中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒差分干涉技術(shù)（特邀）

肖旸，馮玉濤，文鎮(zhèn)清，傅頔

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

風(fēng)場(chǎng)作為表征中高層大氣動(dòng)力學(xué)特征的重要參數(shù)，是認(rèn)識(shí)高層大氣的物理現(xiàn)象和過程、揭示基本規(guī)律及其變化、研究與下層大氣之間動(dòng)量、能量和成分輸運(yùn)、建立預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)模型所不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1］。同時(shí)也對(duì)理解當(dāng)前地球科學(xué)研究中廣泛關(guān)注的日-地系統(tǒng)的天氣和氣候變化及能量收支平衡、地球系統(tǒng)的氣候變化和環(huán)境變遷及預(yù)測(cè)等重大科學(xué)問題有重要幫助。高層大氣風(fēng)場(chǎng)還對(duì)電離層預(yù)報(bào)模式的精度具有不可忽略的影響，進(jìn)而影響無線電傳輸及通訊［2］。在應(yīng)用領(lǐng)域，中高層大氣風(fēng)場(chǎng)還是航天器發(fā)射、運(yùn)行和返回過程的安全保障、亞軌道飛行器和臨近空間平臺(tái)的運(yùn)行控制、無線電通信等領(lǐng)域的重要環(huán)境保障要素。因此中高層大氣風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)也一直是大氣探測(cè)和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要研究方向。

天地基被動(dòng)光學(xué)遙感是獲取中高層大氣風(fēng)場(chǎng)直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的重要手段，20 世紀(jì)60年代國(guó)際上開始利用地基光學(xué)干涉儀開展高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，并同步開展天基中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀載荷技術(shù)試驗(yàn)研究。先后基于法布里-珀羅（Fabry-Pérot interferometer，F(xiàn)P）干涉儀、廣角邁克爾遜（Wide Angle Michelson Interferometer，WAM）干涉儀兩種體制發(fā)展出了一系列代表性科學(xué)儀器和衛(wèi)星載荷。據(jù)MERIWETHER J W 統(tǒng)計(jì)截止2006年全世界至少有10 個(gè)天文臺(tái)擁有有效工作的地基中高層大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量Fabry-Perot 干涉儀和廣角邁克爾遜干涉儀，這些天文臺(tái)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)幫助人們理解中間層和熱層過去三十年不同地區(qū)包括赤道、中緯度、極地區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特征［3］。隨著國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施—空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)“子午工程”和國(guó)家氣象局空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)推進(jìn)，國(guó)內(nèi)也已有近十個(gè)臺(tái)站安裝了地基高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀器，以引進(jìn)的美國(guó)研制Fabry-Perot 干涉儀為主［4］。

天基中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)不受地理和氣象條件限制，可提供全球尺度的空間覆蓋，對(duì)建立全球尺度大氣風(fēng)場(chǎng)高分辨率高效率探測(cè)具有更加重要的意義。1969年發(fā)射的軌道地球物理觀測(cè)臺(tái)6 號(hào)（Orbiting Geophysical Observatory-6，OGO-6）衛(wèi)星上的Fabry-Perot 干涉儀是第一個(gè)星載高層大氣溫度探測(cè)的F-P干涉儀，也是唯一一臺(tái)星載球面標(biāo)準(zhǔn)具F-P 干涉儀［5］。1982年發(fā)射的動(dòng)力學(xué)探測(cè)2 號(hào)（Dynamics Explorer-2，DE-2）衛(wèi)星上的動(dòng)力學(xué)探測(cè)者F-P 干涉儀（Dynamics Explorer-Fabry Perot Interferometer，DE-FPI），它首次實(shí)現(xiàn)了高層大氣風(fēng)場(chǎng)的衛(wèi)星測(cè)量［6］。1991年高層大氣研究衛(wèi)星（Upper Atmosphere Research Satellite，URAS）上搭載的高分辨率多普勒成像儀（The High-Resolution Doppler Imager，HRDI）第一次直接測(cè)量了同溫層、中間層和低熱層地球大氣的水平風(fēng)場(chǎng)［7］。2001年搭載于電離層中層能量學(xué)和動(dòng)力學(xué)（Thermosphere，Ionosphere，Mesosphere Energetics and Dynamics，TIMED）衛(wèi)星上的多普勒干涉儀（TIMED Doppler Interferometer，TIDI），它是在DE-FPI 和HRDI 成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)研制的新一代高分辨率F-P 干涉式光譜成像儀。TIDI 首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)與衛(wèi)星速度方向成±45°和±135°四個(gè)方向同時(shí)探測(cè)，第一次使用環(huán)轉(zhuǎn)線成像光學(xué)系統(tǒng)和高量子效率低噪聲CCD［8］。由于系統(tǒng)方案過于激進(jìn)，雜散光未得到有效抑制導(dǎo)致風(fēng)速測(cè)量精度較低，風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)未得到廣泛應(yīng)用。1991年搭載在美國(guó)宇航局UARS 上的風(fēng)場(chǎng)成像干涉儀（Wind Imaging Interferometer，WINDII）是第一個(gè)發(fā)射升空的用于上層大氣風(fēng)場(chǎng)被動(dòng)探測(cè)的邁克爾遜干涉儀，該載荷由加拿大空間署和法國(guó)國(guó)家空間研究中心聯(lián)合發(fā)起研制，主要任務(wù)是探測(cè)中高層大氣（80～300 km）風(fēng)速、溫度、氣輝體發(fā)射率［9］。

