基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法技术

本发明专利技术涉及基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜、第一准直镜、孔径分割偏振组合结构、宽场延迟模块、第二望远镜、第二准直镜、屋脊棱镜、Wollaston棱镜、成像镜和探测器；所述屋脊棱镜设置于第二准直镜后的孔径光阑的共轭像位置。本发明专利技术采用偏振组合孔径分割的方式，避免了入射宽场延迟模块光束的分裂，使上下部分的光束以同一角度入射，解决了现有技术中探测视场受限、部分视场区域干涉条纹欠采样的问题。极大地提高了系统的可用视场范围，减小了风速反演误差。减小了风速反演误差。减小了风速反演误差。

【技术实现步骤摘要】
基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法


[0001]本专利技术涉及大气重力波观测
，尤其涉及基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法。

技术介绍

[0002]大气波是大气的场参数，表现为某一大气特征参数如密度、风速的周期性扰动，这种波动能够在大气中传输，亦可能以驻波的形式存在，基于大气存在的范围考虑，大气波具有广泛的时间与空间尺度，包括全球性扰动和局部范围的波动；主要的大气波有大气行星波、大气热力潮汐和大气重力波。大气的波动是大气中能量和动量传输的重要动力学过程，这些传输过程极大地影响整个中高层大气温度、压强、风场和成分的分布。
[0003]重力波过程被认为是中高层大气中最重要的动力学过程之一。重力波过程能够解释中高层大气参量的起伏变化，说明某些暂态过程的物理原因。在热层高度上，通过碰撞耦合，重力波引起电离层扰动。因此对重力波过程全面而深入的理解，将为空间环境扰动预报提供信息，为航天活动的开展以及无线电通讯提供可靠保障。除此之外，重力波破裂产生湍流对中高层大气的输运、光化学平衡和微量成分也可能产生重要影响。
[0004]实际上，大气的运动(风场)即为大气重力波最直观的表现形式，对大气风场的探测能够直接反映大气的动力学过程，实现对大气重力波的精确被动探测。大气风场的探测主要通过观测中高层大气中气辉辐射的多普勒频移来实现。Aruhliah等人采用Fabry
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Perot标准具系统来测量大气运动造成的气辉谱线频移，Englert等人研制了基于空间外差光谱技术的DASH，用于大气风场的探测。而目前国际上技术最完善、最具有发展前景的是基于Michelson核心的风成像干涉仪。但是现有的成像干涉仪都存在探测市场受限，部分市场区域干涉条纹欠采样的问题。
[0005]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法，解决了现有成像干涉仪存在的不足。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜、第一准直镜、孔径分割偏振组合结构、宽场延迟模块、第二望远镜、第二准直镜、屋脊棱镜、Wollaston棱镜、成像镜和探测器；所述屋脊棱镜设置于第二准直镜后的孔径光阑的共轭像位置；
[0008]入射光经过前置望远镜在视场光阑处成一次像，然后经过第一准直镜成为平行光束，入射到孔径分割偏振组合模块，经过孔径分割偏振组合模块将光束调制为偏振态不同的两个部分，但仍然为视场角相同的同一光束，光束通过宽场延迟模块经第二望远镜在二
次像面处成像，再通过第二准直镜成为平行光束，光束通过屋脊棱镜沿y轴分裂为两束光，然后两束光入射Wollaston棱镜，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，共形成四束传播方向不同的平行光束经过成像镜后在探测器上成像。
[0009]所述孔径分割偏振组合模块包括沿y轴方向排列的第一偏振片、第二偏振片和四分之一波片；所述第一偏振片的透振方向沿y轴方向，第二偏振片的透振方向沿x轴方向，四分之一波片光轴方向与x轴的正向夹角为45
°
，四分之一波片设置在xoy平面内且位于第二偏振片背光面位置处。
[0010]所述宽场延迟模块包括沿z轴方向依次排列的第一铌酸锂晶体、半波片和第二铌酸锂晶体；所述第一铌酸锂晶体光轴方向与x轴正向夹角为45
°
，其光轴在xoy平面内；所述半波片光轴方向沿y轴正方向；所述第二铌酸锂晶体光轴方向与x轴正向夹角为135
°
，其光轴在xoy平面内。
[0011]基于双折射晶体的大气重力波干涉成像方法，所述成像方法包括：
[0012]入射光经过穹顶的前置望远镜在视场光阑出成一次像，然后经过第一准直镜成为平行光束入射到位于孔径光阑位置处的孔径分割偏振组合模块，孔径分割偏振组合模块根据Jones矩阵表示法将光束调制为偏振态不同的两部分，但仍然为视场角相同的同一光束；
[0013]光束通过宽场延迟模块入射到第二望远镜在二次像面处成像，再经过第二准直镜成为平行光束；
[0014]光束通过位于第二准直镜后孔径光阑共轭像处的屋脊棱镜沿y轴分裂为两束光，两束光输入到Wollaston棱镜，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，形成四束传播方向不同的平行光束；
[0015]四束平行光束经过成像镜后在探测器上形成四幅强度分别为四束平行光束经过成像镜后在探测器上形成四幅强度分别为和的干涉图。
