地基氣輝成像干涉儀的仿真和定標(biāo)研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)地球上空中間層層頂和低熱層MLT(Mesosphere and Lower Thermosphere，60-120 km)區(qū)域大氣的溫度和風(fēng)速的同時(shí)探測(cè)，課題組研發(fā)了一臺(tái)地基氣輝成像干涉儀GBAII(Ground-Based Airglow imager interferometer),GBAII以97km處的O(1S)557.7 nm氣輝譜線和94 km處的O2(0-1)帶864.5 nm的旋轉(zhuǎn)譜線作為探測(cè)光源，將具備視場(chǎng)展寬能

2、力的廣角邁克爾遜干涉儀測(cè)風(fēng)與具備空間光譜掃描能力的窄帶干涉濾光片的轉(zhuǎn)動(dòng)譜線測(cè)溫相結(jié)合，通過(guò)氣輝的成像干涉探測(cè)90-100km范圍內(nèi)的大氣風(fēng)速和溫度。
　　鑒于GBAII是一臺(tái)自行研發(fā)的儀器，其制作必須謹(jǐn)慎。本文利用ZEMAX對(duì)GBAII的成像系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，理論計(jì)算了GBAII的像質(zhì)評(píng)價(jià)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulation Transfer Function)，并對(duì)GBAII儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。
　　仿真模擬:借助

3、ZEMAX軟件，通過(guò)人工操作軟件模擬方法，設(shè)計(jì)了符合條件的最佳GBAII的成像系統(tǒng)，給出GBAII系統(tǒng)的光學(xué)元件參數(shù)數(shù)據(jù)表格、3D立體圖、全視場(chǎng)點(diǎn)列圖（Spot Diagram）和調(diào)制傳單函數(shù)MTF圖。通過(guò)ZEMAX對(duì)GBAII系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)表明，奈奎斯特頻率處的子午方向MTF=0.43、全視場(chǎng)弧矢方向的MTF=0.18，中心視場(chǎng)的MTF=0.31。
　　理論計(jì)算MTF:理論計(jì)算出GBAII系統(tǒng)的MTF，根據(jù)GBAII的相關(guān)參

4、數(shù)，繪制出MTF與空間頻率的關(guān)系曲線，得到奈奎斯特頻率處的MTF=0.3307。
　　本文對(duì)GBAII的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
　　(1)暗電流檢測(cè):曝光時(shí)間為0.1秒時(shí)，光源是532nm時(shí)，暗電流平均值為每像素2009.2個(gè)電子計(jì)數(shù);當(dāng)光源是632.8nm時(shí)，暗電流平均值為每像素2009.1個(gè)電子計(jì)數(shù)。
　　(2)平場(chǎng)改正:使用532nm光源時(shí)，平場(chǎng)系數(shù)在1.0202到16.8274范圍內(nèi)變化;當(dāng)光源是6

5、32.8nm時(shí)，平場(chǎng)系數(shù)在1到16.7037范圍內(nèi)變化。
　　(3)干涉條紋中心的確定:對(duì)我們所使用的512×512像素的CCD探測(cè)器，通過(guò)GBAII所獲得某干涉條紋中心的進(jìn)行了確定:當(dāng)光源是532nm時(shí)，從實(shí)驗(yàn)拍攝的60幅圖中隨機(jī)挑選20幅圖來(lái)確定條紋中心的位置。對(duì)每一幅圖灰度值進(jìn)行高斯曲線擬合，求曲線的極值點(diǎn)，利用Matlab編程，最后確定CCD探測(cè)器的(255，261)像素位置;當(dāng)使用光源632.8nm時(shí)，確定干涉條紋在CC

6、D探測(cè)器的(247，300)像素位置。
　　(4)步進(jìn)相位定標(biāo):步進(jìn)相位定標(biāo)得到了光強(qiáng)度隨光程差或者說(shuō)是灰度隨步進(jìn)相位的變化關(guān)系，給出了擬合方程。使用532nm光源時(shí)，最小二乘最大似然度是65.969％;使用632.8nm光源時(shí)，最小二乘最大似然度是70.534％，得到:當(dāng)光源532nm時(shí)拍攝30次是一個(gè)周期2π，步進(jìn)相位頻率每步1.2°;光源632.8nm時(shí)拍攝50次是一個(gè)周期2π，步進(jìn)相位頻率每步0.72°。
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