F-P 干涉測(cè)風(fēng)技術(shù)具有精度高、光程差對(duì)溫度依賴性小以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是視場(chǎng)較小難以展寬，而且標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)制造工藝要求極高。邁克爾遜干涉儀克服了F-P 干涉儀對(duì)制造工藝的高要求，可以通過擴(kuò)視場(chǎng)技術(shù)提高光通量，提高信噪比，但邁克爾遜干涉儀依賴四步相位法的原理，需要獲得相位不同的四幅干涉圖進(jìn)行反演計(jì)算，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和鍍膜工藝的要求較高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度變高，成本提升。

多普勒差分（Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，DASH）干涉技術(shù)是2006年由美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室ENGLERT C R 研究團(tuán)隊(duì)提出的一種全新的大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)實(shí)質(zhì)為一種非對(duì)稱形式空間外差干涉儀，其通過差頻干涉獲得高光譜分辨率，通過兩臂非對(duì)稱設(shè)計(jì)產(chǎn)生大基礎(chǔ)光程差實(shí)現(xiàn)高相位靈敏度，其利用干涉圖和入射光譜之間的完善傅里葉變換關(guān)系，通過計(jì)算復(fù)數(shù)干涉圖相位來反演入射光譜的多普勒頻移。2010年，HARLANDER J M 設(shè)計(jì)了地基多普勒差分干涉光譜儀（Redline DASH Demonstration Instrument，REDDI），成功對(duì)250 km 高度附近的熱層風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與法布里-珀羅干涉儀技術(shù)觀測(cè)到的風(fēng)速總體上一致［10］。2012年ENGLERT C R 團(tuán)隊(duì)公布了DASH 地基單波段（630 nm 氣輝源）原理樣機(jī)對(duì)250 km 高度熱層風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果，并與成熟商品化Fabry-Perot 干涉儀進(jìn)行對(duì)比，觀測(cè)結(jié)果優(yōu)異［11］。2013年加拿大約克大學(xué)GORDON G S 教授團(tuán)隊(duì)將同溫層輸運(yùn)研究風(fēng)場(chǎng)干涉儀（Stratospheric Wind Interferometer for Transport studies，SWIFT）技術(shù)體制由基于廣角邁克爾遜干涉體制調(diào)整為基于多普勒差分干涉體制（Stratospheric Wind Interferometer for Transport studies-Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne，SWIFT-DASH），擬通過觀測(cè)臭氧分子8.822 7 μm 發(fā)射譜線測(cè)量平流層、中間層的風(fēng)場(chǎng)和臭氧濃度［12］。2013年全球高分辨率熱層成像干涉儀（Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging，MIGHTI）入選NASA 電離層連接探測(cè)項(xiàng)目（Ionospheric Connection，ICON），該載荷通過觀察557.7，630 nm 氧原子綠線和紅線的多普勒頻移，對(duì)80～300 km 的高度區(qū)域進(jìn)行全球風(fēng)場(chǎng)探測(cè)［13］。

國(guó)內(nèi)中科院西安光機(jī)所提出了雙波段多普勒差分干涉儀技術(shù)方案［14］和高時(shí)間分辨率地基多普勒差分干涉儀方案，并研制了分別以氧原子630 nm 和氧分子867 nm 氣輝輻射線為目標(biāo)源的單通道DASHI 原理樣機(jī)［15-16］。中科院空間中心、安徽光機(jī)所、成都光電所等團(tuán)隊(duì)在多普勒差分干涉儀技術(shù)原理、數(shù)據(jù)反演、相位分析、系統(tǒng)仿真等方面也取得了一系列研究成果［17-20］。

與Fabry-Perot 干涉儀和廣角Michelson 干涉儀相比，多普勒差分干涉儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）雙光束等厚空間調(diào)制干涉，放寬了對(duì)元件光學(xué)指標(biāo)的要求，2）干涉圖一次采集不需要步進(jìn)掃描；3）依靠干涉圖與光譜圖之間的傅里葉變換關(guān)系反演風(fēng)速，不需要極窄帶寬（＜1 nm）的濾光片分離單一線光譜；4）可實(shí)現(xiàn)同步定標(biāo)，定標(biāo)光源標(biāo)準(zhǔn)譜線和探測(cè)源目標(biāo)譜線同時(shí)引入干涉儀系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉儀狀態(tài)變化，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。這些特點(diǎn)使多普勒差分干涉光譜技術(shù)被稱為“行星風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的革新性概念”［21］。本文將系統(tǒng)回顧多普勒差分干涉儀的基礎(chǔ)理論、干涉儀設(shè)計(jì)、系統(tǒng)研制工藝、數(shù)據(jù)處理與風(fēng)速反演等方面取得了一系列研究進(jìn)展，討論其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用潛力，為推動(dòng)多普勒差分干涉測(cè)風(fēng)技術(shù)進(jìn)步和儀器裝備天地基應(yīng)用提供參考。

