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对中高层大气特性的观测和研究近年来成为大气研究者们的一个重要课题，能够为更好地理解全球气候变化提供有力的支持。目前被动式光学遥感探测仪器主要有三类:重力波成像仪、温度探测仪和风速探测仪。为了获取一个地区中高层大气的温度和风速，通常同时分别使用两台单独的仪器来实施观测，例如使用FPI(Fabry-Perotinterferometer)或广角Michelson干涉仪来测风，并使用斜滤光片光度计、MORTI(mesopauseOxygenrotationaltemperatureimager)或SATI(spectralairglowtemperatureimager)来测温，这样一方面增加了探测成本，另一方面两台仪器的不同步也会对探测数据的分析带来一定的误差。本文在深入分析和研究了国内外进展的情况下，结合课题组的优势和研究基础，研制了一台同时探测地球上空94kin处的大气风速和温度的地基版气辉成像干涉仪样机——GBAⅡ(Groundbasedairglowimaginginterferometer)，并成功地对西安地区上空的中高层大气实施了有效探测。本文进行了如下的研究工作: 1、对GBAⅡ探测大气温度和风速的原理和方法进行了研究。GBAⅡ将广角Michelson干涉仪“四强度”测风法与F-P干涉滤光片的“转动谱线测温法”结合在一起，从理论上研究较高的风速探测精度的方法，同时能够保证在大光程差下获取较高的温度探测精度。 2、对GBAⅡ的关键器件进行了研制。提出了一种新型的更具实用性的大空气隙广角Michelson干涉仪，通过视场展宽的计算，优化出以中国常见牌号H-K9L的光学玻璃为材料的实体干涉仪，其中玻璃臂长44.45mm，空气臂长29.45mm，实验测试结果验证了设计的正确性。根据仪器特点选取了夜间气辉发射的O2(0-1)带谱线作为探测光源，并根据谱线选定中心波长867.79nm半高宽0.28nm的窄带干涉滤光片。 3、对新型静态步进装置这一国际热点问题进行了探索研究。提出了使用反射式液晶LCoS(liquidcrystalonsilicon)空间调制器的纯相位调制来实现“四强度”步进扫描，导出了理论模型，模拟结果验证了这一思路的可行性。并将购买的LCoS运用到大空气隙广角Michelson干涉仪中，通过系统的实验得到光程差在3.6°时的变化为0.5个条纹左右，仪器调制度在0.146-0.226之间。 4、设计了GBAⅡ的光学系统。利用光学设计软件CodeV对子系统和整体系统分别进行了优化，得到了GBAⅡ的各项光学参数，结果显示0°视场时弥散斑直径约为0.06mm，整个光学系统的调制传递函数值(MTF，modulationtransferruction)均在0.3以上，中部视场的MTF甚至达到0.6以上。 5、研究了GBAⅡ的正演模型、定标测试方法及数据反演算法。对大气光源模型、大气传输模型、MI模型、滤光片模型、光学系统衰减模型、仪器响应度模型和噪声模型等7个子模型进行了分析和计算，给出了GBAⅡ的正演模型方程。阐述了GBAⅡ多项参数的定标方法，并进行了测试，获得了准确的仪器参数。将定标获得的参数代入正演方程中，通过计算机编程得出了模拟拍摄的正演图像。对GBAⅡ的数据反演原理及算法进行了深入研究，给出了温度和风速的反演公式。 6、利用GBAⅡ样机实施了实地观测。在2012年6月12日凌晨的西安市郊区雁翔路58号西安理工大学曲江校区教学九号楼顶(北纬34°13′22.21″，东经108°59′38.14″，海拔高度457m)对GBAⅡ实施了近5个小时的观测,获得西安地区上空94km处的大气温度为167K-196K，温度探测精度约为2.1-2.9K，大气的纬向风均为北向，在1～45m/s之间变化，经向风均为东向，在8～46m/s之间变化，风速探测精度为13～21m/s。通过与MSISE90温度模型和HWM93风场模型的数据进行对比，得到了基本一致的变化趋势和量级，验证了GBAⅡ样机观测数据的准确性和可靠性。 本文对GBAⅡ样机的研制和对中高层大气的探测进行了较为系统而全面的研究，希望能够为该领域的发展提供一种新颖的思路和方法。