本发明专利技术公开了一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统。扫描镜系统包括扫摆镜；前置望远成像系统包括主镜、次镜和第三反射镜，其中在次镜前端设置有孔径光阑；Offner光谱成像系统包括入射狭缝、滤光片、退偏器、第一凹面反射镜、凸面光栅、第二凹面反射镜和面阵探测器；扫摆镜通过扫描将基于地球同步轨道所探测的天底信息引入前置望远成像系统，并聚焦到入射狭缝处。探测目标物光谱信息由Offner光谱成像系统，经过滤光、退偏、折转后，反射到第一凹面反射镜，再经凸面光栅分光至第二凹面反射镜，最后聚焦到面阵探测器上，从而完成高光谱、空间分辨率探测。空间分辨率探测。空间分辨率探测。
【技术实现步骤摘要】
一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统
[0001]本专利技术属于一种光学测量方法领域，具体是基于地球同步轨道，通过高分辨率光谱成像获取对天底观测的散射光谱，反演出所观测区域大气痕量气体成分如NO2、SO2、O3等物质的垂直柱浓度分布。主要应用于航天领域基于地球同步轨道卫星平台的大气痕量气体探测，该光学系统具体由扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统三部分组成。
技术介绍
[0002]影响大气环境的根源是污染物的排放，天气变化过程在污染过程的演变中起着重要作用。准确的空气质量预报依赖天气预报的准确性和污染物时空分布的精确定量监测。目前监测中存在的问题是，对污染物的监测主要手段为常规地基观测或地基遥测，无法满足空气质量预报以及了解污染物跨区域输送过程的需求。太阳同步轨道卫星能监测全球污染物的分布和变化，扩大了空间覆盖，但每天最多2次的观测频次不能满足预报与实时监测的需求。基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪可以实现每小时一次的观测频率，主要用于探测臭氧及气溶胶前体物SO2和NO2等，同时探测气溶胶的光学厚度、吸收性气溶胶指数、单次散射反照率以及粒径参数等光学参数。基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪可以部分解决目前环境监测和预报中存在的数据观测频次和信息量不足的问题。目前，我国应用于大气相关参数反演的星上载荷主要在风云系列卫星上，利用紫外
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可见光波段进行痕量气体星载监测刚刚起步，尚没有星载仪器可同时进行针对对流层多种污染气体的监测。
技术实现思路
[0003]本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，将差分吸收光谱技术、离轴三反望远成像技术、Offner光谱成像技术相结合。将扫描镜系统、前置望远成像系统结合起来，通过狭缝与Offner成像光谱仪组成差分吸收光谱仪的光学系统，来实现基于地球同步轨道的宽谱段、高光谱、空间分辨率探测技术，解决了基于地球同步轨道观测空间分辨率偏低、紫外光谱信息信号偏弱、以及高精度的扫摆技术等问题。
[0004]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统：
[0005]所述的光学系统包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统；
[0006]所述扫描镜系统包括窗口(1)、扫摆镜(2)；基于地球同步轨道探测天底目标物信息经窗口(1)，通过扫摆镜(2)将波长为300nm
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500nm的地物光谱信息引入到前置望远成像系统；
[0007]所述前置望远成像系统包括：主镜(3)、孔径光阑(4)、次镜(5)和第三反射镜(6)；所述前置望远成像系统中，扫摆镜(2)出射后的探测光反射到主镜(3)，经过孔径光阑(4)入射到次镜(5)，再反射至第三反射镜(6)，最后成像到入射狭缝(7)处；
[0008]其中所述Offner光谱成像系统，与前置望远成像系统探测谱段300
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500nm匹配，形成单独的光谱探测通道，具体包括入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)、平面折转镜(10)、第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)、第二凹面反射镜(13)以及面阵探测器(14)；
[0009]当前置望远成像系统将光谱探测波段300
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500nm的光信息聚焦成像到入射狭缝(7)处，目标光信息依次经过入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)，然后经过平面折转镜(10)实现光路转折，入射到第一凹面反射镜(11)，经凸面光栅(12)色散分光后，再通过第二凹面反射镜(13)，最后聚焦成像到面阵探测器(14)。
[0010]进一步的，所述光学系统的光谱探测波段为300nm
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500nm，在Offner光谱成像系统中，设置第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)和第二凹面反射镜(13)三个元件的位置，使其成像符合罗兰圆，第一凹面反射镜(11)和第二凹面反射镜(13)按凸面光栅(12)呈上下对称分布，第一凹面反射镜(11)和第二凹面反射镜(13)的曲率半径相同或相差预定阈值以内。
