气辉光谱温度成像仪为SATI：中层温度监测地面仪器外文翻译资料

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气辉光谱温度成像仪为SATI：中层温度监测地面仪器

光谱大气温度成像仪是一种双通道，Fabry–Perot 光谱仪针对环形场和冷却的CCD探测器。所检测到的条纹图案包含径向方向上的光谱信息和从环形视场中获得的方位角空间信息。在94公里和87公里从OH Meinel6,2波段发射层的Q分公司从O2大气0,1气辉辐射层的转动温度仪测量。对温度求导的方法是基于线发射率与温度的关系。这种依赖性可以通过测量光谱的最小二乘拟合来确定一组合成谱的温度，这种方法最大限度地减少来自天空背景和探测器的噪声的影响。光谱大气温度成像仪的开发是为了满足一种监测气候变化的作用通过中间层的平均温度和重力波的长期观察，从单站的需要，以及大型波扰动通过多站的使用。

1.介绍

上层大气的全球尺度动态是地球气候的重要指标。在某种程度上，这是因为该地区对太阳变化的影响，但也正是因为大气层的强烈影响到下面的地区，那里的影响如潮汐和重力波的起源。中层顶区域是特别值得研究的，因为它的温度主要是由于DOM的大气环流影响。在高纬度地区，大气的向下加热引起的绝热加热产生冬季温度高达240 K，而与夏季上升相关的绝热冷却导致温度低至125 K。因此，中层温度是这个循环的一个重要指标。

气候研究的测量应在长时间内进行，在自然界中是全球性的或准全球性的。理想的情况是，这些测量应可能以合理得到。本研究的目标是描述这一情况，因此要研制一种能在多个地点的中层温度测量准确的全球地面监测仪器。地面仪器的优点是可以定期校准。这种方法的一个模型是行星尺度的中层顶观测系统，2 PSMOs，国际科学委员会地球物理学项目组，提出了一个全球地面观测站网，来定义分布在中纬度带经纬度。与卫星仪器不同的是，在给定的时间内只测量一个地方，地面网可以分辨观测到的波浪结构中的时空效应。虽然在给定的站上测量每日平均温度是很重要的，但观察和描述每天和长期的变化也是很重要的。

这有三种温度波可以用地面站系统来解决：太阳迁移潮汐、行星波和重力波。迁移潮汐是依赖于当地时间，所以，如果在不同的经度两站看到一个扰动在不同时代但同样普遍的当地时间，这是由于迁移的浪潮是随着太阳移动。行星波是一种在全球范围内有一个、两个或更多的波峰和波谷的大规模天气波。他们可能是准静止或向东或向西；多数站点，其波数可以延伸至地球在固定的纬度和传播速度波的特征。最后，天气系统，或经过地面山脉，产生传播到中间层的波。这些波有几分钟到几小时，由于重力的影响作用，这被称为重力波。这种波水平范围约15 KM到几百甚至数千公里。较长的波可以在多个台站上运行，但只有具有成像能力的单站才能观测到较小尺度的波。因此，探测重力波的能力是仪器的要求。

从中间层顶区域的气辉排放许可被动遥感的大气从地面的高度有效诊断的光学方法。因此，目标是建立一个能够一起发展低成本不需维护的运行的工具，提供最准确的测量温度的晚上气辉与能力来表征重力波。

大气温度测量技术采用先前测量的多普勒展宽来对选定的行或B测量从振动–转动光谱选择的分子，即选线相对线辐射，转动温度。第一种方法是应用利用氧原子从大约97公里的地方发射O 1s 557.7 nm的射线和从200–300公里的地方发射O 1d 630.0nm的射线；这个概念在历史上是由Hernandez为了Fabry–Perot光谱仪的FPS所描述的。采用该方法获得了10分钟积分所得的温度误差为5 K。对于中层转动温度，OH Meinel带发出的在87公里附近被广泛使用的测量；波段在可见光和近红外区域的可见。观察利用衍射光栅光谱仪和傅里叶变换光谱仪，以及倾斜滤波器光度计和成像光度计。

与衍射光栅光谱仪相比，FPS具有接收角的立体角分辨力的优势产品，这个值解释了FPS用于高分辨率多普勒线宽测量的优点。傅里叶变换光谱参数具有相同的优势一样的FPS，但高量子效率和CCD的成像能力，FPS更适合。一种可能性是在整个CCD上分析一个单一点在天空中的干涉条纹信息，但这并没有产生空间信息。相反，FPS的方法在早期的概念称为顶氧物转动温度成像仪和窄带干涉滤光片的光谱宽度约为0.25 nm的标准具的地方。

CCD提供了在天空中多个位置提供温度值的潜力，但实现这些目标的配置有很多种。一种可能性是简单的使用一个图像并记录两个连续图像的不同干扰滤波器两转动系产量的图像比从而获得旋转温度天空图像。然而，每一天的长时间曝光像素要求一定的信噪比，它需要对图像中每个像素的两滤波器的通带的连续高精度的知识。物的方法使用径向尺寸的CCD光谱信息，在此前称为空间扫描，并采用切信息从天空的方位圈获取信息，如下所述。没有必要从整个天空中获得描述重力波的信息，环上的信息就足够了，因为人们可以把环上不同点处的扰动关联起来。

通过将径向尺寸用于光谱测量，可以同时观察多条光谱线。此外，频谱是自校准的，因为滤波器形状和滤波器中心波长上的信息包含在一条直线的光谱中。自校准能力是重要的，因为中心波长可以稍微改变与过滤器老化。然而，平场校正必须独立仔细完成，其校准对每一个像素的仪器响应性是不同的。通过对圆形条纹分为12部门，分离的方位测量用于时间和空间温度扰动的检测，称为重力波。每个扇区的光谱都来自于天空中对应的环形部分的整个区域。

