一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250\,km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s-1.      

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式（天顶角为0° 的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向）对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演. 将2010年5月6-13日8天十个环（十个干涉环同时参与反演）的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7nm,630.0nm,892.0nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7m·s-1,5.5m·s-1,7.7m·s-1. 此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析. 研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高. 而圆心偏差± 2pixel（五个环）和± 1pixel（十个环）及焦距变化（±10mm）对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.      

大气臭氧地基遥感反演的退卷积方法

本文提出了一种大气臭氧地基遥感信息处理的新方法,它利用非线性退卷积方法和等效仪器函数提高光谱分辨率,利用非线性最小二乘法进行大气臭氧反演计算,可以显着提高大气臭氧遥感的可探测高度和精度。      

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

中国地区20──80km高空风的一些特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测数据(SAMS)和热成风原理,计算了高空风场,得到中国上空20──80km高度范围风场的一些特征。结果表明,用地转一热成风公式从卫星温度探测数据计算的高空风与当日中国气象火箭探测的高空风基本一致,说明利用卫星温度数据是获得中国20-80k高空风气候特征的一种有效的方法;从计算出的风场看,中国上空20──80km的纬向风与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的纬圈平均纬向风有显着差别,文中还给出了经向风的分布和风场的变化情况。      

廊坊中频雷达风场FCA算法的研究及应用

中频雷达是获得临近空间60～100 km范围内大气风场的重要探测设备之一. 全相关分析方法是空分天线模式中频雷达的一种重要风场反演方法. 通过介绍全相关分析方法算法的一般理论, 根据廊坊中频雷达的天线配置, 分别研究了利用三副天线数据与四副天线数据的风场反演算法FCA-3A和FCA-4A, 讨论给出了全相关 分析方法的剔除标准. 用廊坊中频雷达实测的回波相位和振幅, 得到由该算法反演 的大气风场. 为验证算法的可靠性, 将其结果与ATRAD公司的反演结果进行比较. 结果显示大气纬向风和经向风随时间和高度的变化特性基本一致. FCA-3A与FCA-4A的风场反演结果基本一致, FCA-4A略好于FCA-3A.      

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

基于Fabry-Perot干涉仪气辉观测数据反演中性风速方法比较

利用半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法分别对安装在河北省境内国家天文台兴隆园区（40.2°N,117.4°E）的Fabry-Perot干涉仪（FPI）获得的地基中高层大气气辉观测数据进行风速反演.反演结果表明,半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法均能很好地反演风速,在误差范围内反演结果存在很好的一致性.相对于半径法和完整傅里叶级数描述法,非线性回归方法更完整地利用了观测数据信息,反演结果可信度较高.      

中高层大气风场和温度场星载探测技术研究进展

中高层大气风场和温度场是重要的大气基本参数, 其全球高精度测量具有广泛的应用前景, 探测需求日趋强烈. 干涉光谱仪由于其多通道、高通量和高光谱分辨率等优点而成为本项目的首选. 目前被成功应用的干涉式测风/测温仪器主要有Fabry-Perot 干涉仪和广角Michelson 干涉仪两大类. 本文对干涉光谱仪用于中高层大气风场和温度场探测的发展状况进行了分析, 同时比较了几种干涉仪测风和测温的可行性及优缺点, 为中国开展中高层大气风场和温度场星载探测打下基础.      

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆（40.3°N,116.2°E）的瑞利激光雷达具有589nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150~250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60~70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589nm通道和532nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589nm通道的温度探测上限从60km提高到70km.      

？abry—Perot测风干涉仪数据处理

针对自主研制的星载法布里一珀罗干涉仪（Fabry—Perot Interferometer,FPI）样机,介绍了Fabry—Perot（F—P）的测风原理和风速反演算法,阐述了F—P测风干涉数据的自动化处理方法,包括干涉条纹图像滤波、分割、细化和特征数据的提取．滤波包括中值滤波和背景补偿,分割采用区域平均灰度值阈值法,借助数学形态学计算填充和消除二值化条纹的断裂点和毛刺．最后,按照骨架提取思想细化成干涉条纹线条,提取其特征数据．应用VC＋＋编程语言开发软件平台,对上述F—P测风仪数据自动化处理方法进行了验证,结果表明其可行性高、适应性强．     

质谱计在行星系统与小天体探测中的应用

质谱计多次应用于行星系统和小天体的大气层与土壤吸附气体或挥发组分及其同位素含量探索,是太阳系行星系统和小天体探测计划中的首选载荷之一。大气和土壤元素及其同位素组分探测对资源勘探、行星系统的宜居性、天体演化、起源及其重要事件的精准时间坐标研究等具有重要意义。质谱计已多次成功应用于火星、土星系、木星系、彗星等探测任务中开展大气环境探测。质谱计的探测对象主要包括太阳系行星、行星卫星如月球、木星伽利略卫星、土卫,以及地外小行星和彗星。四极杆质谱计在当前的深空空间环境探测活动中应用最为广泛。利用四极杆质谱计除可用于探测稀薄天体大气与土壤析出气体外,如增加抽真空能力的前端设计,则具备探测稠密大气成分的能力。中科院空间中心研发的星载质谱计已多次成功应用于地球行星大气成分和密度探测。     

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演，分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下，信噪比为66～337时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59，762.2，764.05nm的反演误差平均值分别为5.52，3.94，4.73K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57，7.04，8.80K.信噪比为6～34时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27，12.18，18.27K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18，68.79，85.98K.研究结果表明，基于贝叶斯理论的反演方法，利用先验信息对反演结果进行约束和修正，在有噪声的情况下获得了更合理的解，从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考，也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.      

临近空间大气环境落球探测中的科氏力影响

气象火箭落球探测技术是临近空间大气环境探测的重要方法.在落球探测数据处理过程中,通常忽略科氏力项的影响.本文利用经验预报模式构建落球探测正演仿真模型,并根据落球探测原理建立参数反演模型,在此基础上仿真模拟了落球探测数据处理过程中忽略科氏力项对大气参数反演精度的影响.在95～100 km高度范围内,忽略科氏力项将引起温度...     

大气层电波传播对星载SAR方位分辨率的影响

利用合成孔径原理和大气折射理论推导了大气层给SAR方位向分辨率带来的误差公式,针对不同时间、地点、高低年的电离层电子浓度和低层大气折射率剖面,对不同频段进行了计算,并对计算结果进行了分析讨论.得出了大气层中星载SAR的方位向分辨率误差为毫米量级,其绝对值随频率增高而减小的结论.      

A Method of Inversing the Peak Density of Atomic Oxygen Vertical Distribution in the MLT Region From the OI (557.7nm) Night Airglow Intensity

In this paper, using the MSISE-90 model as the reference atmosphere, we discuss the feasibility and method of deducing the peak densities of the undisturbed atomic oxygen profiles in the MLT region (the mesosphere and lower thermosphere region) from OI (557.7 nm) night airglow intersities. The peak densities for different seasons, latitudes and longitudes are deduced from OI (557.7nm) airglow intensities through this expression. We analyze the features of inversion relative errors and discuss the influence of the variations in temperature on inversion errors. The results indicate that all inversion errors are less than 5% except for those at high altitudes in the summer hemisphere. And the impact of the variations in temperature on errors is not significant.