CN101788691A - 原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪，用于空间大气气辉探测。该成像仪由接收望远镜(4)、滤光片(5)、分光组件(6)、中心带原子鉴频组件(31)、左、右边带原子鉴频组件(11、21)，三个成像透镜(12、22、32)和三个成像CCD(13、23、33)组成。该成像仪将接收到的气辉光分配到中心带原子鉴频通道(3)和左、右边带原子鉴频通道(1、2)，分别获得气辉光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，可同时得到气辉的强度和发出气辉处大气的温度和风场分布。优点是探测功能多，波长稳定无漂移，鉴频精度高，探测误差小，工作稳定可靠。
Description
技术领域：
本发明涉及空间大气探测技术，可用于空间大气气辉探测。
背景技术：
在地球上空50～500千米之间高空大气的气辉是由太阳短波紫外光辐射激发大气中的分子原子所致，气辉的特性与太阳活动、地磁活动强度以及高层大气、电离层的状态密切相关。气辉的辐射特性是中间层、低热层和电离层物理化学过程信息的重要来源。气辉探测已成为分析太阳活动-磁层-电离层-热层-中高层大气能量传输和转换、监测地球高层大气和电离层参量的重要手段，对航天活动和空间环境预报有重要意义。
气辉在可见和近红外谱段，以原子氧558nm、钠589nm、OH720-895nm和氧气860nm为最强。由于气辉发光强度很弱，日光、月光对气辉的探测产生很大的干扰，甚至星光也会对气辉的探测产生影响，因此，需要很好的背景光抑制手段和高灵敏度探测手段才可以探测到。
目前采用的滤光措施为窄带干涉滤光片和法布里-波罗干涉仪(FPI)来抑制背景光的干扰。
Center for Atmospheric and Space Sciences，Utah StateUniversity研制了一种高空大气气辉成像仪，该成像仪主要由接收光学组件、滤光片、成像光学组件和光电探测CCD组成。选用了纳米级带宽的滤光片抑制背景光的干扰，因此，其探测还是受到大量背景光的干扰，使得信噪比难以提高；且该成像仪只能探测气辉的信号强度，不能探测发出气辉处大气的温度和风场。
文献A airglow observation by Fabry-Perot interferometer(Wuhan University Journal of Natural Sciences，1998，3(2)：175-180)提出一种采用Fabry-Perot interferometer(简称FPI)探测气辉温度的方法，该方法采用皮米级带宽的FPI抑制背景光，提高了探测信噪比，通过对接收信号的分析还可以获得发出气辉处大气的温度。但FPI易受温度、振动、视场等因素的影响，对工作环境要求高，并且FPI的透射率低，影响了探测灵敏度。
发明内容：
本发明的目的是：提供一种原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪。该成像仪接收到的气辉光分配到中心带原子鉴频通道和左、右边带原子鉴频通道，分别获得气辉光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，可同时得到气辉的强度和发出气辉处大气的温度和风场分布。优点是探测功能多，信噪比高，波长稳定无漂移，鉴频精度高，探测误差小，工作稳定可靠。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
1、结构
原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪由接收望远镜、滤光片、分光组件、中心带原子鉴频组件、左右边带原子鉴频组件、三个成像透镜和三个成像CCD组成；
接收望远镜、滤光片与分光组件的第四偏振棱镜依次同轴排列，分光组件由第四偏振棱镜、分光片和反射镜组成，在第四偏振棱镜的透射光方向依次排列分光片反射镜，分光片和反射镜均与第四偏振棱镜的透射光方向呈45度角，
左边带原子鉴频组件、第一成像透镜和第一CCD依次同轴排列，第一CCD位于第一成像透镜的像平面，构成左边带鉴频通道，左边带鉴频通道沿第四偏振棱镜的折射光方向放置，左边带原子鉴频组件的一端朝向第四偏振棱镜；
