CN101520342B - 超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪，由一对背靠背角镜、一对平面反射镜、一对斜置反射镜、一片分束器和一片补偿器组成红外光路；由直线电机和线性轴承组成角镜驱动系统；角镜在电机的驱动下进行直线往复运动，产生光程差。参考光光路与红外光路共光路，参考光光路位于中央部分，红外光路位于周围部分。参考光源采用稳频激光器。前置光学为平进平出的反射式望远镜，后置光学将红外干涉光信号聚焦到红外探测器上。探测器将干涉光信号转换为电信号，经放大器放大后由AD转换为数字信号，并由数据采集系统按动镜位置信号记录干涉信号，即干涉图。干涉图经傅里叶变换后得到红外光谱信号。

Description

超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪

技术领域

本发明涉及空间光电仪器技术，具体指一种超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪，它应用于卫星遥感大气成份探测。

背景技术

对于卫星遥感大气成份探测，很多场合需要探测化学成份的红外精细光谱。例如O₃，H₂O，CH₄，N₂O，and HNO₃等。目前国际上在这一领域的仪器有三台。一台是德国的Michaelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding(MIPAS)(http://www.leos.le.ac.uk/mipas/)，另一台是加拿大的AtmosphericChemistry Experiment-Fourier Transform Spectrometer(ACE)(http://www.ace.uwaterloo.ca/)，还有一台是美国的Tropospheric EmissionSpectrometer(TES)。超高光谱分辩率红外光谱仪的核心系统是大光程差干涉系统。产生大光程差的光学系统主要就是高倍程干涉光学结构。本仪器设计的高倍程干涉光学结构与上述三个仪器不尽相同，因而具有不同的特点。MIPAS设计的倍程干涉结构见附图3。它的动镜是两个并排放置的角镜，两个角镜的运动方向相反，轨迹不在一条直线上。在一定时间内，一个动镜运动距离z，另一个动镜在相反方向也运动了z，角镜是反射式的，所以当动镜运动z时，两干涉光束的光程差为4z。说明它是一个四倍程干涉结构。TES设计的倍程干涉结构见附图4。它的动镜是两个背靠背放置的角镜，两个角镜的运动方向一致，运动轨迹在同一条直线上。在一定时间内，一个动镜运动距离z，另一个动镜在相同方向也运动了z，所以当动镜运动z时，两束干涉光的光程差为4z。说明它也是一个四倍程干涉结构。ACE设计的倍程干涉结构见附图5。它的动镜是置于摇臂架上的一对角镜，摇臂架围绕一点摆动，角镜作圆弧往复运动。在一定时间内，一个动镜运动距离z，另一个动镜在相同方向也运动了z。由于光线两次经过角镜，所以当动镜运动z时，两束干涉光的光程差为8z。说明它是一个八倍程干涉结构。

因为ACE结构具有较大的角镜摆动转架，因此运动质量较大(见附图6)；ACE动镜的运动为圆弧运动，对光程差速率的匀速控制不利；在ACE中，动镜运动还会引起从角镜射向反射镜的光线产生横向剪切运动，对干涉没有好处。另外，如要进一步增大光程差提高光谱分辩率，或是加长摇臂长度，或是增加摇动角度，前者将造成运动件尺寸和质量的增加，后者将要求增大角镜尺寸和运动的非线性。

发明内容

本发明的目的是提供一种平动式的八倍程干涉结构，解决摆动式八倍程干涉结构存在的技术不足。

本发明的技术方案如下：

干涉仪方案如附图1所示：干涉仪的红外光路和参考光路共光路，参考光路位于中央部分，红外光路位于周围部分，干涉仪两臂以分束器为对称布置，分束器6、补偿器7的法线与入射光束成30°夹角，第一折反镜(4)和第二折反镜(5)的法线与入射光成15°夹角，动镜1的两个反射角镜以背靠背方式联结在一起，光线垂直入射第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(3)，动镜的运动方向与入射光线方向一致，望远镜次镜17上有一小孔，参考光路的激光束穿过此小孔、滤光片9和平面反射镜15的中心孔。

两个反射角镜背靠背构成的动镜1安装在运动架上(见附图2)，运动架由4个线性轴承支撑于导轨上。导轨为两根平行布置的光滑圆杆，每根导轨上布置两个轴承，动镜布置在两轴承之间，导轨布置在动镜两旁，导轨方向就是动镜的运动方向，直线电机布置在两导轨的外侧，直线电机的动子与运动架联结，直线电机的定子与基板相连。

