中高层大气温度与重力波探测的空间外差关键技术研究

The mesosphere region exists a lot of complex chemiluminescent reactions and radiative processes, which plays an important role in influencing the dynamics in global circulation models. However, because of rarefied atmosphere in this region, the high-precision measurements about mesospheric temperature and gravity wave activity have been largely missing from climate model inputs due to a lack of measurement techniques..Based on spatial heterodyne spectroscopy and imaging principle for each view slice of the scene, the experimental instrument related to the project will retrieve mesospheric temperature by analyzing nightglow emission spectra intensity and spectra profile in the O2 atmospheric-band (A-band) (0-0). Meanwhile, the spectral images in O2 A-band can reveal gravity wave structures. Hence, the project will research on the spectra intensity stability and radiance response in each slice of the scene..Through setting up the experimental instrument with high spectral resolution and spatial resolution in one dimension, we can get the quantitative relationship between the spectral stability and the retrieved temperature precision, system response coefficient of each slice and the gravity wave precision. Finally, the gas absorption experiment is used to verify the system response coefficient and the spectral stability..The project will provide a new method to get the global distribution of airglow and the small and medium scale gravity wave information with simultaneously imaging technique for each view slice of the scene. Furthermore, it will provide basic data for studying the temperature and gravity wave activity in the mesospheric atmosphere circulation models.

中高层大气存在着复杂的光学现象和动力学过程，是全球大气环流模式研究中的关键区域。然而，该区域大气密度过于稀薄，受限于探测技术，其温度和重力波的动力和物理过程的实际观测数据还存在不足。.本项目基于空间外差成像光谱技术，结合O2 (A-band) (0-0)气辉带光谱廓线形状与大气背景温度的变化关系，研究复原光谱精度和稳定性影响因素；结合中小尺度重力波特性与光谱成像的关系，研究分视场同时成像机理和系统响应度系数的标定和应用。.通过仿真和搭建分视场成像空间外差光谱仪试验装置，获取光谱稳定性影响因素与温度解析精度的函数关系、不同切片视场系统响应度系数与重力波解析精度的定量关系，并采用气体吸收池进行光谱稳定性和系统响应度系数的验证试验。.项目开展将为稳定的气辉带光谱廓线及光谱辐射强度分视场同时成像信息的获取提供新的探测手段，进而为中高层大气环流模式中温度和重力波的研究提供基础数据。

中高层大气，尤其是中间层顶，是中层大气和高层大气耦合的重要区域，由于飞机和气球飞行高度过低，而卫星高度又比较高，同时，这个区域大气密度过于稀薄，受限于探测技术，其温度和重力波的动力和物理过程的实际观测数据还存在不足。本项目拟通过对中高层大气参量与气辉光谱特征研究，为中高层大气参量研究提供一种新型有效的探测手段。.基于空间外差成像光谱技术，仿真了O2 (A-band) (0-0)气辉带光谱廓线形状与大气背景温度的变化关系，研究了影响复原光谱精度及稳定性的仪器参数指标。基于仿真分析，搭建和改造满足分视场空间外差光谱仪试验装置和照明光源，通过高光谱稳定性的激光光源和高绝对辐射精度的积分球等照明光源，开展实验装置光谱稳定性和系统响应度的测试和标定；通过定标数据误差处理获取试验装置的定标系数，评估用于中高层大气温度和重力波参数反演的精度。研究结果表明，对于0.5%相对光谱稳定度，利用O2 (A-band) (0-0)气辉带光谱中三个有效光谱数据点（切趾后光谱分辨率优于0.05nm），理论上在大气垂直方向上2km空间分辨条件下，可获得2K的温度解析精度。.项目开展将为稳定的气辉带光谱廓线及光谱辐射强度分视场同时成像信息的获取提供新的探测手段，进而为中高层大气环流模式中温度和重力波的研究提供基础数据。通过对气辉长期的全天候观测，还可以为空间环境（天气）预报提供丰富的观测数据、为空间综合预警系统目标识别提供重要的辅助作用。