一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪及其应用。光谱仪的光学系统包括反射式前置望远物镜和准直镜头，以及多路独立的分光成像装置。多个光谱通道共用前置望远物镜和准直镜头，无需考虑空间对准问题，结构均为三反射镜结构；分光装置采用近Littrow装架、棱镜+棱镜光栅+棱镜的结构，由反射式浸没光栅分光，楔形棱镜辅助色散和矫正畸变；成像装置采用透射匹兹万结构。本发明专利技术提供的光谱仪具有宽覆盖、低畸变、大相对孔径、高透过率、高分辨率的优点，可用于同时对四种不同类型的温室气体浓度的高精度定量探测。

A wide coverage high resolution greenhouse gas imaging spectrometer and its application

The invention discloses a wide coverage high resolution greenhouse gas imaging spectrometer and its application. The optical system of the spectrometer consists of a reflective front-end telescope objective, a collimating lens, and a multi-channel independent spectroscopic imaging device. Multi-spectral channels share a front-end telescope objective and a collimating lens without considering the spatial alignment problem, and the structure is a three-mirror structure. The pittswan structure. The spectrometer provided by the invention has the advantages of wide coverage, low distortion, large relative aperture, high transmittance and high resolution, and can be used for simultaneous high-precision quantitative detection of four different types of greenhouse gas concentrations.