1 多普勒差分干涉測(cè)風(fēng)技術(shù)原理

光學(xué)干涉儀探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的基本物理原理是測(cè)量大氣成分光譜的多普勒效應(yīng)，大氣成分（O2，Na，O，O3，OH 等）的精細(xì)發(fā)射譜或吸收光譜會(huì)隨著大氣運(yùn)動(dòng)和溫度變化產(chǎn)生多普勒頻移和展寬，天基和地基測(cè)風(fēng)干涉儀采用臨邊觀測(cè)模式（圖1（a））和方位掃描模式（圖1（b）），獲取大氣目標(biāo)源精細(xì)光譜的干涉圖數(shù)據(jù)，通過干涉圖的相位、對(duì)比度、幅值變化可獲得大氣光譜的多普勒頻移、展寬和強(qiáng)度變化，進(jìn)而反演出沿觀測(cè)視線方向的風(fēng)速、溫度、輻射率等大氣物理參數(shù)。對(duì)于天基大氣探測(cè)還需要對(duì)應(yīng)的迭代優(yōu)化算法進(jìn)一步從直接反演相位中解離出風(fēng)場(chǎng)高度廓線，地基探測(cè)則需要利用四個(gè)傾斜觀測(cè)方向上的視線速度合成出經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)數(shù)據(jù)。

圖1 天基和地基被動(dòng)光學(xué)遙感大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)觀測(cè)模式Fig.1 Space-based and ground-based passive optical remote sensing atmospheric wind field observation mode

多普勒差分干涉光譜技術(shù)是在廣角邁克爾遜干涉儀和空間外差干涉光譜儀的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。其基本結(jié)構(gòu)與廣角邁克爾遜干涉儀相似（如圖2 所示），兩干涉臂相對(duì)分束元件呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)置，從而為兩臂相干光引入一個(gè)大的基礎(chǔ)光程差，以實(shí)現(xiàn)高的相位靈敏度；但平面反射鏡和玻璃平板分別用閃耀光柵和特定楔角棱鏡替代，實(shí)現(xiàn)雙光束等厚空間調(diào)制干涉，干涉圖為平行干涉條紋［22］。

圖2 多普勒差分干涉儀示意圖［60］Fig.2 Schematic of Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer［60］

從干涉原理和傅里葉變換光譜學(xué)基礎(chǔ)理論角度講，其與廣角邁克爾遜干涉儀和空間外差干涉儀在理論上有顯著差異。首先與測(cè)風(fēng)廣角邁克爾遜干涉儀相比，多普勒差分干涉儀的干涉圖采集是以基礎(chǔ)光程差為中心的完整光程差采樣點(diǎn)序列，不是“四步法”對(duì)應(yīng)的四個(gè)光程差采樣。仍滿足光譜復(fù)原的最大光程差采樣要求，因此對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換后，在光譜維可以高光譜分辨區(qū)分目標(biāo)源譜線和臨近非目標(biāo)譜線，這是廣角邁克爾遜干涉儀無法做到的。所以多普勒差分干涉儀可以降低對(duì)工作波段濾光片帶寬的要求，且能夠?qū)崿F(xiàn)同步相位定標(biāo)。

與空間外差干涉光譜技術(shù)相比，由于多普勒差分干涉儀引入一個(gè)大基礎(chǔ)光程差，復(fù)原光譜會(huì)存在十分巨大的相位誤差，由傅里葉變換光譜學(xué)理論可知，這將導(dǎo)致復(fù)原光譜幅值錯(cuò)誤，因此無法像空間外差光譜儀那樣進(jìn)行連續(xù)光譜輻射的正確測(cè)量（如圖3 所示）。在相同Littrow 波數(shù)、相同光譜分辨率條件下，對(duì)于相同入射光譜輻射曲線，空間外差干涉光譜儀可以反演出完全相同形狀的復(fù)原光譜曲線，而多普勒差分干涉儀復(fù)原光譜譜形是完全錯(cuò)誤的。

圖3 SHS 與DASH 光譜反演能力比對(duì)Fig.3 Comparison of spectral inversion capabilities between SHS and DASH

反之，空間外差干涉技術(shù)面向精細(xì)光譜輻射曲線準(zhǔn)確探測(cè)，雙邊采樣情況下理想干涉圖采樣中心點(diǎn)光程差為零；工程實(shí)踐中，干涉儀追求兩臂相對(duì)分束元件盡量對(duì)稱以減小零光程差采樣點(diǎn)的相位誤差，且光譜復(fù)原過程中需要采用校正算法消除相位誤差對(duì)光譜譜型的影響。所以，空間外差光譜儀對(duì)入射光譜多普勒頻移的相位響應(yīng)靈敏度極低，不能用于基于相位反演的目標(biāo)光譜多普勒效應(yīng)測(cè)量。如圖4 所示在相同Littrow 波數(shù)、相同光譜分辨率條件下，對(duì)于相同的頻移量0.052 9 cm-1，空間外差光譜儀最大相位變化量?jī)H為0.18 rad，多普勒差分干涉儀的相位變化量達(dá)到1.5 rad。

圖4 SHS 與DASH 多普勒頻移靈敏度比對(duì)Fig.4 Comparison of Doppler shift sensitivity between SHS and DASH

