本发明专利技术公开了一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统。摆扫镜系统由摆镜构成；离轴三反望远成像系统主要由离轴三反望远镜构成，并含孔径光阑、退偏器和分色片；Offner‑Littrow光谱成像系统具体由入射狭缝、探测器、凸面光栅、凹面反射镜和像差校正透镜构成；摆镜通过扫描将探测的临边信息引入离轴三反望远成像系统，通过分色片分成三个独立的光谱通道，分别聚焦到Offner‑Littrow光谱成像系统入射狭缝处。相应光谱信息经像差校正透镜准直到凹面反射镜反射，由凸面光栅分光至凹面反射镜，再经像差校正透镜聚焦到探测器。本发明专利技术保证测量准确性，使整体光学系统体积紧凑。
A differential absorption imaging spectrometer optical system based on edge observation
【技术实现步骤摘要】
一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统
本专利技术属于一种光学测量方法领域，具体是通过高分辨率光谱成像获取对临边观测的散射光谱，反演出所观测区域痕量气体成分NO2、O3等物质的垂直分布。主要应用于航天卫星平台的星载临边差分吸收光谱仪探测，具体由摆扫镜、离轴三反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统三部分组成。
技术介绍
本专利技术系统是针对地球切线方向上的大气进行探测，收集仪器视场范围内大气痕量气体散射辐射，散射辐射的亮度随波长和临边高度变化，通过分析接收到的散射辐射的光谱特性，反演大气痕量气体的空间分部信息。大气痕量气体探测是监测大气环境污染和研究全球变暖的重要手段，基于卫星平台的大气痕量气体根据观测方式的不同，分为天底探测模式、掩日/月探测方式和临边探测方式。天底探测方式的空间覆盖范围高，但垂直分辨率低；掩日/月探测方式的垂直分辨率高，但空间覆盖范围小；临边探测方式同时具备空间覆盖范围大和垂直分辨率高的特点。利用NO2、SO2、O3等大气痕量气体在不同波段对太阳光的散射和吸收特性的差异，通过对经过仪器后的紫外/可见波段的散射光谱辐射光谱信息的解释，获得大气成分的总量或垂直分布特征。临边观测的差分吸收成像光谱仪对沿地球某高度切线方向上的大气进行探测，接收来自仪器视场内大气层的散射辐射。通过摆镜扫描可获得整层大气的垂直结构探测。临边观测的差分吸收成像光谱仪是一种“图像和光谱的合一”的光学遥感仪器，它利用入射狭缝将离轴三反望远系统和Offner-Littrow光谱成像系统结合在一起，能够提供景物连续的光谱图像。临边探测方式是一种对大气进行切片探测的技术，通过摆扫镜将大气层垂直方向光谱信息传递到仪器中进行后续探测，因此垂直分辨率较高。仪器的视场由临边高度决定，它测量的临边光谱辐亮度包括单次和多次散射的太阳光辐射。临边散射亮度随临边高度和波长的变化反应了大气中吸收体和散射体的空间分布，特别是痕量气体NO2、SO2、O3和大气气溶胶的空间分布。仪器光谱范围在(290-480)nm、(520-610)nm内、满足高光谱分辨率和空间分辨率探测的光学设计方案。为了减少体积和重量，采用小口径的光学系统，整体光学结构具有结构简单、重量轻、辐射能量利用率高、成像质量好的特点，并能够满足应用要求的技术指标和性能，在航天资源(体积、重量)限制和当前技术能力下能够实现。光谱波段指标要求为(290-480)nm、(520-610)nm，光谱分辨率≤0.6nm，考虑到在这个波段辐照强度变化大，且光谱分辨率要求高，拟采用多通道设计方案，同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。临边观测差分吸收成像光谱仪光学系统的技术方案综合考虑应用需求，对卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合权衡，优选光学结构，确定仪器参数。为设计一种航天上轻量化的高分辨率临边成像光谱仪，优选了离轴三反望远系统和基于凸面光栅的Offner-Littrow成像光谱仪的光学结构。沿狭缝方向的探测目标条带经望远系统成像在狭缝上，后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并被探测器接收。通过对空间水平方向连续摆扫方式获得了目标的成像数据立方，对目标进行空间分析和成分识别。凸面光栅分光系统是临边观测差分吸收成像光谱仪的核心部分，直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱，对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说，具有较高的信噪比是至关重要的，而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪音。这里的光谱仪采用了优化后的Offner-Littrow型的分光系统，一方面继承了Offner型光学系统的优势，相对孔径大、固有像差小、成像质量高以及系统集光本领高的特点；同时该系统还具有Littrow型光学系统的优势：结构简单、紧凑，与经典的Offner型光学系统相比体积更小、重量更轻以及装调相对简单等特点。同时，引入像差校正透镜能增大光谱仪相对孔径，更好地提升光谱仪信噪比。