羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要, 它是大气光化学反应中重要的氧化剂, OH在308 nm波段受到太阳能量激发, 发射出OH Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 荧光信号。 为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号, 从复杂背景信号中分离目标信号, 研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪, 光谱范围为308.2～309.8 nm, 光谱分辨率为0.008 25 nm。 临边观测主要探测大气散射信号, 能量来源为大气中的粒子, 包括大气分子与气溶胶、 云等对太阳能量的散射作用。 中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术, 可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率, 适用于大气成分的精细探测。 通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜, 总视场内的场景被分成多个视场切片, 每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。 利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能, 临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号, 无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。 为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 进行了地面临边观测实验, 探测紫外308 nm波段大气散射信号。 模拟临边观测几何, 选取晴朗无云的一天, 在空旷场地对大气散射信号进行观测。 由于仪器基于空间外差光谱技术, 需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。 对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标, 得到最终临边观测光谱。 由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用, 因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。 从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗, 分析观测光谱中对应波段, 三个特征信息窗完全匹配, 验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。 将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN, 结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库, 得到模拟光谱, 将实测结果与辐射传输模型结果进行比对, 两者残差较小。 实测结果与模拟结果存在的残差, 可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态, 后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换, 使辐射传输模型更接近实际状态。 与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 验证了在轨探测多谱段、 宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性, 为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一, 影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求, 如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数, 成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例, 根据仪器线型函数的原理, 利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征, 来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱, 在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰, 通过调整光谱仪的狭缝模型, 对特征峰残差进行迭代对比, 演算出仪器ILS参数变化.最后, 用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积, 与实测临边定标光谱比较验证, 误差范围在-6%~8%.结果表明, 该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂, 决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化, 甚至气候变化。 为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演, 需要构造正演模型, 模拟得到仪器接收到的大气中的Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。 本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g, 结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量, 模拟出OH荧光发射光谱, 叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数, 最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。 模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation), SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。 还分析了影响模拟结果的因素, 在之后的正演过程中加以修正, 使正演模型更接近实际辐射传输过程。

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8 nm)和光谱分辨率优于0.01 nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

大气OH自由基是大气中各组分光化学反应的重要媒介, 对大气其他成分的形成和转化起重要作用。 利用MLS传感器2005年—2009年的OH全球浓度数据产品构建OH浓度时空数据库和Lifbase光谱分析软件构建OH发射光谱数据库, 改进了SCIATRAN辐射传输模型, 计算了基于空间外差光谱(SHS)技术的探测仪的临边探测仿真图像, 并提取了大气OH自由基荧光发射在观测能量中的贡献。 基于辐射传输理论, 通过定量计算分析了仿真过程中各个参量不确定度对仿真结果和OH荧光能量的定量影响。 该研究结果不仅能为我国构建中高层OH自由基探测仪提供科学理论支撑, 还能为探测仪器相关参数设计提供依据。

针对多普勒非对称空间外差干涉技术，提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移；然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位，通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台，获得采样干涉图，并对相位误差进行校正.结果表明，在60.37 m/s的模拟风速下，相位漂移误差达到30.78 m/s，通过相位校正风速反演误差降低至3.51 m/s，风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97 m/s的风速测量精度.

基于太赫兹临边探测仪(microwave limb sounder, MLS)传感器2005～2009年OH自由基、臭氧、水汽观测数据,分纬度、季度分析了平流层和中间层OH自由基时空分布特征及其与臭氧、 水汽的关联性。结果表明:不同纬度中高层OH自由基浓度变化分异明显,存在年周期性;全球中高层OH自由基浓度季度变化显著; 平流层上部OH自由基主要受太阳辐射和臭氧浓度变化影响;中间层OH自由基与水汽浓度变化关系密切。

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移，进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小，而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同，除受扩视场棱镜和光栅影响之外，用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移，分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上，提出了一种绝对相位漂移校正方法，通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离，校正温度引起的绝对相位漂移，从而准确反演风速。结果表明，仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5 m/s，与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。