一种全自动太赫兹大气特性测量系统及其校准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全自动太赫兹大气特性测量系统及校核方法，所述系统包括校准信号源、校准设备、太赫兹光谱仪和系统控制设备，所述校准信号源为基于自然环境温度的双温校准信号源，即无源工作方式，有效简化了校准设备，并提高系统校准精度，确保系统可长周期连续、无人值守工作；所述太赫兹光谱仪为双频段交叠超宽带MPI型太赫兹傅立叶光谱仪，采用两端口输入和两端口输出形式，输入黑体校准信号源或大气辐射信号源和内置参考黑体信号源在干涉仪作用下形成干涉条纹，然后输出到两个探测频段范围不同但在低频段交叠的探测器上，两探测器分别独立接收并输出干涉条纹电信号，在频域通过校对和累加平均后处理，提高了交叠频段观测校准数据信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种全自动太赫兹大气特性测量系统及其校准方法
本专利技术涉及一种太赫兹天文站址大气特性测量设备与校准方法，属于太赫兹技术研究及应用领域。
技术介绍
太赫兹波段（0.1～10THz）介于微波和光学波段，是仍有待全面开发及研究的新波段。由于宇宙空间近50%的光子能量以及大量的分子谱线辐射落在太赫兹波段，而且该波段最适合观测早期冷暗宇宙，因此太赫兹波段是进行宇宙学及天体物理研究的独特波段。太赫兹辐射由于受地球大气，特别是水汽的严重吸收，地面太赫兹天文观测需要具有高海拔、干燥以及低温的环境。开展太赫兹天文站址的大气透过率长周期变化特性的测量及评估，是太赫兹天文台建设前期的一项重要工作。太赫兹傅立叶光谱仪（FourierTransformSpectrometer，FTS），因其具有宽带、通光量大以及多路复用等特点，是开展微弱太赫兹辐射源（太赫兹分子谱线或太赫兹连续谱）探测的重要技术手段，特别适用于太赫兹宽带大气辐射特性测量，并在太赫兹天文站址的大气透过率测量中得到了广泛应用。国际上如夏威夷的MaunaKea、智利的Chajnantor高原、南极点（SouthPole）等太赫兹天文站址评估均采用了傅立叶光谱技术。用于太赫兹大气透过率测量的一台设备系统通常包括校准设备、太赫兹傅立叶光谱仪、以及系统控制设备等。校准设备主要提供观测信号校准用的标准信号源，系统控制设备则进行系统参数设置、校准过程控制、系统状态监测、以及观测数据采集和存储。太赫兹傅立叶光谱仪主要将输入太赫兹信号（包括校准信号源以及观测信号源）进行分光扫描形成干涉条纹，然后对干涉条纹接收形成电信号，为系统控制设备进行后续处理。采用傅立叶光谱仪进行太赫兹大气透过率频谱特性测量时，首先需要测量大气辐射谱，在此基础上根据热辐射转移方程和Plank定理，最终导出大气透过率频谱。为了实现大气辐射谱的校准，校准过程需涉及两个具有不同辐射温度的校准源。传统采用是的以密闭环境的高温黑体信号源和低温（液氮温区）黑体信号源。目前用于太赫兹大气特性测量的傅立叶光谱仪系统主要存在如下不足：首先，在校准设备方面，太赫兹大气透过率测量需要高、低温校准源。低温校准源一般采用液氮温区黑体信号源，这带来的问题是：由于液氮易于耗散成氮气，无法实现长时间（如周年）的连续有效工作；此外，需将液氮存放于隔热密闭液氮罐内。这种采用液氮温区的黑体信号源，给处于高海拔、偏远高原或山区的太赫兹天文站址评估时的物资运输、存储和使用带来诸多不便。对于需要加热的高温校准源，其辐射温度的定标精度也是一个难点。其次，在太赫兹傅立叶光谱仪所采用探测器方面，太赫兹大气透过率频谱分析带宽主要取决于太赫兹傅立叶频谱仪探测器的工作带宽。由于地球大气水汽窄带谱线和连续谱、以及其他分子谱线如N2和O3等的影响，导致太赫兹信号在1～5THz频段的传输衰减非常严重。为了提高测量信噪比，当前设备通常采用大光通量接收的单一探测器来覆盖5THz以下所感兴趣的频段进行测量。单一探测器技术方案将限制更宽带太赫兹大气透过率测量，特别在需要更宽频率范围（如包括5～15THz区间）全面评估水汽转动谱和不饱和水汽辐射线谱对大气透过率特性影响的情况。