[0011]进一步的，所述前置望远成像系统设计为离轴三反望远镜，包括三块非球面反射镜；其中主镜(3)、次镜(5)和第三反射镜(6)均采用二次曲面设计；通过对孔径光阑(4)进行预定的倾斜，实现无中心遮拦；设置孔径光阑(4)位于次镜(5)上，中心视场倾斜，光阑(4)不离轴。
[0012]进一步的，扫摆镜(2)对天底观测的东西方向进行扫摆，将天底探测的光信息引入前置望远成像系统，扫摆镜(2)具体材料选用碳化硅或者铍镜。
[0013]进一步的，前置望远成像系统设计满足以下要求：
①
具有像方远心结构；
②
与后端Offner光谱成像系统的凸面光栅分光系统数值孔径匹配。
[0014]进一步的，所述的入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)依次设置在一个组件上，滤光片镀带通滤光膜，退偏器的厚度控制在1～2
㎜
，不影响空间分辨率探测。
[0015]进一步的，所述第一凹面反射镜、(11)、第二凹面反射镜(13)、均采用ULE光学玻璃、分别镀金属介质膜，用于提升光学效率。
[0016]其中，所述光学系统的扫描镜系统针对天底观测东西方向进行摆扫，南北方向凝视成像。将探测的光信息引入前置望远成像系统，优选的，扫摆镜具体材料选用碳化硅，并做轻量化处理。
[0017]优选的，所述光学系统的前置望远成像系统采用三块非球面反射镜设计，其中主镜采用双曲面设计、次镜和第三反射镜采用椭球面设计。通过对孔径光阑合适的倾斜，实现无中心遮拦，同时具有分辨率高、体积小、平像场等优点。这里设置孔径光阑位于次镜上，中心视场倾斜，光阑不离轴。离轴三反望远系统的镜片材料为热膨胀系数超低的材料组成，这里用的微晶玻璃或者ULE材料。前置望远成像系统镜片均镀金属介质膜实现紫外可见波段的高效反射。
[0018]其中，所述光学系统的Offner光谱成像系统中在入射狭缝后端设置了退偏器，主要实现系统对入射光的偏振不敏感，这里考虑到前置望远系统的成像质量，尽可能的减小退偏器的中心厚度，控制在(1～2)
㎜
。Offner成像光谱仪中凹面反射镜可以是一只，也可以是两只，且具有不同的曲率半径。本专利技术是按两只设计。凸面光栅可以是凸面的Rowland光栅，也可以是凸面的像差校正光栅。这些具体参数将依光学系统相关要求所作像差校正状况而定。凸面光栅Offner结构成像光谱仪在空间和光谱方向都有较好的分辨率，广泛地被用于低色散、大视场的图像分光仪中。这里，选用衍射的
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1级用来成像。
[0019]所述扫描镜系统通过一维摆扫将天底的观测信息引入仪器(南北方向凝视，东西方向摆扫)，系统主要是扫摆镜组件构成。所述前置望远成像系统主要包括离轴三反望远镜、孔径光阑。探测目标物的光经过扫摆镜、离轴三反望远镜通过独立的光谱通道(300
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统；所述扫描镜系统包括窗口(1)、扫摆镜(2)；基于地球同步轨道探测天底目标物信息经窗口(1)，通过扫摆镜(2)将波长为300nm
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500nm的地物光谱信息引入到前置望远成像系统；所述前置望远成像系统包括：主镜(3)、孔径光阑(4)、次镜(5)和第三反射镜(6)；所述前置望远成像系统中，扫摆镜(2)出射后的探测光反射到主镜(3)，经过孔径光阑(4)入射到次镜(5)，再反射至第三反射镜(6)，最后成像到入射狭缝(7)处；其中所述Offner光谱成像系统，与前置望远成像系统探测谱段300
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500nm匹配，形成单独的光谱探测通道，具体包括入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)、平面折转镜(10)、第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)、第二凹面反射镜(13)以及面阵探测器(14)；当前置望远成像系统将光谱探测波段300
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500nm的光信息聚焦成像到入射狭缝(7)处，目标光信息依次经过入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)，然后经过平面折转镜(10)实现光路转折，入射到第一凹面反射镜(11)，经凸面光栅(12)色散分光后，再通过第二凹面反射镜(13)，最后聚焦成像到面阵探测器(14)。2.根据权利要求1所述的一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于：所述光学系统的光谱探测波段为300nm
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500nm，在Offner光谱成像系统中，设置第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)和第二凹面反射镜(13)三个元件的位置，使其成像符合罗兰圆，第一凹面反射镜(11)和第二凹面反射镜(13)按凸面光栅(12)...
【专利技术属性】
技术研发人员：江宇，司福祺，周海金，沈威，赵敏杰，
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：
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