在本发明中光线从分束器6和补偿器7分成两束，经过第一折反镜(4)和第二折反镜(5)达到背靠背放置的两个反射角镜构成的动镜1，经角镜发射后光线射向第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(3)，反射镜的放置让光线垂直反射，这样光线又反射回角镜，再次通过角镜，由于光线在干涉仪中两次通过角镜，因而本干涉仪光学结构是一个八倍程干涉结构。

本发明的优点在于：

本发明设计采用角镜背靠背结构，运动质量比ACE的运动质量小，因为ACE结构具有较大的角镜摆动转架，见附图6；本发明设计的动镜运动方式为直线运动，采用直线电机(见图2)，这对光程差速率的匀速控制有利，而ACE动镜的运动为圆弧运动，对光程差速率的匀速控制不利；在本发明设计中，动镜运动时不引起反射光线横向剪切运动，而在ACE中，动镜运动会引起从角镜射向反射镜的光线产生横向剪切运动，对干涉没有好处。在本发明结构中，若要进一步增大光程差提高光谱分辩率，只要增大动镜的运动距离，不必增大角镜的尺寸。而在ACE中，如要进一步增大光程差提高光谱分辩率，或是加长摇臂长度，或是增加摇动角度，前者将造成运动件尺寸和质量的增加，后者将要求增大角镜尺寸和运动的非线性。

本发明中，动镜机构采用两根圆杆导轨和四个线性轴承来支撑，采用音圈电机作为动镜驱动，这种结构与ACE比较，动镜运动的直线性好，运动件惯性质量小，与TES和MIPAS比运动质量小。

附图说明

图1：超高光谱分辨率红外光谱探测仪技术方案；

图中：

1-动镜(由背靠背的两个角镜组合而成)；

2-第一平面反射镜；

3-第二平面反射镜；

4-第一折反镜；

5-第二折反镜；

6-分束器；

7-补偿器；

8-稳频激光器；

9-滤光片；

10-汇聚反射镜；

11-第一波段探测器组件；

12-分色片；

13-第二波段探测器组件；

14-激光反射镜；

15-红外反射镜；

16-参考信号探测器；

17-望远镜次镜；

18-视场光栏；

19-望远镜主镜；

20-扫描镜。

图2：动镜驱动技术方案图；

图中：

1-动镜(由背靠背的两个角镜组合而成)；

21-线性轴承；

22-导轨；

23-直线电机。

图3：MIPAS倍程干涉结构技术方案。

图4：TES倍程干涉结构技术方案图。

图5：ACE倍程干涉结构技术方案。

图6：ACE角镜摆动转架照片。

图7：超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪样机。

具体实施方式

本发明的结构实例见图7。主要参数为：仪器波段范围2.5-13μm，光谱分辩率0.02cm^-1，频率稳定度0.1ppm。角镜通光口径62.5mm，动镜运动距离72mm，分束器口径50mm，干涉仪通光口径30mm(没有全部利用)，视场6.25mrad，望远镜孔径100mm，望远镜视场1.25mrad。

Claims (2)

1.一种超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪，它由红外光路和参考光路组成，其中红外光路由动镜(1)、第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)、第一折反镜(4)、第二折反镜(5)、一片分束器(6)和一片补偿器(7)组成；参考光路由稳频激光器(8)、平面反射镜(14)、分束器(6)、补偿器(7)、第一折反镜(4)、第二折反镜(5)、第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)以及动镜(1)组成；其特征在于：

所述的动镜(1)、第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(3)组成一个平动式八倍程干涉结构；红外光线和参考光线都从分束器处进入，并分成两束，其后经第一折反镜(4)和第二折反镜(5)达到背靠背放置的两个反射角镜构成的动镜(1)，经角镜反射后光线射向第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(3)，反射镜的放置让光线垂直反射，然后都原路返回；其中，干涉仪的两个光路，即上述所提的红外光路和参考光路，它们在一段路径上是共光路的，即光束的中央部分为参考光，外围部分为红外光，动镜(1)、第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)、第一折反镜(4)、第二折反镜(5)、分束器(6)和补偿器(7)为这两个光路公用器件。

2.根据权利要求1所述的一种超高光谱分辨率红外傅里叶光谱探测仪，其特征在于：所述的动镜(1)是由两个以背靠背方式联结在一起反射角镜构成，整个动镜(1)安装在由直线电机(23)驱动的运动架上沿由4个线性轴承(21)支撑的导轨(22)作直线往复运动。

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