技术实现思路
针对上述传统太赫兹傅立叶光谱仪系统存在的问题，本专利技术提出了一种校准设备更简易、适应低温环境，以及可无人值守工作的全自动太赫兹大气特性测量系统。本专利技术公开的技术方案为：一种全自动太赫兹大气特性测量系统，包括校准信号源，校准设备、基于干涉原理的太赫兹光谱仪和系统控制设备，其特征在于：所述校准信号源为基于自然环境温度的双温校准信号源，包括工作于室外的校准黑体和工作于室内的参考黑体，所述室内的环境温度要高于室外环境温度，即所述校准黑体用作低温校准源，所述参考黑体用作高温校准源；所述校准设备与系统控制设备连接，包括信号传输装置、往复式驱动装置和室外环境温度采集装置，所述信号传输装置设有直筒状的传输通道，所述传输通道的顶端设有密闭的第一介质窗口，传输通道底端设有密闭的第二介质窗口，传输装置的上部位于室外，下部延伸到室内；所述校准黑体安装在往复式驱动装置的执行机构上，在驱动装置带动下，可转移到所述第一介质窗口的上方或从第一介质窗口上移开；所述太赫兹光谱仪设置在密闭的室内环境中，与系统控制设备连接，室内设有室内环境温度采集装置；所述太赫兹光谱仪的组成部件包括：第一、第二太赫兹探测器，两探测器的探测频段范围有交叠，且其一且其一探测器探测频段范围上限大于另一探测器的探测频段范围上限；第一波束分离器，倾斜地设置在信号传输装置输出端的下方位置，用于合成经过信号传输装置输入太赫兹光谱仪的外部辐射信号与所述参考黑体的辐射信号，所述参考黑体设置在第一波束分离器的左侧；第一吸收黑体，设置在第一波束分离器的下方，用于吸收残余信号；第二波束分离器，设置在第一波束分离器的右侧，以与第一波束分离器相对仰倒的形式倾斜设置；固定屋面镜，设置在第二波束分离器的上方，用于将来自第二波束分离器的反射信号再次反射到第二波束分离器上；可移动屋面镜，设置在第二波束分离器的右侧，用于将来自第二波束分离器的透射信号再次反射到第二波束分离器上；反射镜，设置在第二波束分离器的下方，将来自第二波束分离器的信号反射到太赫兹探测器上；第三波束分离器,设置在所述反射镜与太赫兹探测器之间，将来自所述反射镜的反射信号分成极化正交的两路信号，使其分别被第一、第二太赫兹探测器接收到；第二吸收黑体，设置在第三波束分离器的一侧，与接收第三波束分离器反射信号的太赫兹探测器相反的一侧，用于吸收残余信号。在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：所述驱动装置为旋转装置，所述旋转装置设有旋转臂和安装旋转臂的支座，所述校准黑体安装在所述旋转臂的一端，旋转臂的另一端安装有清洁刷，所述清洁刷在旋转臂带动下，可从第一介质窗口的上方扫过。所述清洁刷优选采用猪毛材料，其在极低温度下仍能保持良好的柔软性。所述第一、第二太赫兹探测器采用不同孔径的接收喇叭。所述反射镜为抛物面反射镜，用于整形其传输信号的波束以匹配两太赫兹探测器接收喇叭的波束宽度。所述室内环境温度采集装置、太赫兹光谱仪的组成部件和参考黑体集成于一铝制的金属箱中，所述金属箱的顶面设有对准所述第二介质窗口的第三介质窗口，第一波束分离器设置在第三介质窗口的正下方。