为了与Offner-Littrow光谱成像系统的光瞳相匹配，离轴三反望远系统必须具有像方远心的结构，且宽波段范围内系统的分辨力较高。成像光谱仪的空间分辨率是由前置光学系统来决定的，根据不同的应用目的选择不同的前置光学系统，一般由于我们所测波段包括紫外波段，受紫外玻璃材料限制，优先考虑反射式结构。反射式望远镜适用宽谱段，但难以实现大视场，这里是通过增加运动摆扫机构获得相对大的视场和孔径。临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统由摆扫镜、离轴三反望远成像系统、Offner-Littrow光谱成像系统组成。目标物反射光通过摆镜，经离轴三反望远成像系统聚焦到光谱仪入射狭缝，这个目标条带像发出的光线经过成像光谱仪后在垂直条带方向按光谱色散，并会聚成像在探测器光敏面。光敏面的行向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱波段的像；光敏面的列向是色散方向，称光谱维，每一列光敏面元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。光信号经过探测器进行光电转换，由信号处理电路进行放大、直流恢复、滤波，经过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。根据指标分析结果，由于视场较大、对空间分辨率和光谱分辨率要求均较高，临边观测差分吸收成像光谱仪对探测器规模和灵敏度均有较高的要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种宽谱段高分辨率的临边观测差分吸收成像光谱仪的光学系统，将差分吸收光谱技术、临边探测技术、Offner-Littrow光谱成像技术相结合。并有效的将摆扫镜系统、离轴三反望远成像组合通过分色片形成多通道探测，并通过狭缝分别和相应光谱通道的Offner-Littrow光谱仪相组合，来实现宽谱段高分辨率临边探测技术，解决了临边观测成像光谱仪垂直空间分辨率偏低、紫外波段探测通道较少、成像光谱仪系统视场过小、光学系统整体体积偏大、重量偏重等问题。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，所述的光学系统包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；所述摆扫镜系统包括窗口、摆镜；探测临边信息光经窗口，通过摆镜扫描进入后续离轴三反望远成像系统。所述离轴三反望远成像系统具体包括：主镜、孔径光阑、次镜和第三反射镜，并且在主镜的前端加置退偏器。在第三反射镜后端包括有两个分色片，即第一分色片和第二分色片。所述离轴三反望远成像系统中，摆镜出射的探测光经退偏器反射到主镜，经过孔径光阑入射到次镜后反射至第三反射镜。离轴三反望远成像系统通过第一分色片、第二分色片形成三个光谱通道。即第一通道(290-380)nm、第二通道(375-480)nm、第三通道(520-610)nm；所述Offner-Littrow光谱成像系统，和离轴三反望远系统相应谱段匹配也分成三个通道，即第I通道的(290-380)nm、第II通道(375-480)nm、第III通道(520-610)nm，具体包括第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝、第I通道像差校正透镜、第I通道凹本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；所述摆扫镜系统包括窗口(1)、摆镜(2)；探测临边信息光经窗口(1)，通过摆镜(2)扫描进入后续离轴三反望远成像系统；所述离轴三反望远成像系统包括：主镜(4)、孔径光阑(5)、次镜(6)和第三反射镜(7)，并且在主镜的前端加置退偏器(3)，在第三反射镜(7)后端包括有两个分色片，即第一分色片(8)和第二分色片(9)，所述离轴三反望远成像系统中，摆镜(2)出射的探测光经退偏器(3)反射到主镜(4)，经过孔径光阑(5)入射到次镜(6)后反射至第三反射镜(7)，离轴三反望远成像系统通过第一分色片(8)、第二分色片(9)形成三个光谱通道，即第一通道(290-380)nm、第二通道(375-480)nm、第三通道(520-610)nm；其中所述Offner-Littrow光谱成像系统，和离轴三反望远系统相应谱段匹配也分成三个通道，即第I通道的(290-380)nm、第II通道(375-480)nm、第III通道(520-610)nm，具体包括第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝(10)、第I通道像差校正透镜(11)、第I通道凹面反射镜(12)、第I通道凸面光栅(13)、第I通道探测器(14)组成，第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝(15)、第II通道像差校正透镜(16)、第II通道凹面反射镜(17)、第II通道凸面光栅(18)、第II通道探测器(19)组成，第III通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第III通道入射狭缝(20)、第III通道像差校正透镜(21)、第III通道凹面反射镜(22)、第III通道凸面光栅(23)、第III通道探测器(24)组成，目标物为(290-380)nm波段的光从第一分色片(