工程物理课程报告
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班级：xxx
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摘要
随着科技的高速发展，气象情况的变化对人类活动的影响显得更加突出。尤其是飞机的飞行速度和高度的提高。火箭、导弹的出现和射程精度的不断提高。更要求确切掌握高空气象数据。因而世界上各发选国家在发展高空气象探测系统方面，都投人了大量的人力、物力，使高空气象控测系统有了较大的发展。由于大气灾害等，大气风场探测成为热点，近年来探测大气风场所使用的基于多普勒频移和广角迈克尔逊干涉仪的WINDII、SWIFT、MIMI、WAMI、PAMI、ERWIN、DYNAMO等技术。被动探测上层大气风场是一个系统工程，它的
研究大致包括8个方面，风场探测有巨大意义，对它的研究已有了很大进展。随着技术的深入与成熟，它将在帮助研究空间粒子浓度、大气能量输运和高空物理化学过程；帮助理解地球大气的动力学特征预报全球中长期气候变化，有助于为人类航天、航空以及太空运动提供依据，为人类美好的明天做出巨大贡献。 高层大气探测综述
近年来，随着人类空间时代的来临，人类航天等事业得到大程度的发展，但全球变暖、臭氧空洞、酸雨等环境污染问题给人类带来巨大的挑战。
对此科学家们已经进行了大量的努力，对高层大气进行了探测。常用的探测高层大气的方法有直接与间接两种。
1、间接法 在地面上利用探测仪器观测高层大气中的物理现象（如流星、曙暮光、极光等）来推算高层大气的成分、密度和温度；或通过研究声、光、电波在大气中传播的特性，及其透过大气时所发生的变化，探测大气各高度上的密度、温度和电离程度等。
2、直接法 利用飞机、气球、火箭和卫星等升空工具，把探测仪器带到高空所要研究的高
度上，测定飞行器周围的大气参数；或通过研究空间环境对飞行器的影响，如卫星的大气制动，来探测大气密度。
常用的探测技术
1、激光雷达探测 利用激光对高层大气进行的一种遥感探测。是一种高层大气的间接探测方法（见高层大气激光雷达探测）。利用激光雷达回波，激光雷达可获取地球上空30～110 km高度范围大气密度和温度的空间结构和时间变化。根据激光光束与被探测对象相互作用的物理机制的不同，可以将激光雷达分为瑞利散射激光雷达、Raman散射激光雷达、共振荧光散射激光雷达、差分吸收激光雷达和多普勒激光雷达等。激光雷达具有的高时间、空间分辨能力，探测灵敏度以及可以连续探测等优点弥补了火箭，VHF雷达的不足。不同的激光雷达可以测量不同的大气参数，包括大气密度、温度、臭氧含量、大气衰减、能见度等。而日本千叶大学的一个多波长激光雷达系统，大气资料修正激光雷达(ADCL)还被用来对卫星资料进行大气修正凹⋯。激光雷达技术要求较高，价格也较昂贵，尽管激光雷达在我国起步不久，但无论在理论或实践方面都达到国外同类研究的水平心1I。安徽光机研究所研制的矿渣微粉L625大气探测激光雷达，是我国最大的探测平流层气溶胶、水汽、臭氧、
温度等综合性大气探测研究激光雷达系统。中科院大气物理研究所最近研制了一台四波长激光雷达用来监测10～40 km的臭氧，2～40 km的气溶胶及高云的光学特性。2005年，武汉物理与数学所(WIPM)在已研制成功的瑞利散射和钠层荧光两种激光雷达的基础上，将原有技术升级改造成一种双波长高空激光雷达，实现了对30～110 km中高层大气和低电离层段的同时、连通性探测。初步试运行结果表明，这一具有自主知识产权的新工具将成为我国中高层大气探测研究更为有效的手段。
2、卫星遥感探测 利用人造卫星将探测仪器送到卫星轨道高度,直接测量卫星周围的大气或遥感更远处的大气(见高层大气卫星探测)。考虑到中高层大气的特点，中高层大气卫星遥感正向着多种大气微量成分同时测量和获得全球分布特性的方向发展。卫星探测方面，除了常规的NOAA卫星对中层大气温度和臭氧含量进行测量外，还发射了Nimbus一7，AEM-Ⅱ、SME、ERBS等卫星对中层大气的温度、臭氧、二氧化氮等大气微量成分和气溶胶等进行了广泛的测量。马瑞平等利用Nimbus一7卫星1979—1981年的平流层和中间层大气温度探测(SAMS)数据，首次较全面地分析了我国上空20～80 km大气温度的分布特征。沈长寿等利用AE—D卫星上中性大气数密度的观测资料分析表明，磁暴对中性大气加热的理论是符合实际情况的。卞建春等比较分析了Earth Probe卫星TOMS资料与地面臭氧观测资料的
差异，发现四巧板2002～2003年北半球中纬度地区各站点臭氧总量卫星观测与地面观测有显著的差异
