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星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，涉及空間光學(xué)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有星載大氣臨邊探測系統(tǒng)存在的臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調(diào)節(jié)、信噪比低的問題。入射光束由掃描鏡反射至孔徑光闌上，經(jīng)孔徑光闌出射后再經(jīng)望遠鏡成像、平面折轉(zhuǎn)鏡折疊成像至入射狹縫上，經(jīng)入射狹縫出射后再經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束入射至非球面光柵上，經(jīng)非球面光柵色散后再經(jīng)球面成像鏡成像、平場-級次選擇組件聚焦成像至焦平面探測器上，掃描鏡轉(zhuǎn)軸方向與入射狹縫長度方向平行，入射狹縫長度方向與臨邊水平方向平行，入射狹縫寬度方向與臨邊高度方向平行，增大了臨邊水平方向覆蓋范圍，可以把臨邊水平方向覆蓋范圍增大到幾十公里量級，信噪比高、光譜分辨率高、重量輕。
【專利說明】星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣層是地球氣候與環(huán)境的主要載體和活動舞臺，也是空間天氣和環(huán)境的重要組成部分。對它進行遙感探測從而發(fā)現(xiàn)和理解其中的整體行為和相互作用，一直是地球和空間科學(xué)家共同的目標(biāo)。通過大氣探測，可以了解大氣層的臭氧、氣溶膠、大氣密度等的垂直分布及其變化，同時可以監(jiān)測整個中層大氣的狀態(tài)與擾動。對紫外大氣背景數(shù)據(jù)獲取、對大氣上下層相互作用的過程研究以及了解太陽活動、空間天氣與地球天氣氣候的定量關(guān)系等具有十分重要的科學(xué)意義。
[0003]星載大氣臨邊探測比天底探測具有更高的垂直分辨率，可以更好地探測出03、NO2等大氣成分的垂直分布信息，因此成為空間和大氣探測領(lǐng)域發(fā)展的熱點和前沿。目前，國際上現(xiàn)有的典型大氣臨邊探測儀器有美國的航天飛機臭氧臨邊散射試驗儀(SOLSE)和臭氧繪圖和廓線儀(OMPS)，二者的特點是狹縫長度方向沿臨邊高度方向，狹縫寬度方向沿臨邊水平方向，不對臨邊進行掃描，因此二者都是對大氣臨邊水平方向某一方位的一個窄條進行探測，臨邊水平方向的探測范圍小于1km，另外在可見-近紅外波段，不同臨邊高度的光譜輻亮度信號差別很大，在O?IOOkm臨邊高度范圍內(nèi)，光譜輻亮度的差別達到IO6量級，為使CCD探測器不飽和，積分時間由最大信號決定，積分時間的大小不能調(diào)節(jié)。受CCD探測器自身動態(tài)范圍的限制，二者的有效探測范圍僅為O?60km，臨邊高度60?IOOkm范圍內(nèi)的信號由于信噪比太低，無法有效探測。因此迫切需要解決現(xiàn)有的星載大氣臨邊探測系統(tǒng)臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調(diào)節(jié)，信噪比低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有星載大氣臨邊探測系統(tǒng)存在的臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調(diào)節(jié)、信噪比低的問題，本發(fā)明提供一種星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，包括掃描鏡、孔徑光闌、望遠鏡、平面折轉(zhuǎn)鏡、入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、非球面光柵、成像鏡、平場-級次選擇組件和焦平面探測器，所述掃描鏡的旋轉(zhuǎn)軸方向與入射狹縫的長度方向平行，入射狹縫的長度方向與臨邊水平方向平行，入射狹縫的寬度方向與臨邊高度方向平行，入射狹縫位于望遠鏡的焦面上；