所述室外环境温度采集装置包括设置在校准黑体周侧的多个室内温度计，当校准黑体位于所述第一介质窗口上方时，所述室内温度计与校准黑体的距离均不超过50cm。所述信号传输装置的筒体以及第一介质窗口、第二介质窗口均为HPDE（高密度聚乙烯）材料，其中第一介质窗口厚2毫米，第二介质窗口厚50毫米。所述第一介质窗口倾斜设置，其倾角优选设为15°。所述校准黑体的外侧安装有遮蔽阳光的金属罩，避免室外工作现场太阳斜射引起的黑体局部温度分布不均匀的问题。所述第一太赫兹探测器的探测频段范围为0.75～15THz，第二太赫兹探测器的探测频段范围为0.75～3.6THz，二者探测范围在第一太赫兹探测器的低频段交叠。所述第一波束分离器、第二波束分离器、第三波束分离器为光栅极化器。用于如上所述全自动太赫兹大气特性测量系统的校准方法，其特征在于,包括驱动所述可移动屋面镜，进行干涉扫描的步骤；在干涉扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全自动太赫兹大气特性测量系统，包括校准信号源、校准设备（1）、基于干涉原理的太赫兹光谱仪（2）和系统控制设备（3），其特征在于：所述校准信号源为基于自然环境温度的双温校准信号源，包括工作于室外的校准黑体（12）和工作于室内的参考黑体（23），所述室内的环境温度要高于室外环境温度，即所述校准黑体（12）用作低温校准源，所述参考黑体（23）用作高温校准源；所述校准设备（1）与系统控制设备连接，包括信号传输装置、往复式驱动装置和室外环境温度采集装置，所述信号传输装置设有直筒状的传输通道，所述传输通道的顶端设有密闭的第一介质窗口（14），传输通道底端设有密闭的第二介质窗口（15），传输装置的上部位于室外，下部延伸到室内；所述校准黑体（12）安装在往复式驱动装置的执行机构上，在驱动装置带动下，可转移到传输通道第一介质窗口（12）的上方或从第一介质窗口（12）上移开；所述太赫兹光谱仪（2）设置在密闭的室内环境中，与系统控制设备（3）连接，室内设有室内环境温度采集装置；所述太赫兹光谱仪（2）的组成部件包括：第一、第二太赫兹探测器（2B，2C），两探测器的探测频段范围有交叠，且其一探测器探测频段范围上限大于另一探测器的探测频段范围上限；第一波束分离器（22），倾斜地设置在信号传输装置输出端的下方位置，用于合成经过信号传输装置输入太赫兹光谱仪（2）的外部辐射信号与所述参考黑体（23）的辐射信号，所述参考黑体（23）设置在第一波束分离器（22）的左侧；第一吸收黑体（24），设置在第一波束分离器（22）的下方，用于吸收残余信号；第二波束分离器（25），设置在第一波束分离器（22）的右侧，以与第一波束分离器（22）相对仰倒的形式倾斜设置；固定屋面镜（26），设置在第二波束分离器（25）的上方，用于将来自第二波束分离器（25）的反射信号再次反射到第二波束分离器（25）上；可移动屋面镜（27），设置在第二波束分离器（25）的右侧，用于将来自第二波束分离器（25）的透射信号再次反射到第二波束分离器（25）上；反射镜（28），设置在第二波束分离器（25）的下方，将来自第二波束分离器的信号反射到太赫兹探测器上；第三波束分离器（29）,设置在所述反射镜（28）与太赫兹探测器之间，将来自所述反射镜（28）的反射信号分成极化正交的两路信号，使其分别被第一、第二太赫兹探测器接收到；第二吸收黑体（2A），设置在第三波束分离器（29）的一侧，与接收第三波束分离器（29）反射信号的太赫兹探测器相反的一侧，用于吸收残余信号。...