8)反射后聚焦到第I通道的(290-380)nm入射狭缝(10)处，目标物为(375-480)nm波段的光从第二分色片(9)反射后聚焦到第II通道(375-480)nm入射狭缝(15)处，目标物为(520-610)nm波段的光从第二分色片(9)透射后聚焦到第III通道(520-610)nm入射狭缝(20)处；/n第一通道(290nm-380nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝(10)经过第I通道像差校正透镜(11)进入Offner-Littrow成像光谱仪系统，由第I通道凹面反射镜(12)反射至第I通道凸面光栅(13)，分光后转折至第I通道凹面反射镜(12)处，再经像差校正透镜(11)聚焦到第I通道的探测器(14)上；第二通道(375nm-480nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝(15)经过第II通道像差校正透镜(16)进入光谱仪，由第II通道凹面反射镜(17)反射至第II通道凸面光栅(18)，分光后转折至第II通道凹面反射镜(17)处，经像差校正透镜(16)聚焦到第II通道探测器(19)上；第三通道(520nm-610nm)波段光信息从第III通道入射狭缝(20)经过第III通道像差校正透镜(21)进入光谱仪，由第III通道凹面反射镜(22)反射至第III通道凸面光栅(23)，分光后转折至第III通道凹面反射镜(22)处，经像差校正透镜(21)聚焦到第III通道探测器(24)上。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；所述摆扫镜系统包括窗口(1)、摆镜(2)；探测临边信息光经窗口(1)，通过摆镜(2)扫描进入后续离轴三反望远成像系统；所述离轴三反望远成像系统包括：主镜(4)、孔径光阑(5)、次镜(6)和第三反射镜(7)，并且在主镜的前端加置退偏器(3)，在第三反射镜(7)后端包括有两个分色片，即第一分色片(8)和第二分色片(9)，所述离轴三反望远成像系统中，摆镜(2)出射的探测光经退偏器(3)反射到主镜(4)，经过孔径光阑(5)入射到次镜(6)后反射至第三反射镜(7)，离轴三反望远成像系统通过第一分色片(8)、第二分色片(9)形成三个光谱通道，即第一通道(290-380)nm、第二通道(375-480)nm、第三通道(520-610)nm；其中所述Offner-Littrow光谱成像系统，和离轴三反望远系统相应谱段匹配也分成三个通道，即第I通道的(290-380)nm、第II通道(375-480)nm、第III通道(520-610)nm，具体包括第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝(10)、第I通道像差校正透镜(11)、第I通道凹面反射镜(12)、第I通道凸面光栅(13)、第I通道探测器(14)组成，第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝(15)、第II通道像差校正透镜(16)、第II通道凹面反射镜(17)、第II通道凸面光栅(18)、第II通道探测器(19)组成，第III通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第III通道入射狭缝(20)、第III通道像差校正透镜(21)、第III通道凹面反射镜(22)、第III通道凸面光栅(23)、第III通道探测器(24)组成，目标物为(290-380)nm波段的光从第一分色片(8)反射后聚焦到第I通道的(290-380)nm入射狭缝(10)处，目标物为(375-480)nm波段的光从第二分色片(9)反射后聚焦到第II通道(375-480)nm入射狭缝(15)处，目标物为(520-610)nm波段的光从第二分色片(9)透射后聚焦到第III通道(520-610)nm入射狭缝(20)处；
第一通道(290nm-380nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝(10)经过第I通道像差校正透镜(11)进入Offner-Littrow成像光谱仪系统，由第I通道凹面反射镜(12)反射至第I通道凸面光栅(13)，分光后转折至第I通道凹面反射镜(12)处，再经像差校正透镜(11)聚焦到第I通道的探测器(14)上；第二通道(375nm-480nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝(15)经过第II通道像差校正透镜(16)进入光谱仪，由第II通道凹面反射镜(17)反射至第II通道凸面光栅(18)，分光后转折至第II通道凹面反射镜(17)处，经像差校正透镜(16)聚焦到第II通道探测器(19)上；第三通道(520nm-610nm)波段光信息从第III通道入射狭缝(20)经过第III通道像差校正透镜(21)进入光谱仪，由第III通道凹面反射镜(22)反射至第III通道凸面光栅(23)，分光后转折至第III通道凹面反射镜(22)处，经像差校正透镜(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：司福祺，江宇，陈军，周海金，沈威，刘凤垒，赵敏杰，赵欣，窦科，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。