多普勒差分干涉技術(shù)與空間外差干涉技術(shù)分別面向高靈敏度相位測(cè)量及高精度光譜測(cè)量的差異化應(yīng)用場(chǎng)景，具備不同的儀器特點(diǎn)。由于多普勒差分干涉技術(shù)需要在較大的光程差下實(shí)現(xiàn)極高的相位靈敏度，其要求干涉儀具有極高的自身穩(wěn)定性，且非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的干涉效率保持、干涉儀熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)及工程實(shí)施均更均有挑戰(zhàn)性，而空間外差干涉儀不面臨上述技術(shù)問題。

2 多普勒差分干涉儀理論研究進(jìn)展

2006年ENGLERT C R 提出多普勒差分干涉光譜技術(shù)，國(guó)內(nèi)外大氣探測(cè)和精細(xì)光譜探測(cè)領(lǐng)域多家研究機(jī)構(gòu)隨即跟進(jìn)研究。理論研究方面，在干涉圖相位解析表達(dá)、直接相位反演方法、干涉圖缺陷及預(yù)處理方法、干涉圖質(zhì)量與相位反演不確定度的理論關(guān)系、熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論、基準(zhǔn)相位定標(biāo)理論、星載觀測(cè)風(fēng)廓線反演方法等方面均取得了系統(tǒng)性進(jìn)展。

2.1 干涉圖解析表達(dá)及相位反演理論

ENGLERT C R 基于空間外差干涉光譜技術(shù)和傅里葉變換光譜學(xué)理論給出了多普勒差分干涉公式的解析表達(dá)，如式（1）所示，該表達(dá)式數(shù)學(xué)形式規(guī)整，但不能準(zhǔn)確反應(yīng)基礎(chǔ)光程差變化對(duì)相位穩(wěn)定性影響的敏感性［22］。ZHANG Yafei 提出了多普勒差分干涉儀相位精確表達(dá)式（2），并通過實(shí)驗(yàn)證明基礎(chǔ)光程差變化帶來的相位變化與目標(biāo)光譜波數(shù)成正比［23］。

ENGLERT C R 給出基于傅里葉變換光譜學(xué)理論的復(fù)干涉圖虛部與實(shí)部比值反正切計(jì)算多普勒差分干涉儀相位反演方法，并指出多譜線同步探測(cè)下采用窗函數(shù)提取單一譜線，再通過復(fù)干涉圖反演相位的理論方法，確立了多普勒差分干涉儀最核心的數(shù)理模型［22-24］?；谏鲜隼碚摽蚣埽瑖?guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步對(duì)影響相位反演精度的因素進(jìn)行了理論分析。ENGLERT C R 給出了干涉圖噪聲向反演相位傳遞的理論關(guān)系，指出反演相位噪聲與干涉圖信噪比成反比、與干涉圖采樣點(diǎn)和窗函數(shù)寬度的平方根成正比。SUN Chen 進(jìn)一步指出上述信噪比為有效信噪比，等于干涉圖直接信噪比和干涉圖條紋對(duì)比度的乘積［15-16］。沈靜、陳潔婧等討論了窗函數(shù)類型對(duì)相位反演精度的影響，得出通常情況下漢寧窗為單線提取的最優(yōu)選擇［25-26］。

LIU Jilin 等提出一種基于Hilbert 變換的干涉圖相位反演方法，主體思路是將零風(fēng)速和有風(fēng)速兩組干涉數(shù)據(jù)去基線之后的余弦信號(hào)yi(x)=A(x)cos(ωx+φi)進(jìn)行Hilbert 變換得到共軛信號(hào)yi(x)，再計(jì)算得到兩組干涉數(shù)據(jù)的相位差。這種反演方法的優(yōu)點(diǎn)在于省略了傅里葉方法分別求兩組數(shù)據(jù)各自相位再求相位差的中間過程，避免了一些算法自身帶來的誤差，基于Hilbert 變換的方法相較傳統(tǒng)的傅里葉方法在數(shù)據(jù)低信噪比時(shí)有精度優(yōu)勢(shì)［27］。

多普勒差分干涉儀通過計(jì)算相位變化反演入射光譜的多普勒頻移，基準(zhǔn)相位標(biāo)定是計(jì)算相位變化的基礎(chǔ)，ENGLERT C R 研究了穩(wěn)頻線譜標(biāo)準(zhǔn)燈相位與大氣氣輝光譜基準(zhǔn)相位傳遞的理論關(guān)系，并指出多普勒差分干涉儀同步定標(biāo)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。面向天基應(yīng)用，MIGHTI 載荷提出采用衛(wèi)星機(jī)動(dòng)前后兩個(gè)方向觀測(cè)同一大氣區(qū)域進(jìn)行零風(fēng)速相位定標(biāo)的技術(shù)方案［22，28-29］。

