一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪制造技术

本发明专利技术公开了一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，包括前置光学系统、准直系统、干涉系统、后置成像系统，被测目标辐射光束被前置光学系统收集并汇聚后，入射光束经过前置准直系统准直，形成平行光入射到分束器，将入射光束分成两束强度相等、相互垂直的两束平行光；两束光分别照射到双光栅模块中的子光栅上，在每个子光栅上发生衍射后返回，再次达到分束器重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹，经后置光学成像系统将干涉条纹图样成像在成像探测器上，对被记录的干涉图进行傅里叶变换即可还原出被测目标的光谱信息。傅里叶变换即可还原出被测目标的光谱信息。傅里叶变换即可还原出被测目标的光谱信息。

【技术实现步骤摘要】
一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪


[0001]本专利技术涉及光谱成像设备，尤其涉及一种闪电高速成像仪。

技术介绍

[0002]闪电是大气中的高压放电现象，其通道是由高度电离的等离子体组成，闪电的光谱信息能够反映出通道的温度、电子浓度和电导率等基本物理特征。光谱识别已成为研究雷电的重要工具，对闪电光谱的研究可以更好地了解大气的成分与大气中放电过程的机理。
[0003]目前，闪电光谱主要使用两类方法进行观测：一类是将有缝摄谱仪对着发射闪电的天空由狭缝接收闪电的光，国内早期以涂飞
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程茂兰(1949)的工作为代表。有狭缝摄谱仪的优点是在于它能够精确地确定波长并且具有良好的光谱分辨率，而它的缺点是必须通过多次观测才能产生满意的记录图像，耗时较长，并不符合闪电发生过程的特殊性要求。另一类使用“物端棱镜”型的无狭缝光谱仪，早期法国学者与匹口灵(1901)曾进行这方面工作，近年范婷婷(2017)等人分析了由无狭缝光栅摄谱仪获取了两次多回击自然闪电的光谱资料，研究了闪电放电电流与通道半径随时间的演化特性。无狭缝光谱仪能够对近红外闪电实施测量，通过一次极短时间的曝光就可以对闪电记录成像，且同时获取光谱信息，也可用于研究闪电通道特性随高度的变化；但受许多因素的影响，其光谱分辨率有一定局限性。
[0004]因此，尽管对闪电光谱的探测已有部分研究，但由于现有仪器固有的局限性，仍无法实现一次短时曝光即可同时获取闪电通道形态及高分辨率光谱信息。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术中的不足，本专利技术提出一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，基于空间外差干涉仪的光谱成像原理，利用双光栅模块代替传统设备中的单光栅来对闪电形态和光谱进行同时记录，在能够获取高分辨率光谱信息的基础上，同时保证了较高的光通量，从而可以对闪电过程实施高时间分辨率的探测。
[0006]技术方案：本专利技术提供的一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，包括前置光学系统、准直系统、干涉系统、后置成像系统，前置光学系统用于接收较远距离闪电光源的入射光线并将其进行汇聚，准直系统用于对汇聚光束进行准直，干涉系统用于将准直光束分光形成干涉条纹图样，后置成像系统用于将干涉图样进行成像，即成像于成像探测器上，从而进行后续的数据处理；所述干涉系统包括双阶梯光栅模块和分束器，分束器放置于两垂直光轴的焦点处，将入射光束处理为两束传播方向垂直且强度相同的相干光；双阶梯光栅模块包括分别固定设置于两臂末端的第一双阶梯光栅和第二双阶梯光栅，双阶梯光栅模块使分离的两束相干光发生衍射，后返回分束器重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹。
[0007]其中，前置光学系统包括以光轴为对称中心、依次放置的汇聚透镜、放大透镜，汇聚透镜和放大透镜组成的系统类似一个望远镜结构，对入射光线进行汇聚并成像。
[0008]所述前置准直系统包括以光轴为对称中心、依次放置的光阑和准直透镜，光阑对入射光束整形，使出射光斑变得相对匀称后，准直透镜对入射光束进行准直，使不规则光束变为平行光束。
[0009]所述干涉系统包括第一双阶梯光栅、第二双阶梯光栅和分束器；分束器放置于两垂直光轴的焦点处，将入射光束处理为两束传播方向垂直且强度相同的相干光；双阶梯光栅(第一双阶梯光栅和第二双阶梯光栅)均由两个子光栅在光栅平面内沿垂直刻线的方向，进行拼接而成，拼接处位于光轴的中心，每个双阶梯光栅的两个子光栅与光轴均具有不同的夹角θ1和θ2，且系统双臂端的双阶梯光栅模块中的两个子光栅一一对应，在对应的双阶梯光栅模块中的空间区域位置完全相同。即：第一双阶梯光栅和第二双阶梯光栅的结构是一模一样的，第一双阶梯光栅的夹角θ1和第二双阶梯光栅的夹角θ1相同，第一双阶梯光栅的夹角θ2和第二双阶梯光栅的夹角θ2相同；并且两者的中心位置到分束器的距离是相同的，仅是放置的角度不同，呈旋转对称状态。而夹角的具体角度值可根据实际需求选择合适的范围。