右边带原子鉴频组件、第二成像透镜和第二CCD依次同轴排列，第二CCD位于第二成像透镜的像平面，构成右边带鉴频通道，右边带鉴频通道沿分光片的反射光方向放置，右边带原子鉴频组件的一端朝向分光片；
中心带原子鉴频组件、第三成像透镜和第三CCD依次同轴排列，第三CCD位于第三成像透镜的像平面，构成中心带鉴频通道；中心带鉴频通道沿反射镜的反射光方向放置，中心带原子鉴频组件的一端朝向反射镜；
左边带原子鉴频组件的结构为：第一磁体、第一原子泡、第二磁体、第一偏振棱镜、第一1/4波片、第三磁体、第二原子泡、第四磁体依次同轴排列；第一偏振棱镜的偏振方向与第四偏振棱镜折射光的偏振方向垂直；第一原子泡内装钠原子，置于圆筒型第一恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第一磁体、第二磁体呈圆环型，置于第一恒温筒的两端，在第一原子泡处产生200Gs的磁场，第一磁屏蔽筒包裹在第一磁体、第二磁体和第一恒温筒的外面；第二原子泡内装钠原子，置于圆筒型第二恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第三磁体、第四磁体呈圆环型，置于第二恒温筒的两端，在第二原子泡处产生200Gs的磁场，第二磁屏蔽筒包裹在第三磁体、第四磁体和第二恒温筒的外面，第一波片的晶轴方向与第一偏振棱镜的偏振方向呈正45度角。
右边带原子鉴频组件的结构与左边带原子鉴频组件的区别仅在于第二偏振棱镜的偏振方向与分光片反射光的偏振方向垂直，第二1/4波片的晶轴方向与第二偏振棱镜的偏振方向呈负45度角。
中心带原子鉴频组件的结构为：第九磁体、第五原子泡、第十磁体、第三偏振棱镜依次同轴排列；第三偏振棱镜的偏振方向与反射镜反射光的偏振方向垂直；第五原子泡内装钠原子，置于圆筒型第五恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第九磁体、第十磁体呈圆环型，置于第五恒温筒的两端，在第五原子泡处产生2200Gs的磁场，第五磁屏蔽筒包裹在第九磁体、第十磁体和第五恒温筒的外面。
2、原理
高空大气的Na气辉是由Na原子发出的，Na气辉的光谱频率由原子跃迁能级决定，同时又受到大气温度与风场的影响，温度影响光谱的宽窄，风场使光谱平移。
本气辉风温成像仪的三个鉴频组件也采用Na原子的光谱特性，各鉴频组件的透射光谱也有Na原子的跃迁能级决定，其透射带的峰值频率与没有风场影响的Na原子的气辉光谱的峰值频率具有稳定的频率位置关系，因此可更为精确的检测到气辉光谱的展宽和平移量，使探测发出气辉处大气的温度和风场的精度更高，探测稳定性更好。
原子处于磁场中会发生塞曼能级分裂，如果与原子能级波长共振的偏振光进入原子体系会发生法拉第旋光，利用这一原子物理机制，在原子体系两端放置正交的偏振棱镜，并给原子体系加上磁场，气辉光的偏振方向在原子体系中旋转90度的奇数倍，可顺利通过正交的偏振棱镜，其它波长的光因不发生法拉第旋光而被正交的偏振棱镜抑制，达到超窄带原子滤光和鉴频目的。中心带原子鉴频组件的透射谱型呈两翼和中心透射的三峰形态，其中心透射峰覆盖气辉光的整个光谱，所透过信号强度反映气辉光谱的整体强度。
处于磁场中的原子体系，吸收红移的右旋光和蓝移的左旋光，而不吸收红移的左旋光和蓝移的右旋光，利用这一原子物理机制，让偏振的光信号经1/4波片发生左旋或右旋后，再进入加有磁场的原子体系，便将发生红移的右旋光和发生蓝移的左旋光产生吸收掉，而发生红移的左旋光和发生蓝移的右旋光可以顺利通过原子体系，这样可以实现对信号光谱左、右边带的选择。左、右边带原子鉴频组件的透射光谱都呈单翼形态，左边带原子鉴频组件透射峰位于气辉光谱的左边缘，所透过信号强度反映气辉光左边缘光谱的强度；右边带原子鉴频组件的透射峰位于气辉光谱的右边缘，所透过信号强度反映气辉光右边缘光谱的强度。
根据三个鉴频成像通道获得的气辉光谱左边缘、右边缘和全谱的信号，可以计算得到发出气辉处大气的温度和风场。