2.2 干涉儀設(shè)計(jì)及熱補(bǔ)償理論

相比于空間外差光譜儀，多普勒差分干涉儀設(shè)計(jì)還需解決在大光程差采樣情況下干涉效率優(yōu)化和保持基準(zhǔn)相位穩(wěn)定性的熱補(bǔ)償問題。多普勒差分干涉儀基礎(chǔ)光程差由兩臂視場(chǎng)棱鏡尺寸及視場(chǎng)棱鏡與分光棱鏡間距共同確定，兩臂呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，HARLANDER J M 從幾何光學(xué)角度指出干涉儀兩臂光柵像垂直于光軸且相互重合時(shí)干涉儀干涉效率最優(yōu)［30］。另外提出了視場(chǎng)棱鏡材料折射率溫度系數(shù)與光柵基底熱膨脹系數(shù)之間的匹配關(guān)系，并參考廣角邁克爾遜干涉儀熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，提出實(shí)體化多普勒差分干涉儀間隔支撐元件材料與視場(chǎng)棱鏡材料熱膨脹系數(shù)的匹配關(guān)系［10］。另外，為拓展多普勒差分干涉儀的探測(cè)能力，借鑒寬譜段空間外差光譜譜段拓展方法，國(guó)內(nèi)外提出了多種多普勒差分干涉儀設(shè)計(jì)方案，包括基于中階梯光柵多級(jí)衍射［10，31］、雙通道分色共用分光棱鏡［32-33］、光柵堆疊共用分光棱鏡等［34］。并提出了適用于寬譜段干涉儀的視場(chǎng)展寬棱鏡設(shè)計(jì)方法［35］，多通道干涉圖同步獲取方法，如分色條紋成像系統(tǒng)［36］，視場(chǎng)耦合前置系統(tǒng)等［37-38］。形成了四類有代表性的干涉儀結(jié)構(gòu)形式，如圖5。

圖5 多普勒差分干涉儀四種典型結(jié)構(gòu)形式（Zemax 圖）Fig.5 Four typical structural forms of DASH（Zemax diagram）

第一種是HARLANDER J M 等提出的基于Koster 棱鏡的準(zhǔn)共路多普勒差分干涉儀［10］，這種形式干涉儀兩臂共用同一視場(chǎng)棱鏡和光柵的不同部分，有利于熱補(bǔ)償和干涉儀集成誤差控制，但相同指標(biāo)下干涉儀尺寸較大。第二種是與廣角邁克爾遜干涉儀完全相同的結(jié)構(gòu)形式，采用90°或120°的分束元件，兩干涉臂采用不同厚度的視場(chǎng)棱鏡和不同材料的間隔元件實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)光程差和熱補(bǔ)償，這種形式的干涉儀應(yīng)用最為普遍［10］。第三種形式是在第二種形式的基礎(chǔ)上將長(zhǎng)臂視場(chǎng)棱鏡差分成一個(gè)平行平板和一個(gè)與短臂視場(chǎng)棱鏡相同的楔形棱鏡，平行平板可單獨(dú)集成到干涉儀光路中，例如GORDON G S 報(bào)道的SWIFT-DASH［12］，也可以和分光棱鏡做成一體，例如WEI Dakang 報(bào)道的DASH［39］，這種結(jié)構(gòu)可以解決紅外材料尺寸受限的問題，但會(huì)增加干涉儀元件加工和組件集成的難度。第四種結(jié)構(gòu)是HARLANDER J M 等提出的實(shí)條紋多普勒差分干涉儀結(jié)構(gòu)［40］，采用偏振分束元件、波片和不同色散率的光柵組成第二種形式的差分干涉儀，再將兩套分辨率不同的干涉儀組合使干涉圖定域面轉(zhuǎn)移到干涉儀出口之外，從而可以在不增加其他二次成像鏡組的情況下，直接可以用探測(cè)器接收到干涉圖，這種干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，但能量利用率低、雜散光大和集成復(fù)雜，未見實(shí)際應(yīng)用。

2.3 干涉圖預(yù)處理理論及方法

多普勒差分干涉儀與其他傅里葉變換光譜儀類似，在實(shí)踐應(yīng)用中原始干涉圖數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)受到光學(xué)元件、光電傳感器、光學(xué)系統(tǒng)的各種誤差或缺陷的影響，進(jìn)而會(huì)降低相位反演精度，因此自該技術(shù)提出以來，干涉圖預(yù)處理方法的研究一直是相位反演技術(shù)研究的重要環(huán)節(jié)。由于多普勒差分干涉儀是由空間外差干涉光譜技術(shù)衍生而來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者首先研究了干涉圖平場(chǎng)對(duì)相位反演不確定度的影響，平場(chǎng)主要是為了消除干涉儀兩臂元件光學(xué)性能不一致性或不均一性、探測(cè)器響應(yīng)非均勻性引起的干涉圖對(duì)比度降低或局部相位畸變［41-42］。對(duì)于天基多普勒差分干涉儀系統(tǒng)臨邊高度方向的數(shù)據(jù)反演要求儀器響應(yīng)與觀測(cè)臨邊高度無關(guān)，平場(chǎng)可修正垂直方向響應(yīng)不均勻；水平方向干涉圖相位反演受像元響應(yīng)變化的影響，平場(chǎng)可修正水平方向行像元響應(yīng)不均勻，提高相位反演精度。于婷婷等分析了宇宙射線和探測(cè)器熱像元形成的干涉圖沖擊噪聲對(duì)相位反演精度的影響及近鄰插值處理方法［43］。多普勒差分干涉儀的干涉圖定域面與光電探測(cè)器感光面互為物像共軛關(guān)系，干涉圖投射到面陣探測(cè)器上的成像位置的變化會(huì)導(dǎo)致反演相位的漂移，KENNETH D M 提出在光柵面上刻蝕周期標(biāo)尺圖案并用擬合算法監(jiān)測(cè)光柵與探測(cè)器之間共軛成像位置關(guān)系的變化，用以修正由于成像位置變化導(dǎo)致的相位漂移［44-45］。周冠系統(tǒng)分析了干涉圖相位畸變來源及畸變對(duì)反演相位的影響，指出局部相位畸變對(duì)相位反演精度影響有限［46］。

