜顶角的最优取值,与传统理论推导方法相比,沿色散主截面方向视场容限提高了10%～30%,且数值归纳方法设计空间外差视场展宽棱镜简单、直观,在设计过程中可同时分析仪器参数对视场展宽容限的影响。

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。

基于偏振干涉成像光谱仪的视场增强和相位热漂移补偿关键技术的研究

偏振干涉成像光谱技术以傅里叶变换光谱学为理论基础,以一系列起偏/检骗器、剪切分束器和延时晶体等双折射晶体材料为主要结构,较之传统光栅式色散型光谱仪具有多通道、图谱合一、大光通量、高信噪比和抗环境振动干扰等一系列优点,并且结合多普勒光谱学相关原理和技术,已被广泛应用在各种天文学和天体物理学测试与计量领域如空间遥感、视向速度、宇航飞行、月球探测等。但是许多前人研究工作中仍然存在两个尚未妥善解决的问题:(1)视场受限。普通型偏振干涉成像光谱仪存在远场条纹的弯曲而使系统视场角限制在±2°以内,严重影响傅里叶变换后的光谱重构精度;(2)相位热漂移。晶体的热胀冷缩和双折射率之差随温度变化的特性导致像面干涉条纹发生随机抖动误差,将严重影响以多普勒频移为原理的视向速度等测量精度。因此,首先引入一块半波片构成增强型的Savart剪切分束器实现主动的视场展宽,可以使增强后的观察视场角达到±10°左右。这一改进不仅提高了傅里叶光谱变换的算法精度,同时也大幅增加光通量从而实现对微光光谱进行高信噪比的探测与标定。另外,为了消除环境温度造成的相位热漂移误差,选用偏硼酸钡(α-BBO)和铌酸锂(LiNbO3)两种晶体进行精密组合匹配。该关键技术利用这两种晶体的双折射率之差随温度变化的相反特性,从而实现相位热漂移误差补偿。实验证明,在实验室环境温度下热相位漂移误差不超过0.02rad。通过这些方案改善偏振干涉成像光谱仪的测试精度,拟实现对天文光梳以及其他大型天文光谱仪器快速而精确的标定与测试。

大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能,能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法,用于反演海水和大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号,其中分子通道利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号,透过分子信号。研究表明,反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大,而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离,因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中,对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。

近红外星载风温成像干涉仪的设计和仿真

临近空间风温遥感技术是研究大气动力学、热力学特性的重要手段,也是提高空间天气数值预报准确性的必要途径。针对临近空间大气风温遥感探测需求,通过分析临近空间风场和温度的探测原理和方法,并比较现有星载被动风温探测方式,提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的近红外星载风温成像干涉仪,其工作波长为O2分子在1.27μm的谱线,探测范围覆盖整个临近空间。论述了系统工作原理和设计过程,其中,重点阐述了兼具视场展宽、色差矫正、温度补偿功能的Michelson干涉仪和用于对O2分子谱线鉴频的F-P干涉仪的设计,并进行了模拟仿真实验。仿真结果表明风速测量误差为18.98%,可满足临近空间大气风场和温度场探测要求。

双波长高光谱分辨率激光雷达光谱鉴频器设计

提出了一种可作为高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱鉴频器的双波长视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)的设计方法。详细阐述了双波长FWMI的设计原理,权衡考虑色散对于鉴频性能的影响。通过双波长视场展宽设计实现折射率补偿,从而使FWMI在355 nm和532 nm均有较大的接收视场。给出适用于355 nm和532 nm的双波长FWMI设计的具体参数,并对其进行性能评估和容差分析。评估结果表明,双波长FWMI拥有超过6°的接收视场角,在两个波长均有较为优异、稳定的性能表现,对于加工和装配精度要求也并非苛刻。利用蒙特卡罗仿真对基于双波长FWMI的HSRL系统的光学参数的反演误差进行分析。分析结果表明,在532 nm,气溶胶后向散射系数和消光系数的反演误差分别为1.82%和11.39%,而在355 nm,二者分别为1.62%和2.95%。