电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用

摘要：风是理解大气动力学行为、热力学性质和成分结构的一个关键参数，大气风场的探测已成为当今国际上的前沿科
学和热门研究课题．高层大气（８０～ ３００ ｋｍ）风场被动探测的基础理论是干涉成像技术和电磁波的多普勒效应．论文对气辉（极
光）的形成、电磁波的多普勒效应和双光束干涉进行了解释；对通过探测目标气辉谱线的多普勒频移，获知大气风场的速度、
（ ） 中图分类号： 文献标识码： 文章编号Βιβλιοθήκη Baidu Ｏ ４３１．１
Ａ
１０００ ０７１２ ２０１９ ０２ ００５２ ０３
【 】 ＤＯＩ １０．１６８５４ ／ ｊ．ｃｎｋｉ．１０００ ０７１２．１８０２９７
风是理解大气动力学行为、热力学性质和成分
结构的一个关键参数，因为风描绘施加在大气上的
２ 电磁波的多普勒效应
当光源和探测器相对运动时，探测器上接收的 光 的 频 率 与 光 源 的 真 实 频 率 不 同 ，这 就 是 光 （电 磁 波）的多普勒效应 ： ［１，６］
（槡 ） （ ） ν ＝
１＋υ２ ／ ｃ２ １＋υｃｏｓ θ ／ ｃ
ν０ ≈
１＋ υ ｃｏｓ θ ｃ
ν０
（１）
式中 ν 为当光源与观察者之间以相对运动速度 υ 运
物体发出光的有不同的频率，从而有不同的谱 线，谱线宽度和发光物体的温度有关．同时物体本身 的运动会使其发光谱线产多普勒频．由于风场速度 和大气温度对谱线宽度和中心波长位移所产生的影 响随之反应到干涉条纹的变化上来，因此可通过获 取目标气辉谱线的干涉图来反演出大气风场信息， 为全球大气研究奠定基础．
被动式探测大气风场的光源来源于高层大气中 氧原子跃迁形成的两条谱线．太阳的紫外和超紫外 辐射使高层大气中产生了氧的激发态，从 Ｏ（１Ｓ）态 跃迁到 Ｏ（１ Ｄ）态产生 ５５７．７ ｎｍ 的谱线，然后再从 Ｏ（１Ｄ）态跃迁到基态产生的 ６３０．０ ｎｍ 谱线，这一辐 射即形成了理想的多普勒目标，其光谱线型一般为 高 斯 轮 廓 ［１３］．
温度和粒子辐射率的原理进行了论述；给出了由于频移量数值极小难以观测、进而将频移量的观测转换成对位相、干涉图观
测的四强度探测理论．向读者展示了电磁学、光学的基本原理应用到当今高新科技中的巧妙与完美，启发对物理学基本知识应
用和对科学家创新思维的联想和思考．
关键词：高层大气风场被动遥感探测；多普勒效应；干涉成像技术；四强度探测法
１ 气辉（极光）的形成
大气风场被动探测的光源为自然界形成的气 辉．气辉是由于太阳辐射使大气中的原子、分子、粒 子激发到较高能态，激发粒子由高能态向低能级跃
； 收稿日期： 修回日期：
２０１８ － ０５ － ２１
２０１８ － ０７ － １０
基金项目：西安交 通 大 学 “名 师、名 课、名 教 材”建 设 工 程 项 目；国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （４１５３０４２２）；国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划
２第０１３９８年卷２第月２ 期
大 学 物 理
ＣＯＬＬＥＧＥ ＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ． ２０１９
櫍殻
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电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用
张淳民
（西安交通大学 理学院，陕西 西安 ） ７１００４９
力引起的效应，传输能量、动量和各种大气成分［１］．
风场测量可以得知风场速度、温度、湿度、大气辐射
等；可以描绘出全球大气的循环及其季节性的和长
期性的变化，以及地球大气的气候及天气情况．因此
大气风场的探测已成为当今国际上的前沿科学和热
门研究课题［２，３］．
空基光学干涉技术是获取大气风场信息的一
种十分有效的测量手段．它可以同时探测大气风场
的速度、温度和压强，以及大气成分等信息．在空基
探 测 中 ，被 动 式 光 学 干 涉 方 法 因 其 不 需 要 人 工 光
源 ，设 备 重 量 轻 ，运 行 成 本 低 ，而 被 广 泛 采 用 ． 目 前
在被动式大气风场遥感探测领域处于领先和代表
性的工作为星载风成像干涉仪 （ ＷＩＮＤＩＩ Ｗｉｎｄ Ｉｍａ
动 对
ｇｉｎｇ ）以及后续 Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ 开展的研究工作．广角
迈克耳孙干涉仪用于大气风场探测技术，首先由加
拿大 大学 （ Ｙｏｒｋ
ＣＲＥＳＳ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｅａｒｔｈ
）的首席科学家 教 ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｇ． Ｇ． Ｓｈｅｐｈｅｒｄ
授和法国空间署的 Ｇ． Ｈｉｌｌｉａｒｄ 教授于 １９６６ 年提出．
（ ）资助 ２０１２ＡＡ１２１１０１
作者简介：张淳民，（１９５６—），男，陕西咸阳人，西安交通大学教授、博导，主要从事空间光学、成像光谱技术、大气遥感探测研究工作．
第２期
张淳民：电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用
５３
迁时发射光子所产生，常因参与作用的成分和过程 不同而呈现不同的颜色．
风成像干涉仪 （由 ＷＩＮＤＩＩ Ｇ． Ｇ． Ｓｈｅｐｈｅｒｄ 教授和 Ｇ．
Ｈｉｌｌｉａｒｄ 教授联合研制），分别对 ８０ ～ ３００ ｋｍ 高度范
围内的大气风场（风速、温度、体发射率等）进行了 探 测 ［１］．
国内开展中高层大气风场被动遥感探测技术研 究的有西安交通大学、武汉大学和西安光机所等．
西安交通大学本课题组从 １９９７ 年开始就对中 高层大气风场探测的相关理论与技术进行了预先研 究［４，５］．在国际上首次开展了对佛克脱轮廓大气风场 的探测；提出了全方位、多方向风场探测理论；提出 了时空混合调制偏振风迈克耳孙干涉仪；提出了大 气风场静态（无运动部件）被动遥感探测的创新理 论和测量模式［４，５］．近年来，在大气风场探测理论、技 术 、装 置 研 制 方 面 取 得 了 多 方 面 的 重 要 成 果 ［４，５］． 成 功研制了基于广角迈克耳孙干涉仪（含有动镜）的 风成像干涉仪地面实验装置，被探测光源为高度在 ６０～３００ ｋｍ 范围内的可见光波段气辉辐射，测量的 大气参 数 为 水 平 风 场 和 温 度；取 得 了 良 好 的 实 验 结果．