2.4 風(fēng)廓線反演算法

面向天基臨邊觀測(cè)模式，HARDING B J 提出了基于“剝洋蔥”思想的風(fēng)場(chǎng)廓線反演方法［47-48］?；谂R邊觀測(cè)模式及多層大氣模型，進(jìn)入儀器視場(chǎng)的光譜輻射信號(hào)包含了沿觀測(cè)視線所穿過的所有大氣光譜信號(hào)的累加，基于多層大氣模式可將連續(xù)輻射積分干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同大氣區(qū)域干涉信號(hào)的累加，表示為

其中各層大氣區(qū)域干涉信號(hào)可表示為

式中，Φn為第n層大氣風(fēng)速引起的相位變化量，αmn為觀測(cè)第m層大氣時(shí)的觀測(cè)視線方向與第n層大氣水平方向的夾角，Φncosαmn表示觀測(cè)第m層大氣時(shí)第n層大氣風(fēng)速引起的相位變化量在觀測(cè)方向的投影值。ωmn為觀測(cè)第m層大氣時(shí)第n層大氣信號(hào)所占的權(quán)重。

基于多層大氣模型，觀測(cè)每層大氣所獲取的干涉圖均受到該層大氣以上的各層大氣的影響，每層大氣風(fēng)速均會(huì)對(duì)該層大氣以下的大氣觀測(cè)結(jié)果造成影響。根據(jù)上述多層大氣模型，采用“洋蔥剝皮”的多層大氣修正方法。首先反演0 層大氣（頂層），再根據(jù)頂層大氣風(fēng)速反演結(jié)果，逐層向底層反演，即能獲取各高度大氣切點(diǎn)區(qū)域干涉信號(hào)，表示為

基于上述目標(biāo)層干涉圖求解流程，首先剝離目標(biāo)層干涉圖，再利用相位風(fēng)速反演方法獲取各層各切點(diǎn)區(qū)域?qū)?yīng)視線風(fēng)速信息。

3 多普勒差分干涉儀儀器研究進(jìn)展

自2006年多普勒差分干涉測(cè)風(fēng)技術(shù)被提出以來，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、空間實(shí)驗(yàn)室、加拿大約克大學(xué)、德國(guó)于利希研究所、中科院西安光機(jī)所等國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)相繼開展硬件設(shè)計(jì)及研制工藝研究。2010年HARLANDER J M 報(bào)道了基于Koster 棱鏡的氧原子紅線（630 nm 氣輝源）多普勒差分干涉儀原理儀器（REDDI）設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，通過測(cè)試干涉圖對(duì)比度與干涉光束孔徑角、譜線半寬的關(guān)系驗(yàn)證了干涉儀設(shè)計(jì)［10］，通過溫度拉偏測(cè)試驗(yàn)證了干涉儀熱補(bǔ)償效果，并指出干涉儀組件0.1 ℃的主動(dòng)溫控要求［10］，見圖6。2012年公布了紅線多普勒差分干涉儀（REDDI）在北卡萊羅那州皮斯加天文研究所對(duì)250 km 高度熱層風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果，并與成熟商品化Fabry-Perot 干涉儀進(jìn)行對(duì)比，觀測(cè)結(jié)果符合良好［11］。

圖6 地基多普勒差分干涉儀［10］Fig.6 The redline DASH demonstration instrument［10］

在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室小型商業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃第一、二階段項(xiàng)目支持下，面向天基中間層低熱層/電離層（Mesosphere，Lower Thermosphere and lower Ionosphere，MLTI）大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)發(fā)展了航天多普勒差分干涉儀原型樣機(jī)的設(shè)計(jì)和研制，命名為多普勒風(fēng)場(chǎng)大氣紅線干涉儀（Atmospheric Redline Interferometer for Doppler Winds，ARROW）［49］，見圖7。ARROW 原型樣機(jī)以氧原子紅線630 nm 譜線為觀測(cè)目標(biāo)源，采用雙視場(chǎng)共用一臺(tái)Koster 棱鏡分光的多普勒差分干涉儀的系統(tǒng)方案，該樣機(jī)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多普勒源測(cè)試，結(jié)果顯示速度反演精度優(yōu)于2 m/s。為開展地基外場(chǎng)試驗(yàn)，樣機(jī)前置系統(tǒng)更改為三視場(chǎng)拼接方式，在佛羅里達(dá)州代托納比奇由安博瑞德航空大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與地基Fabry-Perot 干涉儀開展為期一周的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，但僅公開報(bào)道了原始干涉圖數(shù)據(jù)。

圖7 多普勒風(fēng)場(chǎng)大氣紅線干涉儀［49］Fig.7 The atmospheric redline interferometer for Doppler winds［49］

加拿大約克大學(xué)SHEPHERD G G 教授團(tuán)隊(duì)將同溫層輸運(yùn)研究風(fēng)場(chǎng)干涉儀（SWIFT）技術(shù)體制由基于廣角邁克爾遜干涉體制調(diào)整為基于多普勒差分干涉體制（SWIFT-DASH），擬通過觀測(cè)臭氧分子8.822 7 μm 發(fā)射譜線測(cè)量平流層、中間層的風(fēng)場(chǎng)和臭氧濃度，并研制了國(guó)際上首臺(tái)長(zhǎng)波紅外多普勒差分干涉儀樣機(jī)，光譜分辨率達(dá)到0.029 cm-1，干涉儀采用全玻璃和晶體一體化膠合集成工藝［50］，見圖8。