物的原型演示测量转动温度从O2气辉在94公里高度处与相对精度2K用120秒时间的高度整合的能力。这种积分时间对于重力波的探测是足够的。为了获得重力波和潮汐垂直传播的信息，在第二高度上测量温度是非常可取的。第二测量OH气辉，峰值在87公里，是一个显而易见的选择，但对于OH负分支旋转线，被大多数研究人员队伍所使用，其进行成像的有效与物的角度范围太广泛分布。这将有可能使用两个不同的干扰滤波器，每一行，反而更狭分离株采用了Q，其他的问题，包括下面3部分连同他们的解决方案。

气辉成像仪的光谱温度初步描述了SATI。这个概念是为物相同，但SATI的功能和技术改进，使其适合于自动运行在远程位置的区别。功能改进包括滤光轮，它允许多个光信道，和仪表自动化。目前，第二光学信道是从OH 6–2 Q支发射在87公里的梅内尔带温度测量。技术进步在探测器模块和许可免维护操作，一个恒温的滤光轮，并通过调制解调器或网络远程访问。在2节中的SATI的概念及其实现的描述以及数据分析方法3节、4节的校准程序，而软件部分5。位置七SATI或物工具在世界各地部署了6节。获得的结果的例子见第7节，然后是摘要和结论第8节。

2.概念和光谱气辉成像描述温度

MORTI–SATI光谱成像仪依靠窄带法布里–佩罗特干涉滤波器的性质从减少增加入射角谱线发射光的波长，根据表达式

这是滤波器的有效折射率，lambda;₀是入射角为0°时滤光片的中心波长。

当法布里-佩罗特滤波器的带宽足够窄时，每个传输的光谱线或紧密间隔的线对在CCD上形成一个对应于特定角度的单独的条纹，根据公式1。用SATI过滤器允许入射光的传输角度在0°和10°之间，从而限制了仪器的光谱范围。在这个范围内的光谱线形成圆形条纹图案，最长波长的条纹出现在图像中心附近，以及最短波长的边缘附近。边缘半径r与波长的关系是由简单的关于r、f的表达式给出的，其中f是CCD摄像机镜头的焦距。这样，通过窄带法布里-佩罗特滤波器，在不同入射角度的准直光束上形成一个条纹图案，其传输满足公式1。

SATI仪器由光学模块，SATI控制器和计算机组成。图1显示了仪器的整体视图。MORTI–SATI光学设计如图2所示。

1.圆锥镜 2.遮光罩平面 3.菲涅尔透镜

4.干涉滤光片 5.照相机镜头 6.CCD

图1 图2

圆锥镜产生一个26.32°到33.55°的环形视野，并参照垂直轴。在94公里的高度，光是从内环半径为47公里，半径为63公里的圆环中收集的。反射镜的顶点位于折流面，作为输入孔。菲涅耳透镜和探测器透镜的组合允许CCD上的输入孔径成像，而不是天空成像，因此人为分割图像的12个扇区中的每一个的光谱信息来自于其对应的环形扇形投影在天空。CCD相机的25毫米镜头f0.95调整到无穷性。视场的立体角为0.09473弧度，仪器的聚光功率为0.518cm²

图3 检测到OH通道和O2通道中的谱线

对于O2通道滤波器的中心波长在867.69 nm和提供了一个五环的条纹图案，对应的转换K5、K7、K9、K11、五紧密间隔的双线从PP和PQ支路。它们的加权光谱位置分别为865.51纳米、865.99纳米、866.49纳米、867纳米和867.54纳米波长。OH滤波器以836.8纳米为中心，并从Q支路的三个选择的OH线中提供一个条纹图案：834.41纳米、835.29纳米和836.48纳米。在这两种情况下，选择要观察的线是非常重要的。首先，其辐射性能比必须在转动温度变化高度敏感。其次，用SATI波长范围应覆盖由10°角范围内的两腔窄带干涉滤光片的法布里–佩罗特有限公司。该过滤器安装在外壳的内部温度是滤光轮保持恒定的比例、积分、微分控制器。定制设计的热电制冷CCD相机，用手指湖仪器制造，允许操作温度约55°CCD C至60 C°低于环境温度。

表 1. SATI仪器规格

图3显示了OH通道和O2通道中检测到的谱线及其相对线辐射。由Gattinger开发的软件计算两个通道的合成光谱，S N比的估计，我们必须考虑噪声的贡献从天空背景和探测器的暗电流和CCD读出噪声。定制设计、制冷CCD相机可以确保低暗电流噪声约0.13像素和13从不同地理位置的观测表明，发射率和天空背景与不同的位置读出噪声，和噪声主要贡献来自天空的背景。对于SATI在加拿大74°N处的Resolute海湾的SN的观测数据比详细的估计，在7节给出。

3.分析方法

从O2和OH通道的数据显示为图像，如图4 A和4 B分别所示，显示的图像为Resolute湾SATI；积分时间为120 s，白色斑点是由宇宙射线。数据处理需要将数据减少到发射率和温度的空间信息。圆形条纹模式分为12个方位扇区，每个对应于天空中的具体位置，如第2节所述。每个扇区的模式通过公式1转换成相对频谱。然后，发射率和温度是每个部门由一个序列的合成光谱计算不同温度和过滤函数卷积的相对光谱比较确定。合成光谱的光谱原理和已知的跃迁几率。

图4 a为O2通道的干涉 b为OH通道的干涉

图5所示为O2信道卷积滤波函数在一个温度范围从111 K到300 K的合成光

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