[0010]具体的，第一双阶梯光栅和第二双阶梯光栅分别固定放置在臂的末端，两个双阶梯光栅模块使分离的两束相干光发生衍射后返回分束器；两个双阶梯光栅模块均由两个与光轴具有不同倾角θ1、θ2的子光栅构成，每个子光栅的宽度、厚度及刻线密度均相同，将两个子光栅在光栅平面内沿刻线方向进行拼接，每个双阶梯光栅中，子光栅的拼接处位于光轴的中心；两子光栅与光轴的夹角分别为θ1、θ2，且系统双臂端的双阶梯光栅模块中的两个子光栅一一对应，在对应的双阶梯光栅模块中的空间区域位置完全相同。
[0011]其中，第一双阶梯光栅的夹角θ1和第二双阶梯光栅的夹角θ1相同，第一双阶梯光栅的夹角θ2和第二双阶梯光栅的夹角θ2相同。
[0012]所述后置成像系统包括位于分束器下方且以光轴为中心对称依次向下设置的前置透镜、滤光片、后置透镜和成像探测器；所述滤光片由两块透射率不同但大小、形状相同的滤光片拼接而成，用于透过不同波长的相干光。
[0013]本专利技术提供的双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪的工作原理为：当被测目标辐射光束被前置光学系统收集并汇聚后，入射光束经过前置准直系统的准直透镜进行准直，形成平行光入射到分束器上，理想条件下分束棱镜透反比为50/50且无光能量损耗，继而分束器将入射光束分成两束强度相等、相互垂直的两束平行光：反射光束与透射光束。两束光分别照射到双光栅模块中的子光栅上，在每个子光栅上发生衍射后返回，再次达到分束器重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹，经后置光学成像系统将干涉条纹图样成像在成像探测器上，对被记录的干涉图进行傅里叶变换即可还原出被测目标的光谱信息。由于两个双光栅模块中对应子光栅区域发生外差干涉后可成像到成像探测器的不同位置，因此双阶梯光栅模块中的两个个子光栅区域可以实现两段不同光谱波段的光谱测量。
[0014]本专利技术实现两段不同波段光谱信息获取的方法：双光栅模块中子光栅的不同倾角是改变光谱仪探测光谱波段范围和光谱分辨率的关键因素。传统空间外差光谱仪其光谱分辨率与探测光谱范围分别表示为：
[0015][0016][0017]其中W为光栅宽度，θ
L
为位置倾角，N为探测器光谱维像素数。Δσ为在二维傅里叶变换干涉图下的表达式。而每个双光栅模块均由两个子光栅拼接而成，这两个子光栅具有不同的位置倾角，但对应子光栅具有相同的光栅宽度，并且均满足上述关系，仅但两个子光栅具有不同的位置倾角，分别为θ1、θ2，每个双光栅模块均有这样的两个子光栅拼接而成。这就意味着包含两个子光栅的双光栅模块构成的双波段高光谱分辨率空间外差光谱系统包含有两段波段范围不同的光谱，其范围分别为：
[0018][0019][0020]其中，Δσ1和Δσ2分别是两段可探测光谱波数的范围在二维傅里叶变换干涉图下的表达式；N为探测器光谱维像素数，W为光栅宽度。
[0021]在探测器光谱维像素数N固定不变的情况下，若仪器所需分辨率确定，那么可以很容易的通过增加不同倾角的光栅来实现仪器探测光谱范围的扩展，满足不同波段范围的高分辨率光谱测量。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，其特征在于：包括前置光学系统(1)、准直系统(2)、干涉系统(3)、后置成像系统(4)，前置光学系统(1)接收闪电光源的入射光线并将其进行汇聚，准直系统(2)对汇聚光束进行准直，干涉系统(3)将准直光束分光形成干涉条纹图样，后置成像系统(4)将干涉图样进行成像；所述干涉系统(3)包括双阶梯光栅模块和分束器(10)，分束器(10)放置于两垂直光轴的焦点处，将入射光束处理为两束传播方向垂直且强度相同的相干光；双阶梯光栅模块包括分别固定设置于两臂末端的第一双阶梯光栅(9)和第二双阶梯光栅(11)，双阶梯光栅模块使分离的两束相干光发生衍射，后返回分束器(10)重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹。2.根据权利要求1所述的双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，其特征在于：双阶梯光栅均由两个子光栅在光栅平面内沿刻线方向拼接而成，每个双阶梯光栅的两个子光栅与光轴均具有不同的夹角θ1和θ2。3.根据权利要求1所述的双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，其特征在于：所述后置成像系统(4)包括位于分束器下方且以光轴为中心对称依次向下设置的前置透镜(12)、滤光片(13)、后置透镜(14)和成像探测器(15)；所述滤光片(13)由两块透射率不同但大小、形状相同的滤光片拼接而成，用于透过...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱迪，郜海阳，王婧彧，黄上章，周恒韬，卜令兵，张其林，杨璟，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：