圖8 同溫層輸運(yùn)研究多普勒差分干涉（SWIFT-DASH）［50］Fig.8 Stratospheric wind interferometer for transport studies—Doppler asymmetric spatial heterodyne［50］

2011～2015年西安光機(jī)所開展寬譜段多普勒差分干涉光譜技術(shù)研究。針對(duì)以氧原子557.7 nm 和630 nm發(fā)射譜線為目標(biāo)源進(jìn)行中高層大氣風(fēng)場(chǎng)地基觀測(cè)，開展寬譜段多普勒差分干涉儀中階梯光柵參數(shù)優(yōu)化、消色差視場(chǎng)展寬設(shè)計(jì)、視線風(fēng)速反演等理論研究。基于刻線密度為46.1 gr/mm 的中階梯光柵、K9-BaF8 消色差視場(chǎng)棱鏡和120°分光棱鏡的寬譜段多普勒差分干涉儀研制了地基原理樣機(jī)（如圖9），光譜分辨率0.29 cm-1，基礎(chǔ)光程差31 mm，氧原子綠線和紅線對(duì)應(yīng)衍射級(jí)次分別為35級(jí)和31級(jí)。在實(shí)驗(yàn)室采用Kr燈、Na燈、Ne燈對(duì)原理樣機(jī)寬譜段干涉特性實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。2016年1月原理樣機(jī)在云南麗江天文觀測(cè)站進(jìn)行了外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，成功獲取到氧原子630 nm 和557.7 nm 氣輝外場(chǎng)觀測(cè)干涉圖，見圖10。

圖9 寬譜段多普勒差分干涉儀原理樣機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)光源干涉圖Fig.9 Prototype of broad-band Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer and interferogram of standard source

圖10 外場(chǎng)試驗(yàn)采集到的630 nm 和557.7 nm 氣輝的干涉圖Fig.10 Interferogram of the airglow 630 nm and 557.7 nm

2016年開始，西安光機(jī)所將研究重點(diǎn)由多普勒差分干涉儀技術(shù)研究轉(zhuǎn)向工程關(guān)鍵技術(shù)和核心工藝攻關(guān)。在中科院西部青年學(xué)者項(xiàng)目支持下開展多普勒差分干涉儀熱穩(wěn)定性工藝研究，著重研究實(shí)體化多普勒差分干涉儀熱補(bǔ)償方法、干涉儀玻璃元件成型方法、干涉儀組件膠合集成工藝、干涉儀支撐結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)及集成工藝等［47-48］。研制了以氧原子紅線630 nm 氣輝為觀測(cè)目標(biāo)源的多普勒差分干涉儀穩(wěn)定性工藝試驗(yàn)件，利用穩(wěn)頻精度為2 MHz 的He-Ne 激光器測(cè)試干涉儀組件長(zhǎng)期相位穩(wěn)定性優(yōu)于5 mrad，已達(dá)到工程實(shí)用化要求，標(biāo)志著多普勒差分干涉儀核心干涉儀組件設(shè)計(jì)和研制工藝得到了系統(tǒng)性的突破［51］，見圖11。

圖11 多普勒差分干涉儀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.11 DASH structure and result of the phase stability experiment

德國(guó)Jülich 研究中心（2020年）針對(duì)多普勒差分干涉儀的干涉儀設(shè)計(jì)和熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題取得了多項(xiàng)研究成果，并研制了以630 nm 氣輝輻射線（發(fā)射光譜）為探測(cè)源的地基單波段多普勒差分干涉儀原理樣機(jī)［39］。該干涉儀采用第三種干涉儀結(jié)構(gòu)形式，并將長(zhǎng)臂視場(chǎng)棱鏡拆分出來的平行平板與分光棱鏡做成一體。干涉儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相位穩(wěn)定性為0.469 rad/℃，也獲得了外場(chǎng)觀測(cè)的原始干涉圖［52］，見圖12。

圖12 Jülich 研究中心研制的多普勒差分干涉儀［39］Fig.12 DASH developed by Jülich Research Center［39］