[0007]入射光束由掃描鏡反射至孔徑光闌上，經(jīng)孔徑光闌出射后再經(jīng)望遠鏡成像、平面折轉(zhuǎn)鏡折疊成像至入射狹縫上，經(jīng)入射狹縫出射后再經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束入射至非球面光柵上，經(jīng)非球面光柵色散后再經(jīng)球面成像鏡成像、平場-級次選擇組件聚焦成像至焦平面探測器上。
[0008]所述掃描鏡為一維掃描鏡，其中心與孔徑光闌中心的間距Cl1滿足:30mm < Cl1 < 70mm。
[0009]所述孔徑光闌中心與望遠鏡中心的間距d2與望遠鏡的焦距ft之間滿足:1.0lft ≤ d2 ≤ 1.05ft。
[0010]所述望遠鏡為離軸拋物面鏡，其相對孔徑D/ft滿足:1/8 ( D/ft ( 1/5，ft為望遠鏡的焦距。
[0011]所述望遠鏡中心與平面折轉(zhuǎn)鏡中心的間距d3滿足:0.8ft ^ d3 ^ 0.95ft，ft為望遠鏡的焦距。
[0012]所述準(zhǔn)直鏡為離軸拋物面鏡，其焦距f。和離軸量均與望遠鏡的焦距ft和離軸量相
坐寸ο
[0013]所述非球面光柵的面形為奇次多型式，其曲率半徑rg滿足:rg ^ 2000mm，二次項系數(shù)Kg滿足:-2.5≤Kg≤I，離軸量hg滿足:25_≤hg≤35mm,入射角ig滿足:20。≤ ig ≤ 30°。
[0014]所述球面成像鏡為離軸球面反射鏡，其離軸量Iii滿足:30mm≤Iii≤40mm,曲率半徑 r8 滿足:170mm ^ r8 ^ 300m。
[0015]所述平場-級次選擇組件由平場球面透鏡、直角棱鏡和級次選擇濾光片組成，所述平場球面透鏡用于校正系統(tǒng)像差，直角棱鏡用于折轉(zhuǎn)光線，級次選擇濾光片用于消除系統(tǒng)雜散光。
[0016]所述焦平面探測器為二維面陣列探測器。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1、掃描鏡轉(zhuǎn)軸方向與入射狹縫長度方向平行，入射狹縫長度方向與臨邊水平方向平行，入射狹縫寬度方向與臨邊高度方向平行，增大了臨邊水平方向覆蓋范圍，可以把臨邊水平方向覆蓋范圍增大到幾十公里量級。
[0019]2、利用掃描鏡對不同臨邊高度方向進行掃描層析成像，當(dāng)掃描鏡掃描到不同臨邊高度時，可以根據(jù)此時掃描到的不同臨邊高度的信號大小調(diào)節(jié)焦平面探測器的積分時間，從而提聞彳目噪比。
[0020]3、望遠鏡和準(zhǔn)直鏡均為離軸拋物面鏡，采用非球面光柵作為色散元件，色散均勻，光譜分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。該星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)特別適合空間大氣遙感應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為平場-級次選擇組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中，1、掃描鏡，2、孔徑光闌，3、望遠鏡，4、平面折轉(zhuǎn)鏡，5、入射狹縫，6、準(zhǔn)直鏡，7、非球面光柵，8、球面成像鏡，9、平場-級次選擇組件，a、平場球面透鏡，b、直角棱鏡，C、級次選擇濾光片，10、焦平面探測器。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，利用掃描鏡I對大氣臨邊逐層掃描來實現(xiàn)大氣臨邊層析探測，包括掃描鏡1、孔徑光闌2、望遠鏡3、平面折轉(zhuǎn)鏡4、入射狹縫5、準(zhǔn)直鏡6、非球面光柵7、球面成像鏡8、平場-級次選擇組件9和焦平面探測器