本发明的优点在于：本发明的成像仪采用了超窄带宽的原子滤光和鉴频，透射光谱带宽窄，可有效抑制带外背景光的干扰，提高接收信号的信噪比；本发明的成像仪采用三通道鉴频，分别获得气辉光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，由此可同时探测气辉的强度和发出气辉处大气的温度和风场分布；本发明的原子鉴频曲线建立在原子跃迁能级基础上，波长稳定无漂移，鉴频精度高，探测误差小，工作稳定可靠。
附图说明：
图1原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪结构示意图。
其中：1左边带鉴频通道，2右边带鉴频通道，3中心带鉴频通道，4接收望远镜，5滤光片，6分光组件；11左边带原子鉴频组件，12第一成像透镜，13第一CCD，21右边带原子鉴频组件，22第二成像透镜，23第二CCD，31中心带原子鉴频组件，32第三成像透镜，33第三CCD；
101第一磁屏蔽筒，102第一磁体，103第一恒温筒，104第一原子泡，105第二磁体，106第一偏振棱镜，107第一1/4波片，108第二磁屏蔽筒，109第三磁体，110第二恒温筒，111第二原子泡，112第四磁体；206第二偏振棱镜，207第二1/4波片；301第五磁屏蔽筒302第九磁体，303第五恒温筒，304第五原子泡、305第十磁体，306第三偏振棱镜；61第四偏振棱镜，62分光片，63反射镜。
图2中心带鉴频曲线与钠气辉光谱的关系。
其中：4101钠气辉光谱，3101中心带鉴频曲线
图3原子鉴频的钠气辉大气温度探测原理图。
其中：1101左边带鉴频曲线，4101钠气辉光谱，2101右边带鉴频曲线。
图4原子鉴频的钠气辉大气风场探测原理图。
其中：1101左边带鉴频曲线，4101钠气辉光谱，2101右边带鉴频曲线。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明作进一步的说明。
1、结构
由图1可知，原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪由接收望远镜4、滤光片5、分光组件6、中心带原子鉴频组件31、左、右边带原子鉴频组件11和21、三个成像透镜12、22和32、三个成像CCD13、23和33组成。
接收望远镜4、滤光片5与分光组件6的第四偏振棱镜61依次同轴排列，分光组件6由第四偏振棱镜61、分光片62和反射镜63组成，在第四偏振棱镜61的透射光方向依次排列分光片62和反射镜63，分光片62和反射镜63均与第四偏振棱镜61的透射光方向呈45度角；
沿第四偏振棱镜61的折射光方向，依次同轴排列的左边带原子鉴频组件11、第一成像透镜12和第一CCD 13，构成左边带鉴频通道1，第一CCD13位于第一成像透镜12的像平面；
沿分光片62的反射光方向，依次同轴排列的右边带原子鉴频组件21、第二成像透镜22和第二CCD 23，构成右边带鉴频通道2，第二CCD23位于第二成像透镜22的像平面；
沿反射镜63的反射光方向，依次同轴排列的中心带原子鉴频组件31、第三成像透镜32和第三CCD 33，构成中心带鉴频通道3，第三CCD33位于第三成像透镜32的像平面；
左边带原子鉴频组件11的结构为：第一磁体102、第一原子泡104、第二磁体105、第一偏振棱镜106、第一1/4波片107、第三磁体109、第二原子泡111和第四磁体112依次同轴排列；第一偏振棱镜106的偏振方向与第四偏振棱镜61折射光的偏振方向垂直；第一原子泡104内装钠原子，置于圆筒型第一恒温筒103的中间，恒温温度为摄氏170度，第一磁体102、第二磁体105呈圆环型，置于第一恒温筒103的两端，在第一原子泡104处产生200Gs的磁场，第一磁屏蔽筒101包裹在第一磁体102、第二磁体105和第一恒温筒103的外面；第二原子泡111内装钠原子，置于圆筒型第二恒温筒110的中间，恒温温度为摄氏170度，第三磁体109、第四磁体112呈圆环型，置于第二恒温筒110的两端，在第二原子泡111处产生200Gs的磁场，第二磁屏蔽筒108包裹在第三磁体109、第四磁体112和第二恒温筒110的外面，第一波片107的晶轴方向与第一偏振棱镜106的偏振方向呈正45度角；左边带原子鉴频组件11的透射光谱形成图3所示的左边带鉴频曲线1101，其透射带位于Na气辉光谱的左边缘。