基于多普勒差分干涉儀（DASH）技術(shù)體制的全球高分辨率熱層成像干涉儀（MIGHTI）2013年入選NASA 電離層連接探測(cè)項(xiàng)目（ICON），MIGHTI 由美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)研制。載荷由兩臺(tái)正交安裝（與衛(wèi)星飛行方向45°和135°）的單機(jī)組成，載荷功能是測(cè)量全球尺度90～300 km 水平大氣風(fēng)場(chǎng)矢量高度廓線和90～140 km 大氣溫度廓線。載荷的垂直空間分辨率為5 km，水平空間分辨率為500 km。目標(biāo)是為研究電離層強(qiáng)烈的擾動(dòng)、底層大氣與外層空間的能量和動(dòng)量傳輸以及太陽風(fēng)和磁場(chǎng)效應(yīng)改變大氣-空間系統(tǒng)相互作用的機(jī)制提供動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)［13］。該載荷采用中階梯光柵譜段展寬、星上同步定標(biāo)、雙色分光條紋成像系統(tǒng)方案，可同時(shí)測(cè)量557.7 nm 和630 nm 兩個(gè)波段目標(biāo)光譜和相應(yīng)的定標(biāo)譜線的干涉圖（2020）［54-55］，ICON 衛(wèi)星2019年8月發(fā)射，使得MIGHTI 成為國(guó)際上首臺(tái)在軌應(yīng)用的多普勒差分測(cè)風(fēng)干涉儀載荷，經(jīng)與地基FPI 測(cè)風(fēng)干涉儀和流星雷達(dá)交叉檢驗(yàn)（2021年），結(jié)果顯示數(shù)據(jù)一致性良好，首次證明了DASH 天基應(yīng)用潛力［56-57］，見圖13。HARLANDER J M 等進(jìn)一步將MIGHTI 干涉儀組件改造成用于微納衛(wèi)星的小型化測(cè)風(fēng)載荷，由于衛(wèi)星姿態(tài)控制精度和星上資源條件的限制，載荷的空間分辨率和風(fēng)速測(cè)量精度均會(huì)存在不同程度的降低［58］，見圖14。

圖13 MIGHTI 儀器圖［29］Fig.13 Instrument diagram of MIGHTI［29］

圖14 mini-MIGHTI 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試圖［58］Fig.14 Laboratory test diagram of mini-MIGHTI［58］

2017年至2020年，中科院西安光機(jī)所牽頭聯(lián)合中科院空間中心、武漢物數(shù)所、北京應(yīng)用氣象研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等單位開展了星載寬譜段多普勒差分干涉儀關(guān)鍵技術(shù)研究工作，見圖15。面向全球尺度平流層、中間層、熱層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，突破了星載中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)總體技術(shù)、臨邊觀測(cè)雙視場(chǎng)耦合技術(shù)、星載可見光寬譜段多普勒差分干涉儀技術(shù)和長(zhǎng)波紅外多普勒差分干涉儀設(shè)計(jì)技術(shù)、星載高熱穩(wěn)定干涉儀技術(shù)、多普勒差分干涉儀高精度相位定標(biāo)、中高層大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)反演與質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了基于反射棱鏡的雙視場(chǎng)拼接和分色成像系統(tǒng)方案的驗(yàn)證；實(shí)現(xiàn)了可見光雙波段和近紅外單波段實(shí)體多普勒差分干涉儀的成功研制，并通過了航天環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證［59］，見圖16。

圖15 星載寬譜段多普勒差分干涉儀工程樣機(jī)Fig.15 Prototype of space-borne broad-band Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

圖16 長(zhǎng)波紅外差分干涉儀原理樣機(jī)Fig.16 Prototype of long-wave infrared spatial heterodyne spectroscopy

2020年受中科院空間中心委托研制“子午工程”Ⅱ期--地基高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)干涉儀630 nm 通道多普勒差分干涉儀核心模塊，見圖17。標(biāo)志著研究所地基高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒差分干涉儀步入應(yīng)用階段，今年630 nm 通道裝備將投入外場(chǎng)觀測(cè)應(yīng)用，通過與科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合推進(jìn)，未來有望替代進(jìn)口同類科學(xué)觀測(cè)儀器。

圖17 地基多普勒差分測(cè)風(fēng)干涉儀Fig.17 Ground-based Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

4 結(jié)論

經(jīng)過近二十年的發(fā)展，多普勒差分干涉測(cè)風(fēng)技術(shù)已經(jīng)形成建立了探測(cè)技術(shù)原理、干涉儀優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)反演等方面的系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，國(guó)際上多家研究機(jī)構(gòu)開展了干涉儀核心組件研制工藝探索，成功研制出了覆蓋從可見光到長(zhǎng)波紅外多個(gè)波段的多普勒差分干涉儀樣機(jī)，地基儀器和天基載荷也已經(jīng)發(fā)展到應(yīng)用推廣階段。多普勒差分干涉儀具有元件光學(xué)指標(biāo)要求相對(duì)寬松、干涉圖一次采集不需要步進(jìn)掃描、反演過程中依靠算法提取目標(biāo)譜線從而降低了工作通道濾光片極窄帶寬要求、可實(shí)現(xiàn)與觀測(cè)同步定標(biāo)等原理性特點(diǎn)，且均已通過實(shí)驗(yàn)證明。這使得該技術(shù)成為中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，未來該技術(shù)將在地基、天基中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，也將為中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀器水平帶來新的提升。

國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究始于2010年前后，經(jīng)過十余年研究積累，在天地基大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒差分干涉儀總體技術(shù)、核心干涉儀設(shè)計(jì)與研制、風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)反演理論與算法等方面均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。尤其，系統(tǒng)掌握了測(cè)風(fēng)多普勒差分干涉儀的譜段拓展、視場(chǎng)展寬、熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)、風(fēng)廓線反演、相位標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，以及高靈敏度、高穩(wěn)定干涉儀組件的核心制造工藝，使得地基大氣高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒差分干涉儀已步入應(yīng)用推廣階段，也已具備面向星載應(yīng)用的多普勒差分干涉儀研發(fā)能力，為我國(guó)天、地基大氣及空間環(huán)境參數(shù)遙感探測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。