10。掃描鏡I的旋轉(zhuǎn)軸方向與入射狹縫5的長度方向平行，入射狹縫5的長度方向與臨邊水平方向平行，入射狹縫5的寬度方向與臨邊高度方向平行，入射狹縫5位于望遠鏡3的焦面上，如圖1所示，平行于X軸方向的一維為光譜色散方向，平行于z軸方向的一維為狹縫像的長度方向。望遠鏡3與平面折轉(zhuǎn)鏡4的反射面相對排列，平面折轉(zhuǎn)鏡4的反射面與準(zhǔn)直鏡6的反射面相對排列，準(zhǔn)直鏡6的反射面與非球面光柵7的衍射面相對排列，非球面光柵7的衍射面與球面成像鏡8的反射面相對排列，球面成像鏡8的反射面與平場-級次選擇組件9的入射面相對排列，平場-級次選擇組件9的出射面與焦平面探測器10相對排列。
[0026]入射光束經(jīng)掃描鏡I反射后入射到孔徑光闌2上，從孔徑光闌2出射后經(jīng)望遠鏡3成像并經(jīng)平面折轉(zhuǎn)鏡4折疊后成像到入射狹縫5上，從入射狹縫5出射后入射到準(zhǔn)直鏡6上，經(jīng)準(zhǔn)直鏡6準(zhǔn)直后變成平行準(zhǔn)直光束入射到非球面光柵7上，經(jīng)非球面光柵7色散后入射到球面成像鏡8上，經(jīng)球面成像鏡8成像再經(jīng)平場-級次選擇組件9聚焦成像到焦平面探測器10上。
[0027]本實施方式中，掃描鏡I為一維掃描鏡，其旋轉(zhuǎn)軸平行于y軸。掃描鏡I沿臨邊高度方向進行掃描，掃描臨邊高度范圍為O~100km，掃描角度范圍為1.8°，臨邊高度方向和臨邊水平方向的空間分辨率均為1km，大氣臨邊散射光輻射。掃描鏡I中心與孔徑光闌2中心的間距Cl1滿足:30mm < Cl1 < TOmm。
[0028]本實施方式中，孔徑光闌2的口徑優(yōu)選為43mmX 43mm,孔徑光闌2中心與望遠鏡3中心的間距d2與望遠鏡 3的焦距ft之間滿足:1.0lft ^ d2 ^ 1.05ft。
[0029]本實施方式中，望遠鏡3為離軸拋物面鏡，望遠鏡3的焦距ft優(yōu)選為301.244mm。望遠鏡3的相對孔徑D/ft滿足:1/8 ( D/ft ( 1/5。望遠鏡3的離軸量優(yōu)選為41.51mm。
[0030]本實施方式中，準(zhǔn)直鏡6為離軸拋物面鏡，準(zhǔn)直鏡6的焦距f。和離軸量均與望遠鏡3的焦距ft和離軸量相等。
[0031]本實施方式中，望遠鏡3中心與平面折轉(zhuǎn)鏡4中心的間距d3滿足:0.8ft ^ d3 ^ 0.95ft, ft為望遠鏡3的焦距。
[0032]本實施方式中，入射狹縫5尺寸優(yōu)選為3.94mm X 0.09mm。
[0033]本實施方式中，非球面光柵7米用微晶材料制成,其面形為奇次多型式。非球面光柵7的曲率半徑rg ^ 2000mm,曲率半徑rg優(yōu)選為3501.337mm。非球面光柵7的二次項系數(shù)Kg滿足:-2.5 ^ Kg^ 1，二次項系數(shù)Kg優(yōu)選為-1。非球面光柵7離軸使用，離軸方向為y方向，離軸量hg滿足:25mm≤hg≤35mm,離軸量hg優(yōu)選為33.12mm。非球面光柵7的色散方向為X方向，入射角ig滿足:20° Sig <30°，入射角18優(yōu)選為25°。
[0034]本實施方式中，球面成像鏡8為離軸球面反射鏡，球面成像鏡8的離軸量Iii滿足JOmmShi≤40mm，離軸量Iii優(yōu)選為36.26mm。球面成像鏡8的曲率半徑r8滿足:170mm ^ r8 ^ 300m,曲率半徑 r8 優(yōu)選為 219.27mm。
[0035]本實施方式中，平場-級次選擇組件9由一塊平場球面透鏡a、一塊直角棱鏡b和一片級次選擇濾光片c組成，平場球面透鏡a為雙凸透鏡，用于校正系統(tǒng)像差，直角棱鏡b用于折轉(zhuǎn)光線，級次選擇濾光片c用于消除系統(tǒng)雜散光。
[0036]本實施方式中，焦平面探測器10為二維面陣列探測器，平行于X軸方向的一維為光譜維，平行于Z軸方向的一維為空間維。焦平面探測器10的像元尺寸優(yōu)選為26mmX26ym，像元數(shù)優(yōu)選為1024 X 256，光譜分辨率優(yōu)選為lnm。
[0037]本發(fā)明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)的工作波段為280nm?800nm，預(yù)計工作在軌道高度為830km的衛(wèi)星平臺上，瞬時視場角為0.75° X0.017°，對應(yīng)大氣臨邊為43km(臨邊水平方向)Xlkm(臨邊高度方向)，掃描鏡在臨邊高度方向掃描，臨邊高度方向可覆蓋O?100km。利用掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)測得的臨邊不同層次的光譜輻亮度信號,結(jié)合大氣臨邊反演算法,可以反演出03、NO2等大氣痕量氣體的垂直分布信息,從而為天氣預(yù)報和大氣環(huán)境監(jiān)測服務(wù)。
