偏振邁克爾遜干涉儀測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)的理論分析

王周琴+廖臘梅

摘要：為了高層大氣風(fēng)場(chǎng)的精確測(cè)量，本文對(duì)最新的偏振邁克爾遜干涉儀測(cè)量高層大氣風(fēng)場(chǎng)的理論進(jìn)行了總結(jié)分析，表明該儀器具有方便運(yùn)用、精度高、對(duì)變化快的測(cè)量對(duì)象有效等特點(diǎn)。該討論對(duì)高層大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：高層大氣風(fēng)場(chǎng)；偏振邁克爾遜干涉儀；陣列

一、 引言

大氣是人類生存的屏障，科學(xué)家們一直沒(méi)有停止對(duì)大氣的研究和探索。大氣風(fēng)場(chǎng)的溫度和速度是兩個(gè)重要的氣象參數(shù)，通過(guò)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，可以有效地為大氣行為的研究提出強(qiáng)有力的依據(jù)，所以對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量具有重要的意義。

在大氣中，各種物質(zhì)或者化學(xué)成分的移動(dòng)和傳播過(guò)程都是以風(fēng)為媒介的，所以對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的研究是了解大氣中物質(zhì)變化的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的研究和探索測(cè)量，可以預(yù)報(bào)大氣變化對(duì)氣象測(cè)量有重要作用。航空航天技術(shù)也需要對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量研究之后，才能評(píng)估航天器在發(fā)射或運(yùn)行過(guò)程中受到大氣的影響因素。因此對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量對(duì)地球的天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、航空航天研究等一系列日常或科研問(wèn)題有重要參考依據(jù)。

大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)分為直接探測(cè)和遙感探測(cè)，精度較高的為遙感探測(cè)，遙感探測(cè)也分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式為向風(fēng)場(chǎng)發(fā)射激光，利用回歸信號(hào)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)；而被動(dòng)式以大氣風(fēng)場(chǎng)中的極光或者氣輝作為光源，利用干涉圖對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，常見(jiàn)干涉儀包括邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀。這里主要對(duì)基于邁克爾遜干涉儀的被動(dòng)式風(fēng)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行討論。

二、 偏振邁克爾遜干涉儀測(cè)量法的理論分析

偏振大氣邁克爾遜干涉儀簡(jiǎn)稱PAMI，是廣角邁克爾遜干涉儀的新版本，探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)溫度和風(fēng)速的裝置。此儀器是利用旋轉(zhuǎn)偏振片法從而產(chǎn)生步進(jìn)光程差獲得不一樣的干涉強(qiáng)度在不一樣的相位之下。這種方法不適用于實(shí)時(shí)探測(cè)和用于變化快的測(cè)試目標(biāo)。而且由于運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的誤差。

偏振陣列法是用于偏振邁克爾遜干涉儀的一種四強(qiáng)度探測(cè)方法。偏振陣列法的原理與旋轉(zhuǎn)偏振片法相同，它由偏振方向不一樣的偏振單元組成，做到無(wú)需旋轉(zhuǎn)便能獲得不一樣強(qiáng)度的圖像，更方便運(yùn)用，精度高，對(duì)變化快的測(cè)量對(duì)象有效。

偏振陣列是利用四個(gè)不一樣的偏振片，把它們鑲嵌于透明的基底上，它們的偏振方向相差45°。偏振陣列的兩種主要制作形式：?jiǎn)螌雍投鄬印?/p>

偏振陣列法的原理是通過(guò)偏振方向各不一樣的偏振片產(chǎn)生四個(gè)不一樣的相位差。四面角錐棱鏡為分光器，把PAMI發(fā)射的光分成四束，然后將它們匯聚在偏振陣列上，如此就可以采取四個(gè)干涉強(qiáng)度的數(shù)值，并且實(shí)施觀察，降低誤差。偏振陣列的探測(cè)效果良好，有效地簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置系統(tǒng)。

偏振邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造示意圖如圖1所示。當(dāng)入射光射入儀器后穿過(guò)45°線起偏器（P1），之后生成兩個(gè)振幅一樣的水平偏振光和垂直偏振光。水平偏振光會(huì)穿過(guò)偏振分束器PBS，垂直偏振光會(huì)被反射，如此水平偏振光和垂直偏振光就會(huì)進(jìn)入邁克爾遜干涉儀的兩臂。

水平偏振光穿過(guò)臂末端波傳播方向是快軸的45°λ/4波片QWP。如此水平偏振光分解為平行及垂直快軸的組分。在穿過(guò)QWP時(shí)，快慢軸組分之間的相位差為λ/2。因此線偏振光就改變?yōu)榱藞A偏振光。又經(jīng)QWP后的反射鏡反射后，光再次通過(guò)QWP，又改變了λ/2的相位差，總共改變的相位差為π。這使相位位移使矢量的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，水平線偏振變?yōu)榇怪本€偏振。從PBS射出后它們又射入另一個(gè)QWP，變?yōu)閳A偏振光，它們分別成左旋和右旋。它們之和是線偏振光，它的旋轉(zhuǎn)角度取決光程差Δ。

線型偏振光穿透四面角錐棱鏡后射出四束光，線偏振光進(jìn)入偏振陣列。偏振陣列中鄰近的偏振片偏振目標(biāo)目的不一樣，偏振方向?qū)τ赒WP快軸的量度取0°，45°，90°，135°，射入偏振陣列后，測(cè)量器上會(huì)出現(xiàn)一幅容納不一樣相位的干涉圖。對(duì)一樣相位的像素值進(jìn)行測(cè)量，能取得相位不一樣的四幅圖。

三、 總結(jié)

本文對(duì)用于風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的邁克爾遜干涉儀的強(qiáng)度測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)于四強(qiáng)度法大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展具有一定參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王周琴，廖臘梅，河南省洛陽(yáng)市，洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院。endprint