NASA的高层大气研究卫星(UARS)，是空间探测对全球大气变化影响的长期的、国际性项目，已完成了从1991年12月到2005年4月的科学测量。UARS于2005年12月14日停止运行，将于2009年或者2010年的某一天重回大气。此卫星装载了一系列的遥感探测器，对大气的结构及其变化进行开拓性研究。其中的高分辨率多普勒雷达成像仪(HRDI)进行了对全球平流层、中间层及低热层(10～115 km)水平风场的第一次大范围观测。简俊等对UARS卫星的卤素掩星试验(HALOE)观测资料进行客观分析，分别作了30。N和40。N多年平均No。和NO混和比的垂直剖面分析，各年同纬度不同精度及同经度不同纬度处NO和NO2混合比的垂直分布特征。陈月娟等采用UARS卫星HALOE的观测资料，分析了青藏高原上空平流层大气中HCL的分布和随时间的变化，探讨了青藏高原上空HCL对O3的可能影响。
2001年7月从加利福尼亚的范登堡空军基地发射了一颗TIMED(热层、电离层、中间层能量动力学)卫星对60～180 km高度的低热层、中层顶和电离层(工)区域进行细致的探测研究。从2002年1月开始，TIMED及一个世界范围的地基观测网已收集了大量关于MLTI区域的基
本结构、温度、压力、风场及化学组成成分的观测数据。随着资料分析及操作平台的继续运行，此计划的下一阶段，开始于2006年10月，将调查研究地球的中高层大气对不同太阳和地磁驱动的反应。
3、无线电雷达探测 应用无线电波在大气中产生的反射与散射现象，对高层大气的探测方法（见高层大气雷达探测）。
4、气球探测 用气球将探测仪器携带到高空，对高层大气进行探测的一种方法（见高层大气气球探测）。
5、火箭探测 利用火箭把探测仪器带到高空进行探测的一种方法。气象火箭专用于 70～120公里高层大气结构的探测。探空火箭常用来对 40～200公里高度间的大气进行直接测量（见高层大气火箭探测）。
大气风场探测
由于大气灾害，大气风场探测成为热点。风场探测意义在于：（1）有助于研究空间粒子浓度、大气能量输运和高空物理化学过程；（2）有助于理解地球大气的动力学特征；（3）
预报全球中长期气候变化，为人类航天、航空以及太空运动提供依据。
大气风场的探测方式及分类：高层大气风场探测、遥感探测、被动探测、地基探测、地基气辉成像干涉仪。
被动探测上层大气风场的研究进展
1、基本原理
被动探测地球上层大气(80-300km)的风场(温度、风速 、压强和体发射率等)，是利用极光(气辉)发射时与探测器之间有相对运动所产生的微小多普勒频移，用星载成像干涉仪的干涉条纹调制度和强度确定大气的风场物理量。
卫星遥感被动探测上层大气风场是一个系统工程，它的研究大致包括8个方面：极光（气辉）光源研究；成像干涉仪研究； 探测模式研究；定标（实验室定标和飞行定标）研究；探测器的研究；数据正演模式的研究；数据反演处理；操作系统等方面的研究。
2、研究意义
（1）探测上层大气风场，将对研究太阳风、大气物理、地球物理、航天器的发射与运行， 中长期天气预报提供大量的资料、图像和数据；
（2）为潮汐、地球引力波等提供实验支持；以极光为光源的风场探测为飞行器尾气的发光、速度的探测提供参考；
（3）为了发展我国自主的上层大气风场探测，推动国民经济和国防的发展，非常有必要开展这方面的应用基础研究工作。
3、研究进展
光学方法卫星遥感被动探测上层大气风场的理论研究始于1966年，加拿大York大学的G.G.Shepherd和法国空间中心G.Thuillier 提出。
1991.9.12 由美国航空航天研究署（NASA）发射升空UARS卫星搭载的被动探测上层大气风场的第一台广角迈克尔逊成像干涉仪——WINDII (wind imaging interferometer)。
WINDII发回地球23 million多张大气风场图片，它是世界上首次成功实施上层大气风场的装
置。2005年的圣诞节，WINDII结束了它的使命。往后陆续研究出基于相同原理的成像探测仪器：WINDII 、SWIFT 、MIMI 、WAMI 、PAMI压缩空气汽车、ERWIN、DYNAMO。
4、国外研究
1966年，加拿大视频贴片广告York大学地球空间科学研究中心（CRESS）的 G.G. Shepherd和法国空间中心（CNRS）的G. Thuillier提出利用光学干涉的方法探测气辉粒子多普勒频移量中的风速和温度。
正演和反演的研究：华裔科学家加拿大New Brunswick大学的王鼎益高级研究员对国际上该领域WINDII、SWIFT、WAMI和MIMI等遥感仪器进行模拟、反演和数据分析等全过程的研究。粘胶带
5、现有技术分析及发展趋势
WINDII用压电陶瓷的微扫描，抗震性能较差。WAMI的四个区域镀反射膜步进，对多波段极光的同机探测有一定的难度，这种技术正在日趋完善的研制之中。PAMI是基于偏振化方向的改变，利用潜望镜收集天空光线，无动镜，被国际上看好。国际上被动探测风场的趋
势是无动镜探测，以适合航天环境提高探测精度。为了更好地进行探测研究，还需要进一步的努力，因为中高层大气与人类的生存和发展密切相关，与全球的气候及环境变化密切相连，对其进行探测与研究是当今世界各航天大国所面临的共同挑战。在该该领域所有这些研究活动还正在不断继续，相信随着这些新设备、新技术的应用，将会对我国中高层大气物理的研究起着更大的推动作用，我相信我国在该领域会做出巨大的突破。
参考文献
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