星載掃描型大氣臨邊層析探測系統的制作方法
【專利摘要】星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，涉及空間光學領域，解決了現有星載大氣臨邊探測系統存在的臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調節、信噪比低的問題。入射光束由掃描鏡反射至孔徑光闌上，經孔徑光闌出射后再經望遠鏡成像、平面折轉鏡折疊成像至入射狹縫上，經入射狹縫出射后再經準直鏡準直成平行光束入射至非球面光柵上，經非球面光柵色散后再經球面成像鏡成像、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
【技術領域】
[0001]本發明涉及空間光學【技術領域】，具體涉及一種星載掃描型大氣臨邊層析探測系統。
【背景技術】
[0002]大氣層是地球氣候與環境的主要載體和活動舞臺，也是空間天氣和環境的重要組成部分。對它進行遙感探測從而發現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家共同的目標。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，同時可以監測整個中層大氣的狀態與擾動。對紫外大氣背景數據獲取、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系等具有十分重要的科學意義。
[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域發展的熱點和前沿。目前，國際上現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，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節。受CCD探測器自身動態范圍的限制，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有的星載大氣臨邊探測系統臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調節，信噪比低的問題。
【發明內容】
[0004]為了解決現有星載大氣臨邊探測系統存在的臨邊水平方向覆蓋范圍小、積分時間不能調節、信噪比低的問題，本發明提供一種星載掃描型大氣臨邊層析探測系統。
[0005]本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0006]星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，包括掃描鏡、孔徑光闌、望遠鏡、平面折轉鏡、入射狹縫、準直鏡、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，經孔徑光闌出射后再經望遠鏡成像、平面折轉鏡折疊成像至入射狹縫上，經入射狹縫出射后再經準直鏡準直成平行光束入射至非球面光柵上，經非球面光柵色散后再經球面成像鏡成像、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
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[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像差，直角棱鏡用于折轉光線，級次選擇濾光片用于消除系統雜散光。
[0016]所述焦平面探測器為二維面陣列探測器。
[0017]本發明的有益效果是:
[0018]1、掃描鏡轉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，當掃描鏡掃描到不同臨邊高度時，可以根據此時掃描到的不同臨邊高度的信號大小調節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、結構簡單、重量輕。該星載掃描型大氣臨邊層析探測系統特別適合空間大氣遙感應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統的結構示意圖。
[0022]圖2為平場-級次選擇組件的結構示意圖。
[0023]圖中，1、掃描鏡，2、孔徑光闌，3、望遠鏡，4、平面折轉鏡，5、入射狹縫，6、準直鏡，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]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0025]如圖1所示，本發明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，利用掃描鏡I對大氣臨邊逐層掃描來實現大氣臨邊層析探測，包括掃描鏡1、孔徑光闌2、望遠鏡3、平面折轉鏡4、入射狹縫5、準直鏡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與平面折轉鏡4的反射面相對排列，平面折轉鏡4的反射面與準直鏡6的反射面相對排列，準直鏡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出射后經望遠鏡3成像并經平面折轉鏡4折疊后成像到入射狹縫5上，從入射狹縫5出射后入射到準直鏡6上，經準直鏡6準直后變成平行準直光束入射到非球面光柵7上，經非球面光柵7色散后入射到球面成像鏡8上，經球面成像鏡8成像再經平場-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的離軸量優選為41.51mm。
[0030]本實施方式中，準直鏡6為離軸拋物面鏡，準直鏡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優選為3501.337mm。非球面光柵7的二次項系數Kg滿足:-2.5 ^ Kg^ 1，二次項系數Kg優選為-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，用于校正系統像差，直角棱鏡b用于折轉光線，級次選擇濾光片c用于消除系統雜散光。
[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的像元尺寸優選為26mmX26ym，像元數優選為1024 X 256，光譜分辨率優選為lnm。
[0037]本發明的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統的工作波段為280nm?800nm，預計工作在軌道高度為830km的衛星平臺上，瞬時視場角為0.75° X0.017°，對應大氣臨邊為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測得的臨邊不同層次的光譜輻亮度信號,結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,從而為天氣預報和大氣環境監測服務。
【權利要求】
1.星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，其特征在于，包括掃描鏡(I)、孔徑光闌(2)、望遠鏡(3)、平面折轉鏡(4)、入射狹縫(5)、準直鏡(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，經孔徑光闌(2)出射后再經望遠鏡(3)成像、平面折轉鏡(4)折疊成像至入射狹縫(5)上，經入射狹縫(5)出射后再經準直鏡(6)準直成平行光束入射至非球面光柵(7)上，經非球面光柵(7)色散后再經球面成像鏡(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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，其特征在于，所述望遠鏡(3)中心與平面折轉鏡(4)中心的間距d3滿足:0.8ft≤d3≤0.95ft，ft為望遠鏡(3)的焦距。
6.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，其特征在于，所述準直鏡(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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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Kg滿足:-2.5≤KgS 1，離軸量hg滿足:25mm≤hg<35mm，入射角ig滿足:20。≤ig≤30。。
8.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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)用于校正系統像差，直角棱鏡(b)用于折轉光線，級次選擇濾光片(C)用于消除系統雜散光。
10.根據權利要求1所述的星載掃描型大氣臨邊層析探測系統，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 優先權日:2014年5月15日
【發明者】薛慶生, 王淑榮 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
