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