【摘要】：目前,法布里-帕羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)被廣泛的應(yīng)用于中高層大氣風場和溫度的觀測研究。對于FPI觀測,目前國際上開展了一些相關(guān)的風速和溫度反演算法的研究,而我國對FPI進行風速和溫度反演算法的研究則相對較少,尤其是針對FPI非全干涉圓環(huán)的算法研究。為了對本論文中的算法進行驗證,因此基于的FPI均需具有成熟的風速和溫度產(chǎn)品,因此本文基于中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心興隆FPI(40.40°N,117.59°E)和中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心岢嵐FPI(38.71°N,111.58°E)地基觀測數(shù)據(jù),對FPI的全干涉圓環(huán)和非全干涉圓環(huán)兩種數(shù)據(jù)形式進行風場和溫度反演方法的研究,論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括以下幾個方面:(1)基于“數(shù)據(jù)處理法”進行了地基FPI全干涉圓環(huán)中高層大氣風速的反演,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、干涉環(huán)圓心確定、干涉環(huán)半徑峰值擬合和風速計算。興隆FPI8天數(shù)據(jù)的風速平均反演偏差分別為7.7 m/s(892.0 nm氣輝)、5.5 m/s(630.0nm氣輝)和2.7 m/s(557.7 nm氣輝),而岢嵐FPI 28天數(shù)據(jù)的風速平均反演偏差分別為5.7 m/s(892.0 nm氣輝)、6.18 m/s(630.0 nm氣輝)和3.66 m/s(557.7nm氣輝)。此外,本文首次基于“數(shù)據(jù)處理法”對數(shù)據(jù)處理中影響風速反演精度的因素進行了具體分析,包括氣輝輻射強度、圓心確定及焦距等。在影響因素分析的基礎(chǔ)上,對FPI自身反演誤差的新方法進行了研究,風速誤差的計算主要包含兩方面:半徑擬合誤差和多環(huán)間的標準差,其中半徑擬合誤差又包括擬合的隨機誤差及信噪比引起的誤差。(2)基于艾里函數(shù)方法建立了FPI風速和溫度正演模型,基于正演模型對激光定標數(shù)據(jù)進行模擬獲得FPI儀器函數(shù),進而進行FPI全干涉圓環(huán)的大氣風速和溫度的反演研究。為了獲得準確且穩(wěn)定的反演結(jié)果,我們創(chuàng)新性的利用迭代法首先對風速進行反演計算,然后再分別進行氣輝強度和背景噪聲計算,最后進行溫度的反演。為了驗證該算法,我們將反演結(jié)果與FPI產(chǎn)品結(jié)果進行了比較,557.7 nm氣輝的風速平均反演偏差為1.44 m/s,630.0 nm氣輝的風速平均反演偏差為5.89 m/s,而892.0 nm氣輝的風速平均反演偏差為10.8 m/s。同時,對溫度反演結(jié)果進行了比較分析,892.0 nm氣輝、630.0 nm氣輝和557.7nm氣輝相對反演偏差卻非常接近,分別為8.43%、9.67%和7.45%。(3)基于FPI非全干涉圓環(huán)進行了中高層大氣風場反演方法的研究。基于Taubin算法獲得FPI非全干涉圓環(huán)的圓心,然后引入圓周積分進而進行半徑擬合計算,最后進行風速反演。這種方法實現(xiàn)了弱氣輝(或較大噪聲)時非全干涉圓環(huán)風速的計算,目的是為地基FPI多個方向的同時觀測提供準確的理論反演方法,最終使地基FPI觀測時間分辨率提高數(shù)倍(4~5倍)。為了驗證算法,我們利用28天的地基FPI(岢嵐)氣輝觀測數(shù)據(jù)進行了反演研究,包括892.0 nm、630.0 nm和557.7 nm氣輝數(shù)據(jù)。將地基FPI反演結(jié)果與全干涉圓環(huán)的風速結(jié)果進行了比較和分析,三種氣輝的平均反演偏差分別為5.38 m/s、5.81 m/s和3.03 m/s,反演偏差的標準差分別為8.15 m/s、8.56 m/s和4.58 m/s。此外,將興隆地基FPI非全干涉圓環(huán)和全干涉圓環(huán)的風速結(jié)果與十三陵站點(40.3°N,116.2°E)的流星雷達風速數(shù)據(jù)也進行了比較分析,風速變化趨勢一致。
【圖文】：

圖 1.1 Michelson 干涉儀光路示意圖Michelson 干涉儀用于風場和溫度的探測是基于相位移動和調(diào)制度的變化。其在一定的基準光程差上，采用四步法依次探測相鄰相位相差 π/2 的干涉值，獲得在一個干涉周期內(nèi)的條紋的調(diào)制度和相位信息。Michelson 干涉儀過移動的反射鏡來實現(xiàn)四次相位的獲取的，其光路圖如圖 1.1 所示。圖 1.1 中鏡每移動一次，可取一次強度計數(shù)值，連續(xù)依次移動四次并取樣四次，即可得到風速和溫度。由于 Michelson 采用的是動鏡掃描依次取樣的方式，因此以容易的實現(xiàn)視場展寬，且反演算法相對簡單。但 Michelson 干涉儀也存在缺點，如①系統(tǒng)需依次采樣四次進行風速反演，不能同時采集，因此系統(tǒng)誤可避免；②動鏡掃描采用壓電陶瓷驅(qū)動、電容反饋回路監(jiān)控的方案，但由于晶體的非線性，掃描的步進精度仍需精密控制，抗震性能較差；③由于動鏡距離為 λ/4，因此控制精度和加工要求都非常高。

圖 1.2 非對稱空間外差干涉儀 DASH 光路示意圖FPI 具有高靈敏度、高光譜分辨率以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。相對于 Michelson干涉儀，F(xiàn)PI 在光路上不需要高精度的移動部件, 屬于靜態(tài)干涉成像光譜技術(shù)，因此其穩(wěn)定性較高，抗震干擾能力也相對較強, 具有較高的信噪比和探測靈敏度(圖 1.3)。因此，F(xiàn)PI 被廣泛的應(yīng)用于中高層大氣風速和溫度的地基和星上測量。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P412.2

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本文編號：2535495