[0016]所述孔径分割偏振组合模块根据Jones矩阵表示法，第一偏振片的Jones矩阵表示为第二偏振片的Jones矩阵表示为四分之一波片的Jones矩阵表示为
[0017]所述宽场延迟模块根据Jones矩阵表示法，第一铌酸锂晶体和第二铌酸锂晶体的Jones矩阵表示为：
[0018][0019]其中，
[0020]其中，θ为光线的入射角，φ为从入射面沿逆时针方向到晶体光轴正方向的角度，δ
o
和δ
e
分别为晶体对寻常光和非寻常光引入的相位延迟。n
o
和n
e
分别为寻常光和非寻常光
的折射率。
[0021]半波片的Jones矩阵表示为
[0022]本专利技术具有以下优点：一种基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法，采用偏振组合孔径分割的方式，避免了入射宽场延迟模块光束的分裂，使上下部分的光束以同一角度入射，解决了现有技术中探测视场受限、部分视场区域干涉条纹欠采样的问题。极大地提高了系统的可用视场范围，减小了风速反演误差。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的结构示意图；
[0024]图2为本专利技术中孔径分割偏振组合模块的结构示意图；
[0025]图3为本专利技术中宽场延迟模块的结构示意图；
[0026]图4为本专利技术的模拟干涉成像结果示意图；
[0027]图中：1
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前置望远镜，2
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第一准直镜，3
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孔径分割偏振组合模块，4
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宽场延迟模块，5
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第二望远镜，6
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第二准直镜，7
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屋脊棱镜，8
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Wollaston棱镜，9
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成像镜，10
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探测器，21
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第一偏振片，22
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第二偏振片，23
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四分之一波片，31
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第一铌酸锂晶体，32
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，其特征在于：沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜(1)、第一准直镜(2)、孔径分割偏振组合结构(3)、宽场延迟模块(4)、第二望远镜(5)、第二准直镜(6)、屋脊棱镜(7)、Wollaston棱镜(8)、成像镜(9)和探测器(10)；所述屋脊棱镜(7)设置于第二准直镜(6)后的孔径光阑的共轭像位置；入射光经过前置望远镜(1)在视场光阑处成一次像，然后经过第一准直镜(2)成为平行光束，入射到孔径分割偏振组合模块(3)，经过孔径分割偏振组合模块(3)将光束调制为偏振态不同的两个部分，但仍然为视场角相同的同一光束，光束通过宽场延迟模块(4)经第二望远镜(5)在二次像面处成像，再通过第二准直镜(6)成为平行光束，光束通过屋脊棱镜(7)沿y轴分裂为两束光，然后两束光入射Wollaston棱镜(8)，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，共形成四束传播方向不同的平行光束经过成像镜(9)后在探测器(10)上成像。2.根据权利要求1所述的基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，其特征在于：所述孔径分割偏振组合模块(3)包括沿y轴方向排列的第一偏振片(21)、第二偏振片(22)和四分之一波片(23)；所述第一偏振片(21)的透振方向沿y轴方向，第二偏振片(22)的透振方向沿x轴方向，四分之一波片(23)光轴方向与x轴的正向夹角为45
°
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【专利技术属性】
技术研发人员：颜廷昱，张淳民，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：