【技术特征摘要】
1.一种全自动太赫兹大气特性测量系统，包括校准信号源、校准设备（1）、基于干涉原理的太赫兹光谱仪（2）和系统控制设备（3），其特征在于：所述校准信号源为基于自然环境温度的双温校准信号源，包括工作于室外的校准黑体（12）和工作于室内的参考黑体（23），所述室内的环境温度要高于室外环境温度，即所述校准黑体（12）用作低温校准源，所述参考黑体（23）用作高温校准源；所述校准设备（1）与系统控制设备连接，包括信号传输装置、往复式驱动装置和室外环境温度采集装置，所述信号传输装置设有直筒状的传输通道，所述传输通道的顶端设有密闭的第一介质窗口（14），传输通道底端设有密闭的第二介质窗口（15），传输装置的上部位于室外，下部延伸到室内；所述校准黑体（12）安装在往复式驱动装置的执行机构上，在驱动装置带动下，可转移到传输通道第一介质窗口（12）的上方或从第一介质窗口（12）上移开；所述太赫兹光谱仪（2）设置在密闭的室内环境中，与系统控制设备（3）连接，室内设有室内环境温度采集装置；所述太赫兹光谱仪（2）的组成部件包括：第一、第二太赫兹探测器（2B，2C），两探测器的探测频段范围有交叠，且其一探测器探测频段范围上限大于另一探测器的探测频段范围上限；第一波束分离器（22），倾斜地设置在信号传输装置输出端的下方位置，用于合成经过信号传输装置输入太赫兹光谱仪（2）的外部辐射信号与所述参考黑体（23）的辐射信号，所述参考黑体（23）设置在第一波束分离器（22）的左侧；第一吸收黑体（24），设置在第一波束分离器（22）的下方，用于吸收残余信号；第二波束分离器（25），设置在第一波束分离器（22）的右侧，以与第一波束分离器（22）相对仰倒的形式倾斜设置；固定屋面镜（26），设置在第二波束分离器（25）的上方，用于将来自第二波束分离器（25）的反射信号再次反射到第二波束分离器（25）上；可移动屋面镜（27），设置在第二波束分离器（25）的右侧，用于将来自第二波束分离器（25）的透射信号再次反射到第二波束分离器（25）上；反射镜（28），设置在第二波束分离器（25）的下方，将来自第二波束分离器的信号反射到太赫兹探测器上；第三波束分离器（29）,设置在所述反射镜（28）与太赫兹探测器之间，将来自所述反射镜（28）的反射信号分成极化正交的两路信号，使其分别被第一、第二太赫兹探测器接收到；第二吸收黑体（2A），设置在第三波束分离器（29）的一侧，与接收第三波束分离器（29）反射信号的太赫兹探测器相反的一侧，用于吸收残余信号。2.根据权利要求1所述的一种全自动太赫兹大气特性测量系统，其特征在于，所述往复式驱动装置为旋转装置，所述旋转装置设有旋转臂（11）和安装旋转臂（11）的支座，所述校准黑体（12）安装在所述旋转臂（11）的一端，旋转臂（11）的另一端安装有清洁刷（13），所述清洁刷（13）在旋转臂（11）带动下，可从第一介质窗口（12）的上方扫过。3.根据权利要求2所述的一种全自动太赫兹大气特性测量系统，其特征在于，所述清洁刷（13）为猪毛材料。4.根据权利要求1所述的一种全自动太赫兹大气特性测量系统，其特征在于，所述第一、第二太赫兹探测器（2B，2C）采用不同孔径的接收喇叭。5.根据权利要求1所述的一种全自动太赫兹大气特性测量系统，其特征在于，所述反射镜（28）为抛物面反射镜，用于整形传输信号的波束以匹配两太赫兹探测器接收喇叭的波束宽度。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：史生才，斯科特·潘恩，姚骑均，林镇辉，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：江苏,32