右边带原子鉴频组件21的结构与左边带原子鉴频组件11的区别仅在于第二偏振棱镜206的偏振方向与分光片62反射光的偏振方向垂直，第二1/4波片207的晶轴方向与第二偏振棱镜206的偏振方向呈负45度角。右边带原子鉴频组件21的透射光谱形成图3所示的右边带鉴频曲线2101，其透射带位于Na气辉光谱的右边缘。
中心带原子鉴频组件31的结构为：第九磁体302、第五原子泡304、第十磁体305、第三偏振棱镜306依次同轴排列；第三偏振棱镜306的偏振方向与反射镜63反射光的偏振方向垂直；第五原子泡304内装钠原子，置于圆筒型第五恒温筒303的中间，恒温温度为摄氏170度，第九磁体302、第十磁体305呈圆环型，置于第五恒温筒303的两端，在第五原子泡304处产生2200Gs的磁场，第五磁屏蔽筒301包裹在第九磁体302、第十磁体305和第五恒温筒303的外面。中心带原子鉴频组件31的透射光谱形成图2所示的中心带鉴频曲线3101，其透射带覆盖整个Na气辉光谱。
上述接收望远镜4还可以采用鱼眼镜头，可以增大探测视场，由此增大探测的空间区域。
上述的各原子泡内可均装K原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏150度，左边带原子鉴频通道1和右边带原子鉴频通道2中的磁体在原子泡处产生150Gs的磁场，中心带原子鉴频通道3中的磁体在原子泡处产生1500Gs的磁场，实现对K气辉强度和发出气辉处大气的温度和风场探测。
上述的各原子泡内可均装Li原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏300度，左边带原子鉴频通道1和右边带原子鉴频通道2中的磁体在原子泡处产生350Gs的磁场，中心带原子鉴频通道3中的磁体在原子泡处产生3500Gs的磁场，实现对Li气辉强度和发出气辉处大气的温度和风场探测。
2、原理
接收望远镜4接收到从高空发出的气辉光，先经滤光片5初步滤除干扰光后，再由分光组件6将气辉光分配到各个通道，分光组件6的第四偏振棱镜61将气辉光分为偏振方向相互垂直的两束光，其中折射光进入左边带鉴频成像通道1，透射光照射到分光片62，分光片62将气辉光再分为两束，其中反射光进入右边带鉴频成像通道2，透射光经反光镜63进入中心带鉴频成像通道3。
左边带鉴频成像通道1的接收光谱带宽为图3所示的左边带鉴频曲线1101，所获图像的强度分布表示Na气辉左边缘光谱的强度分布；右边带鉴频成像通道2的接收光谱带宽为图3所示的右边带鉴频曲线2101，所获图像的强度分布表示Na气辉右边缘光谱的强度分布；中心带鉴频成像通道3的接收光谱带宽为图2所示的中心带鉴频曲线3101，所获图像的强度分布表示Na气辉总光谱的强度分布。
如图3所示，当高空某一点Na原子的温度由T1升高到T2时，其发出气辉光谱的幅度减小、宽度增宽、总光能量不变，这时，从该点发出的气辉光进入中心带鉴频成像通道3的强度不变，对该点成像的强度I3不变；但从该点发出的气辉光进入左边带鉴频成像通道1和右边带鉴频成像通道2的强度都会增大，这两个通道对该点成像的强度I1和I2也都会增大；I1和I2之和与I3的比值表示该点的温度。
如图4所示，当高空某一点Na原子的群体速度由υ1升高到υ2时，其发出气辉光谱的幅度不变、光谱向右平移、总光能量不变，这时，从该点发出的气辉光进入中心带鉴频成像通道3的强度不变，对该点成像的强度I3不变；但从该点发出的气辉光进入左边带鉴频成像通道1的强度减小，对该点成像的强度I1减小；同时，从该点发出的气辉光进入右边带鉴频成像通道2的强度增大，对该点成像的强度I2会增大；通过计算I1和I2之差与I3比值，绝对值的大小表示该点风速的大小，正负号表示该点风场的方向。
Claims (4)
1.原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪包含接收望远镜(4)、滤光片(5)，其特征在于，该成像仪还包含分光组件(6)、中心带原子鉴频组件(31)、左、右边带原子鉴频组件(11、21)，三个成像透镜(12、22、32)和三个成像CCD(13、23、33)；