【權(quán)利要求】
1.星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，包括掃描鏡(I)、孔徑光闌(2)、望遠鏡(3)、平面折轉(zhuǎn)鏡(4)、入射狹縫(5)、準(zhǔn)直鏡(6)、非球面光柵(7)、成像鏡(8)、平場-級次選擇組件(9)和焦平面探測器(10)，所述掃描鏡(I)的旋轉(zhuǎn)軸方向與入射狹縫(5)的長度方向平行，入射狹縫(5)的長度方向與臨邊水平方向平行，入射狹縫(5)的寬度方向與臨邊高度方向平行，入射狹縫(5)位于望遠鏡(3)的焦面上； 入射光束由掃描鏡(I)反射至孔徑光闌(2)上，經(jīng)孔徑光闌(2)出射后再經(jīng)望遠鏡(3)成像、平面折轉(zhuǎn)鏡(4)折疊成像至入射狹縫(5)上，經(jīng)入射狹縫(5)出射后再經(jīng)準(zhǔn)直鏡(6)準(zhǔn)直成平行光束入射至非球面光柵(7)上，經(jīng)非球面光柵(7)色散后再經(jīng)球面成像鏡(8)成像、平場-級次選擇組件(9)聚焦成像至焦平面探測器(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描鏡⑴為一維掃描鏡，其中心與孔徑光闌⑵中心的間距Cl1滿足:30mm≤I1≤70mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述孔徑光闌⑵中心與望遠鏡(3)中心的間距(12與望遠鏡(3)的焦距ft之間滿足:1.0lft ≤ d2 ≤ 1.05ft。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述望遠鏡(3)為離軸拋物面鏡 ，其相對孔徑D/ft滿足:1/8 ( D/ft ( 1/5, ft為望遠鏡(3)的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述望遠鏡(3)中心與平面折轉(zhuǎn)鏡(4)中心的間距d3滿足:0.8ft≤d3≤0.95ft，ft為望遠鏡(3)的焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直鏡(6)為離軸拋物面鏡，其焦距f。和離軸量均與望遠鏡(3)的焦距&和離軸量相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述非球面光柵(7)的面形為奇次多型式，其曲率半徑rg滿足:rg > 2000mm，二次項系數(shù)Kg滿足:-2.5≤KgS 1，離軸量hg滿足:25mm≤hg<35mm，入射角ig滿足:20?！躨g≤30。。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述球面成像鏡⑶為離軸球面反射鏡，其離軸量h滿足:30mm≤Iii ≤ 40mm,曲率半徑1*8滿足:170mm < r8 < 300m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述平場-級次選擇組件(9)由平場球面透鏡(a)、直角棱鏡(b)和級次選擇濾光片(C)組成，所述平場球面透鏡(a)用于校正系統(tǒng)像差，直角棱鏡(b)用于折轉(zhuǎn)光線，級次選擇濾光片(C)用于消除系統(tǒng)雜散光。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統(tǒng)，其特征在于，所述焦平面探測器(10)為二維面陣列探測器。
【文檔編號】G01V8/10GK103984038SQ201410205768
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】薛慶生, 王淑榮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所