偏振迈克尔逊干涉仪测量大气风场的理论分析

王周琴+廖腊梅

摘要：为了高层大气风场的精确测量，本文对最新的偏振迈克尔逊干涉仪测量高层大气风场的理论进行了总结分析，表明该仪器具有方便运用、精度高、对变化快的测量对象有效等特点。该讨论对高层大气风场测量仪器设计具有参考意义。

关键词：高层大气风场；偏振迈克尔逊干涉仪；阵列

一、 引言

大气是人类生存的屏障，科学家们一直没有停止对大气的研究和探索。大气风场的温度和速度是两个重要的气象参数，通过对大气风场的测量，可以有效地为大气行为的研究提出强有力的依据，所以对大气风场的测量具有重要的意义。

在大气中，各种物质或者化学成分的移动和传播过程都是以风为媒介的，所以对大气风场的研究是了解大气中物质变化的重要依据。通过对大气风场的研究和探索测量，可以预报大气变化对气象测量有重要作用。航空航天技术也需要对大气风场进行测量研究之后，才能评估航天器在发射或运行过程中受到大气的影响因素。因此对大气风场的测量对地球的天气预报、灾害预警、航空航天研究等一系列日常或科研问题有重要参考依据。

大气风场的测量技术分为直接探测和遥感探测，精度较高的为遥感探测，遥感探测也分为主动式和被动式。主动式为向风场发射激光，利用回归信号对大气风场进行探测；而被动式以大气风场中的极光或者气辉作为光源，利用干涉图对风场进行探测，常见干涉仪包括迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪。这里主要对基于迈克尔逊干涉仪的被动式风场测量进行讨论。

二、 偏振迈克尔逊干涉仪测量法的理论分析

偏振大气迈克尔逊干涉仪简称PAMI，是广角迈克尔逊干涉仪的新版本，探测大气风场温度和风速的装置。此仪器是利用旋转偏振片法从而产生步进光程差获得不一样的干涉强度在不一样的相位之下。这种方法不适用于实时探测和用于变化快的测试目标。而且由于运动部件的运动产生一定的误差。

偏振阵列法是用于偏振迈克尔逊干涉仪的一种四强度探测方法。偏振阵列法的原理与旋转偏振片法相同，它由偏振方向不一样的偏振单元组成，做到无需旋转便能获得不一样强度的图像，更方便运用，精度高，对变化快的测量对象有效。

偏振阵列是利用四个不一样的偏振片，把它们镶嵌于透明的基底上，它们的偏振方向相差45°。偏振阵列的两种主要制作形式：单层和多层。

偏振阵列法的原理是通过偏振方向各不一样的偏振片产生四个不一样的相位差。四面角锥棱镜为分光器，把PAMI发射的光分成四束，然后将它们汇聚在偏振阵列上，如此就可以采取四个干涉强度的数值，并且实施观察，降低误差。偏振阵列的探测效果良好，有效地简化了测量装置系统。

偏振迈克尔逊干涉仪的构造示意图如图1所示。当入射光射入仪器后穿过45°线起偏器（P1），之后生成两个振幅一样的水平偏振光和垂直偏振光。水平偏振光会穿过偏振分束器PBS，垂直偏振光会被反射，如此水平偏振光和垂直偏振光就会进入迈克尔逊干涉仪的两臂。

水平偏振光穿过臂末端波传播方向是快轴的45°λ/4波片QWP。如此水平偏振光分解为平行及垂直快轴的组分。在穿过QWP时，快慢轴组分之间的相位差为λ/2。因此线偏振光就改变为了圆偏振光。又经QWP后的反射镜反射后，光再次通过QWP，又改变了λ/2的相位差，总共改变的相位差为π。这使相位位移使矢量的方向发生反转，水平线偏振变为垂直线偏振。从PBS射出后它们又射入另一个QWP，变为圆偏振光，它们分别成左旋和右旋。它们之和是线偏振光，它的旋转角度取决光程差Δ。

线型偏振光穿透四面角锥棱镜后射出四束光，线偏振光进入偏振阵列。偏振阵列中邻近的偏振片偏振目标目的不一样，偏振方向对于QWP快轴的量度取0°，45°，90°，135°，射入偏振阵列后，测量器上会出现一幅容纳不一样相位的干涉图。对一样相位的像素值进行测量，能取得相位不一样的四幅图。

三、 总结

本文对用于风场测量的迈克尔逊干涉仪的强度测量方法进行了总结，对于四强度法大气风场测量的发展具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 唐远河，张淳民.卫星遥感被动探测高层大气风场[M].北京：科学出版社，2008.1-12.

[2] 唐远河，张淳民，贺健等.卫星遥感探測上层大气风场的关键技术研究进展[J].物理学进展，2005，25（2）：142-152.

[3] 汪丽，赵葆常，张淳民.基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪系统的理论研究[J].光学学报，2008，28（4）：700-704.

作者简介：王周琴，廖腊梅，河南省洛阳市，洛阳师范学院物理与电子信息学院。endprint