接收望远镜(4)、滤光片(5)与分光组件(6)的第四偏振棱镜(61)依次同轴排列，分光组件(6)由第四偏振棱镜(61)、分光片(62)和反射镜(63)组成，在第四偏振棱镜(61)的透射光方向依次排列分光片(62)和反射镜(63)，分光片(62)和反射镜(63)均与第四偏振棱镜(61)的透射光方向呈45度角。
沿第四偏振棱镜(61)的折射光方向，依次同轴排列的左边带原子鉴频组件(11)、第一成像透镜(12)和第一CCD(13)，构成左边带鉴频通道(1)，第一CCD(13)位于第一成像透镜(12)的像平面；
沿分光片(62)的反射光方向，依次同轴排列的右边带原子鉴频组件(21)、第二成像透镜(22)和第二CCD(23)，构成右边带鉴频通道(2)，第二CCD(23)位于第二成像透镜(22)的像平面；
沿反射镜(63)的反射光方向，依次同轴排列的中心带原子鉴频组件(31)、第三成像透镜(32)和第三CCD(33)，构成中心带鉴频通道(3)，第三CCD(33)位于第三成像透镜(32)的像平面；
左边带原子鉴频组件(11)的结构为：第一磁体(102)、第一原子泡(104)、第二磁体(105)、第一偏振棱镜(106)、第一1/4波片(107)、第三磁体(109)、第二原子泡(111)、第四磁体(112)依次同轴排列；第一偏振棱镜(106)的偏振方向与第四偏振棱镜(61)折射光的偏振方向垂直；第一原子泡(104)内装钠原子，置于圆筒型第一恒温筒(103)的中间，恒温温度为摄氏170度，第一磁体(102)、第二磁体(105)呈圆环型，置于第一恒温筒(103)的两端，在第一原子泡(104)处产生200Gs的磁场，第一磁屏蔽筒(101)包裹在第一磁体(102)、第二磁体(105)和第一恒温筒(103)的外面；第二原子泡(111)内装钠原子，置于圆筒型第二恒温筒(110)的中间，恒温温度为摄氏170度，第三磁体(109)、第四磁体(112)呈圆环型，置于第二恒温筒(110)的两端，在第二原子泡(111)处产生2006s的磁场，第二磁屏蔽筒(108)包裹在第三磁体(109)、第四磁体(112)和第二恒温筒(110)的外面，第一波片(107)的晶轴方向与第一偏振棱镜(106)的偏振方向呈正45度角；
右边带原子鉴频组件(21)的结构与左边带原子鉴频组件(11)的区别仅在于，第二偏振棱镜(206)的偏振方向与分光片(62)反射光的偏振方向垂直，第二1/4波片(207)的晶轴方向与第二偏振棱镜(206)的偏振方向呈负45度角；
中心带原子鉴频组件(31)的结构为：第九磁体(302)、第五原子泡(304)、第十磁体(305)、第三偏振棱镜(306)依次同轴排列；第三偏振棱镜(306)的偏振方向与反射镜(63)反射光的偏振方向垂直；第五原子泡(304)内装钠原子，置于圆筒型第五恒温筒(303)的中间，恒温温度为摄氏170度，第九磁体(302)、第十磁体(305)呈圆环型，置于第五恒温筒(303)的两端，在第五原子泡(304)处产生2200Gs的磁场，第五磁屏蔽筒(301)包裹在第九磁体(302)、第十磁体(305)和第五恒温筒(303)的外面。
2.根据权利要求1所述的原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪，其特征在于，所述的接收望远镜(4)采用鱼眼镜头。
3.根据权利要求1所述的原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪，其特征在于，所述的各原子泡均内装K原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏150度，左边带原子鉴频组件(11)和右边带原子鉴频组件(21)中的磁体在原子泡处产生150Gs的磁场，中心带原子鉴频组件(31)中的磁体在原子泡处产生1500Gs的磁场。
4.根据权利要求1所述的原子鉴频的高空大气气辉风温成像仪，其特征在于，所述的各原子泡均内装Li原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏300度，左边带原子鉴频组件(11)和右边带原子鉴频组件(21)中的磁体在原子泡处产生350Gs的磁场，中心带原子鉴频组件(31)中的磁体在原子泡处产生3500Gs的磁场。
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