【技术实现步骤摘要】
一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪及其应用
本专利技术涉及一种成像光谱仪，特别涉及一种适用于高精度遥感探测大气温室气体浓度的成像光谱仪及其应用，具有宽覆盖、低畸变、大相对孔径、高分辨率、高光谱分辨率的特点。
技术介绍
近年来，大气环境问题日渐突出，气候变化影响逐渐加剧，已经成为全球关注的热点。大气中CO2和CH4对辐射强迫的贡献最大，是导致全球变暖的最主要温室气体。因此，减少这些气体的排放称为21世纪最重大的环境挑战之一。通过密集的时间和空间采样，利用卫星测量全球大气温室气体浓度的分布，能够加深对自然的和人为的表面碳通量的理解。目前，国际上具备较大影响力和研究能力的美国、欧洲、日本、中国等都在积极研发和研制用于全球温室气体分布变化监测和分析的设备。美国研制的OCO/OCO-2卫星和中国研制的TANSAT卫星验证了平面光栅探测大气二氧化碳浓度的可能性，并在空间上实现了应用，但受限于光栅的畸变大、衍射效率低、仅能探测TM偏振态信息等不足，这两种温室气体光谱仪总体能量利用率低、地面覆盖小。日本GOSAT卫星上的温室气体探测仪TANSO-FTS采用傅里叶变换干涉型光谱仪，同样实现了大气温室气体的高精度探测，但其地面采样点为孤立区域，难以获得空间连续的CO2浓度信息。因此，研制宽覆盖、高成像性能、高透过率、高分辨率、高精度的温室气体成像光谱仪具有强烈的应用需求和前景。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种用于遥感探测，具有高成像性能、低畸变、宽覆盖、高透过率、高分辨率特性的温室气体成像光谱仪及其应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是提供一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的光学系统包括前置望远物镜、准直镜头和四个分光成像装置，系统的F数取值范围为1.2～1.8；按光线入射方向，光线经孔径光阑进入前置望远物镜，成像于狭缝处，经准直镜头准直为平行光束，由二向色性分色片分为四个不同的探测波段，分别进入四个分光成像装置中进行分光色散，再经成像镜组成像于探测器上；所述的前置望远物镜为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为主镜、次镜和三镜，孔径光阑位于主镜前，中间实像位于主镜和次镜之间，靠近次镜处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的准直镜头为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为准直镜头主镜、准直镜头次镜和准直镜头三镜，中间实像位于准直镜头次镜和准直镜头三镜之间，靠近准直镜头次镜处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的分光成像装置为近Littrow装架，依次为第一楔角棱镜、反射式浸没光栅和第二楔角棱镜。本专利技术提供的一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的光谱分辨本领为18000～25000，空间分辨率为1km～5km，幅宽为100km～300km。本专利技术所述的反射式浸没光栅，浸没介质包括熔融石英、高折射率玻璃或硅；光栅为矩形槽光栅，在工作波段内衍射效率为80%以上；所述的成像镜组为透射式匹兹万结构，F数的取值范围为1.2～1.8；所述前置望远物镜和准直镜头的F数取值范围为1.8～4。本专利技术技术方案还包括上述宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的应用，依据探测目标设置不同的工作波段：氧气-A(O2-A)吸收带0.7525～0.7675μm，弱二氧化碳(CO2)吸收带1.595～1.625μm，强二氧化碳(CO2)吸收带2.04～2.08μm，甲烷(CH4)吸收带2.275～2.325μm，通过四个独立设置的分光成像装置，用于同时探测四种不同类型的温室气体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪可同时监测大气二氧化碳和甲烷等的浓度，地面覆盖范围宽、相对孔径大、探测精度高、空间分辨率和光谱分辨率高。2.成像光谱仪共用前置望远物镜和准直镜头，无需考虑空间对准问题，且均采用三反射镜结构，无色差，适用于宽波段。3.分光成像装置采用反射式浸没光栅，辅以楔角棱镜矫正畸变，可实现低畸变、低偏振、小体积设计，满足不同的应用场合。4.各工作波段采用独立的分光成像装置，波段范围窄，材料色散小，使用同种玻璃进行设计。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的光学系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例1提供的反射式矩形槽浸没光栅的示意图；图3是本专利技术实施例1提供的O2-A波段反射式矩形槽浸没光栅衍射效率曲线；图4是本专利技术实施例1提供的O2-A波段光学系统的谱线弯曲曲线图；图5是本专利技术实施例1提供的O2-A波段光学系统的色畸变曲线图；图中：1、孔径光阑；2、前置望远物镜主镜；3、前置望远物镜次镜；4、前置望远物镜三镜；5、狭缝；6、准直镜头主镜；7、准直镜头次镜；8、准直镜头三镜；9、二向色性分色片；10、分光成像装置系统；11、光栅入射光；12、光栅衍射光；13、棱镜前表面(光栅入/出射面)；14、棱镜后表面(光栅面)；15、楔角棱镜/组(1)；16、楔角棱镜/组(2)；17、反射式浸没光栅；18、成像镜组；19、探测器。具体实施方式下面结合附图和实施例对专利技术的实施方案作进一步的具体阐述。实施例1本实施例提供的技术方案是宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的工作波段是氧气-A(O2-A)吸收带0.7525～0.7675μm，弱二氧化碳(CO2)吸收带1.595～1.625μm，强二氧化碳(CO2)吸收带2.04～2.08μm，甲烷(CH4)吸收带2.275～2.325μm。地面刈幅宽度102km，视场角7°，地面空间采样范围3km×3km，光谱分辨本领19000～23000，前置望远物镜和准直镜头F数为3，成像装置透镜组F数为1.8。由于四个工作波段分光成像装置结构类似，本实施例以O2-A吸收带0.7525～0.7675μm光学系统为例进行说明。参见附图1，它是本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的光学系统结构示意图，包括孔径光阑1、前置望远物镜的主镜2、次镜3、三镜4、狭缝5、准直镜头的主镜6、次镜7、三镜8、二向色性分色片9、分光成像装置系统10，其中，依据探测目标不同的工作波段，独立设置分光成像装置，各波段的分光成像装置结构相似，分别由楔角棱镜/组(1)15、楔角棱镜/组(2)16、反射式浸没光栅17、成像透镜组18和探测器19组成。分光成像装置采用反射式浸没光栅17色散，浸没介质为熔融石英，楔形棱镜/组16和18用以矫正畸变和辅助色散。成像透镜组结构上采用四片式匹兹万型，F数为1.8，O2-A吸收带所用成像镜组的焦距为145mm，玻璃材料均为熔融石英。本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的前置望远物镜包括孔径光阑1、前置望远物镜主镜2、前置望远物镜次镜3、前置望远物镜三镜4和狭缝5，结构上采用有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，中间实像位于主次镜之间，靠近次镜；主三镜为两个非球面反射镜，次镜为球面反射镜；前置望远物镜的F数为3，焦距为100mm，三个反射镜顶点曲率半径分别为218mm、103mm和180mm，主三镜为椭球面，二次非球面系数分别为-0.58和-0.02。狭缝5是空气狭缝，采用离子束刻蚀硅片制作而成，长13mm，宽45μm±1μm，方向垂直纸面。本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪准直镜头的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统包括前置望远物镜、准直镜头和四个分光成像装置，系统的F数取值范围为1.2～1.8；按光线入射方向，光线经孔径光阑（1）进入前置望远物镜，成像于狭缝（5）处，经准直镜头准直为平行光束，由二向色性分色片（9）分为四个不同的探测波段，分别进入四个分光成像装置中进行分光色散，再经成像镜组（18）成像于探测器（19）上；所述的前置望远物镜为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为主镜（2）、次镜（3）和三镜（4），孔径光阑（1）位于主镜（2）前，中间实像位于主镜（2）和次镜（3）之间，靠近次镜（3）处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的准直镜头为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为准直镜头主镜（6）、准直镜头次镜（7）和准直镜头三镜（8），中间实像位于准直镜头次镜（7）和准直镜头三镜（8）之间，靠近准直镜头次镜（7）处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的分光成像装置为近Littrow装架，依次为第一楔角棱镜（15）、反射式浸没光栅（17）和第二楔角棱镜（16）。

【技术特征摘要】
1.一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统包括前置望远物镜、准直镜头和四个分光成像装置，系统的F数取值范围为1.2～1.8；按光线入射方向，光线经孔径光阑（1）进入前置望远物镜，成像于狭缝（5）处，经准直镜头准直为平行光束，由二向色性分色片（9）分为四个不同的探测波段，分别进入四个分光成像装置中进行分光色散，再经成像镜组（18）成像于探测器（19）上；所述的前置望远物镜为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为主镜（2）、次镜（3）和三镜（4），孔径光阑（1）位于主镜（2）前，中间实像位于主镜（2）和次镜（3）之间，靠近次镜（3）处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的准直镜头为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为准直镜头主镜（6）、准直镜头次镜（7）和准直镜头三镜（8），中间实像位于准直镜头次镜（7）和准直镜头三镜（8）之间，靠近准直镜头次镜（7）处；反射镜中的一块或两块为非球面；所述的分光成像装置为近Littrow装架，依次为第一楔角棱镜（15）、反射式浸没光栅（17）和第二楔角棱镜（16）。2.根据权利要求1所述的一种宽覆盖高分...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘俏，陈新华，赵知诚，沈为民，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32