多普勒差分干涉仪基于一种新型中高层大气风场探测系统，通过计算干涉图相位变化量反演观测目标源光谱的多普勒频移，实现大气风场测量。基准相位作为确定风场多普勒频移量的必要参数，其稳定性是保证风速测量精度的核心指标之一。针对非对称量相位漂移、相位斜率漂移和干涉图相位漂移这三项影响干涉仪基准相位的因素开展研究，基于多普勒差分干涉原理对其相位热漂移开展了理论分析，提出了各项因素相位漂移量的分离测试方法，并基于近红外多普勒差分干涉仪开展了实验测试。环境温度波动为0.27 ℃时，相位斜率变化量为670 mrad/m，干涉图相位漂移波动范围为8.9 mrad；修正干涉图相位漂移后，非对称量相位漂移约为4.7 mrad，均方根为0.98 mrad，等效风速测量误差为0.81 m/s。通过温度拉偏实验，得到非对称量相位漂移随温度的变化率为-493 mrad/℃的结论。

星载多普勒测风激光雷达是目前能够有效获取全球大气三维风场的主动探测设备,能够弥补气象卫星被动探测的不足,对其需求和进展的综述研究具有重要的意义。首先阐述了天气预报精度提升、数值模式同化和气候变化研究等领域对全球三维风场探测的迫切需求;接着回顾了相干探测、直接探测和混合探测三种体制的星载多普勒测风激光雷达的发展历程,并总结了当前星载测风激光雷达研究所面临的挑战;然后根据我国多普勒测风激光雷达的研究现状,归纳出我国星载测风激光雷达发展所急需解决的七类关键技术;最后指出星载混合体制测风激光雷达结合了相干探测和直接探测的优势,既能降低研制成本,又能提高大气垂直风廓线探测精度,是未来星载测风激光雷达的主要发展方向。

临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。

法布里-珀罗干涉仪能够实现对中高层大气风场的探测。基于扫描式法布里-珀罗干涉仪对大气风场探测的可靠性与准确性,对全空式法布里-珀罗干涉仪(All-sky FPI, ASFPI)探测风场的性能进行检验。通过2015年6月在新疆进行的全空式FPI与扫描式FPI 557.7 nm气辉观测对比实验,分析结果显示两者探测得到的视线风和水平风场具有较好的一致性,验证了全空式FPI测风性能的可靠性。

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。

多普勒差分干涉光谱仪是傅里叶变换型光谱仪，在大气风速反演过程中，偶延拓的反演光谱无法直接解出目标谱线的相位，而且在实际测量中反演光谱中含有的杂散光谱线、噪声等，使得复干涉图相位发生变化，最终导致反演风速值的偏差。所以，在对实际噪声环境下测得数据的处理过程中，获取反演光谱相位信息时需要对目标谱线进行提取。针对不同信噪比的干涉图，利用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同窗函数的优化反演结果进行分析。结果表明：对于信噪比高于26.5 dB的干涉图，线宽为4~5倍光谱分辨率的高斯窗函数是最优的窗函数优化方式；对于信噪比低于26.5 dB的干涉图，线宽为7~12倍光谱分辨率的矩形窗函数的反演风速值更精确，是最优的窗函数优化方式，可以复原相位信息，反演出大气风速的近似值。

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应, 通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图, 采用傅里叶变换的方法求解相位, 获得大气的风速信息。 分析了干涉数据的处理方法, 并针对干涉相位的求解进行推导。 相比于传统观空间外差数据处理, 不仅要考虑噪声和系统误差, 而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。 通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响; 在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。 结果说明, 虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变, 但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%; 同时, 噪声的仿真说明, 风速误差随着系统噪声的增加而增大, 在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。 数据处理方法的研究和相关的仿真, 对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考, 具有一定的指导意义。

临近空间风场的探测, 在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性, 以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm, 探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据, 于2014年下半年进行了外场实验, 并与当地的探空气球数据进行对比, 结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。

针对大气风场矢量的星载探测应用,提出一种双视场准共路多普勒外差干涉仪方案,其采用平面镜视场耦合、K?sters棱镜单光栅干涉仪和一维成像镜的系统结构,可以同时探测两个正交方向不同高度层的视线风速,具有结构紧凑、无运动部件、探测效率高等特点.推导了基于K?sters 棱镜的准共路干涉仪非对称量Δd 与光栅利特罗角、分光棱镜尺寸等初始光学参数的关系.以基于氧原子红线(O[1D]630 nm)进行星载高层大气风场探测为例,给出了参数优化和系统设计的过程及结果,并对全系统干涉图进行建模仿真.结果表明：双视场准共路多普勒外差干涉仪具有一维空间分辨能力,在不使用视场扫描装置的情况下就可获得两个视场方向不同高度层上的干涉图,借助卫星平台运动可以获得同一目标区域的风场矢量信息.