偏振邁克爾遜干涉儀測量大氣風場的理論分析

王周琴+廖臘梅

摘要：為了高層大氣風場的精確測量，本文對最新的偏振邁克爾遜干涉儀測量高層大氣風場的理論進行了總結分析，表明該儀器具有方便運用、精度高、對變化快的測量對象有效等特點。該討論對高層大氣風場測量儀器設計具有參考意義。

關鍵詞：高層大氣風場；偏振邁克爾遜干涉儀；陣列

一、 引言

大氣是人類生存的屏障，科學家們一直沒有停止對大氣的研究和探索。大氣風場的溫度和速度是兩個重要的氣象參數，通過對大氣風場的測量，可以有效地為大氣行為的研究提出強有力的依據，所以對大氣風場的測量具有重要的意義。

在大氣中，各種物質或者化學成分的移動和傳播過程都是以風為媒介的，所以對大氣風場的研究是了解大氣中物質變化的重要依據。通過對大氣風場的研究和探索測量，可以預報大氣變化對氣象測量有重要作用。航空航天技術也需要對大氣風場進行測量研究之后，才能評估航天器在發射或運行過程中受到大氣的影響因素。因此對大氣風場的測量對地球的天氣預報、災害預警、航空航天研究等一系列日常或科研問題有重要參考依據。

大氣風場的測量技術分為直接探測和遙感探測，精度較高的為遙感探測，遙感探測也分為主動式和被動式。主動式為向風場發射激光，利用回歸信號對大氣風場進行探測；而被動式以大氣風場中的極光或者氣輝作為光源，利用干涉圖對風場進行探測，常見干涉儀包括邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀。這里主要對基于邁克爾遜干涉儀的被動式風場測量進行討論。

二、 偏振邁克爾遜干涉儀測量法的理論分析

偏振大氣邁克爾遜干涉儀簡稱PAMI，是廣角邁克爾遜干涉儀的新版本，探測大氣風場溫度和風速的裝置。此儀器是利用旋轉偏振片法從而產生步進光程差獲得不一樣的干涉強度在不一樣的相位之下。這種方法不適用于實時探測和用于變化快的測試目標。而且由于運動部件的運動產生一定的誤差。

偏振陣列法是用于偏振邁克爾遜干涉儀的一種四強度探測方法。偏振陣列法的原理與旋轉偏振片法相同，它由偏振方向不一樣的偏振單元組成，做到無需旋轉便能獲得不一樣強度的圖像，更方便運用，精度高，對變化快的測量對象有效。

偏振陣列是利用四個不一樣的偏振片，把它們鑲嵌于透明的基底上，它們的偏振方向相差45°。偏振陣列的兩種主要制作形式：單層和多層。

偏振陣列法的原理是通過偏振方向各不一樣的偏振片產生四個不一樣的相位差。四面角錐棱鏡為分光器，把PAMI發射的光分成四束，然后將它們匯聚在偏振陣列上，如此就可以采取四個干涉強度的數值，并且實施觀察，降低誤差。偏振陣列的探測效果良好，有效地簡化了測量裝置系統。

偏振邁克爾遜干涉儀的構造示意圖如圖1所示。當入射光射入儀器后穿過45°線起偏器（P1），之后生成兩個振幅一樣的水平偏振光和垂直偏振光。水平偏振光會穿過偏振分束器PBS，垂直偏振光會被反射，如此水平偏振光和垂直偏振光就會進入邁克爾遜干涉儀的兩臂。

水平偏振光穿過臂末端波傳播方向是快軸的45°λ/4波片QWP。如此水平偏振光分解為平行及垂直快軸的組分。在穿過QWP時，快慢軸組分之間的相位差為λ/2。因此線偏振光就改變為了圓偏振光。又經QWP后的反射鏡反射后，光再次通過QWP，又改變了λ/2的相位差，總共改變的相位差為π。這使相位位移使矢量的方向發生反轉，水平線偏振變為垂直線偏振。從PBS射出后它們又射入另一個QWP，變為圓偏振光，它們分別成左旋和右旋。它們之和是線偏振光，它的旋轉角度取決光程差Δ。

線型偏振光穿透四面角錐棱鏡后射出四束光，線偏振光進入偏振陣列。偏振陣列中鄰近的偏振片偏振目標目的不一樣，偏振方向對于QWP快軸的量度取0°，45°，90°，135°，射入偏振陣列后，測量器上會出現一幅容納不一樣相位的干涉圖。對一樣相位的像素值進行測量，能取得相位不一樣的四幅圖。

三、 總結

本文對用于風場測量的邁克爾遜干涉儀的強度測量方法進行了總結，對于四強度法大氣風場測量的發展具有一定參考價值。

參考文獻：

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作者簡介：王周琴，廖臘梅，河南省洛陽市，洛陽師范學院物理與電子信息學院。endprint