CN101819151B - 一种主动式大气光谱快速获取系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学电子器件技术领域，具体公开了一种主动式大气光谱快速获取系统。该系统将脉冲高压加在电离室中的金属针上，将气体样品电离而发光，光经透镜系统聚焦后，通过可调狭缝，被平面镜M₁反射到柱形凹面镜M₂后成为平行光，再入射到由多光栅组成的复合光栅G上；调节各子光栅的方位角，使各子衍射光谱区落在相同的衍射张角内，再反射至组合式柱面镜M₃，在入射面内沿波长分布方向对光谱线进行聚焦，成像在探测器D的受光面上；最后由探测器将探测到的光信号转换为电信号，由数据采集卡送到计算机内进行数据处理，从而快速获得气体样品的发射光谱。

Description

一种主动式大气光谱快速获取系统

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种主动式大气光谱快速获取系统。

背景技术

人类社会的发展对环境产生日益恶劣的影响，环境污染已威胁到人类生存和生态平衡，酸雨、臭氧层破坏、温室效应成为全球性三大环境问题。各种污染气体如氮、硫的氧化物(NO_x、SO_x)等气体导致酸雨；氯氟烃类气体造成臭氧层破坏；CO₂则是产生温室效应的重要因素；工业生产过程中产生的各种重金属废料导致气体和水体污染。对环境污染气体进行快速、便捷、准确的监测和有效的控制是非常重要的，本发明旨在为我们控制环境污染、改善生存环境提供有力的检测工具。

在很多环境监控场合，需要及时获取大气环境的信息，因此要对大气环境进行实时监控。普通光谱仪无法在短的时间内获得实时大气光谱。主要原因是，在传统的光谱仪中，通常采用机械转动装置连续地旋转光栅或棱镜色散器件对波长进行精细扫描并实现高分辨的光谱测量。由于存在机械移动装置，光谱获取速度有限，因此无法用在快速过程的光谱测量上。本发明通过采用一个由多个子光栅组成的特殊光栅装置，研制一种高分辨率的CCD光谱仪，无任何机械位移部件就可将色散光谱图像折叠数次，在小于100毫秒的时间内获得可见光及红外波段范围的光谱。本发明基于多光栅CCD光谱仪的工作基础，并将这种快速光谱获取技术应用到环境科学领域，用于监控大气光谱的变化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种主动式大气光谱快速获取系统。

本发明提出的这种主动式大气光谱快速获取系统，包括依次连接的如下部件：直流脉冲高压源、大气样品电离室、聚焦系统、光谱仪、计算机系统，其结构如图1所示。

本发明中，大气样品电离室采用金属针尖端放电方式电离大气分子，使之跃迁至激发态，当受激发的分子、原子或离子再跃迁回低能态，从而产生各自特征的发光光谱。

电离室发出的光近似为线光源，其线长可通过调节金属针尖间距而从1到5mm变化，所发光线被聚焦系统会聚到光谱仪上的可调狭缝上。该可调狭缝的宽度为0-2mm可调。

光谱仪由平面反射镜M1、柱形凹面镜M2、光栅陈列G、组合式柱面反射镜M3和探测器D经光路连接组成。光透过狭缝后，经反射镜M1反射到柱形凹面镜M2上，狭缝到柱形凹面镜的距离等于柱形凹面镜M2的焦距f₁，因而从柱形凹面镜M2出射的光为准平行光。这束准平行光以一定角度入射到光栅阵列G上。在本发明中，光栅阵列G由n块条形子光栅组成，各条形子光栅垂直排列，每个子光栅覆盖不同的波段。设每块条形子光栅的槽间距为d，(也可采用不同d的槽间距)，对于一级衍射光，不同波长对应的衍射角分布为：

Δλ₁＝λ₂-λ₁＝d(sinθ₂-sinθ₁)

Δλ₂＝λ₃-λ₂＝d(sinθ₃-sinθ₂)

……

Δλ_n＝λ_n+1-λ_n＝d(sinθ_n+1-sinθ_n)

因此，将n块子光栅按n个波长区Δλ₁，Δλ₂……Δλ_n沿垂直于入射面的y方向排列，调整每块光栅的法线方向，使得与每个波长区对应，每块光栅在入射面内(x方向)具有相同的衍射张角范围，即：

Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_n(Δλ_n)

式中：

Δθ＝θ₂-θ₁＝θ₃-θ₂＝……＝θ_n+1-θ_n

入射光经n块子光栅衍射，在与入射面垂直方向，可形成n个子波长首尾相连的波长区，构成覆盖λ₁至λ_n+1波长的全波长区。n一般为1～10的整数。

光栅的正一级衍射光经组合式柱面镜M3会聚在其成像焦平面上。组合式柱面镜M3由n块独立的子柱面镜组成，M3是一个焦距为f3的柱面反射镜，使从光栅阵列G衍射出的光沿横向聚集。f₃根据实际需要确定。探测器D由n个线阵探测器或面阵探测器CCD组成，置于M3的焦面上。经过n个光栅的衍射光分别被2维面阵列CCD探测器或n个条形线阵列探测器不同区域的像素接收。

另外，在光栅阵列G的各子光栅或柱面反射镜M3的各子柱面反射镜前设置相应的滤色片，将次数m＞2的高次衍射光滤去。

由探测器D检测到光谱后，由计算机系统的数据采集卡采集，再送入计算机系统进行分析处理，由计算机输出大气放电光谱结果。

本发明由于在全光谱测量中无任何光学部件的机械位移，可实现光谱的高速和高分辨率测量。光谱检测速度仅受线阵探测器或面阵探测器CCD的响应速度以及后继数据传输和处理速度的限制。具有14-16bit数据动态范围的全光谱测量速度可快于0.01秒。在实现全光谱快速检测的同时，光谱分辨率受到探测器像素密度，焦距和波长分区数的限制。在本实施方案中，光谱的最高分辨率可达0.08nm。采用本设计方法，结合采用更长焦距光学系统，更高密度的线阵和面阵探测器，以及采用更多子光栅作波长分区，可获得更高的光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明的主动式大气光谱快速获取系统结构图示。

图2为直流脉冲电压源的触发电路图。

图中标号：1为直流脉冲高压源，2为大气样品电离室，3为聚焦系统，4为光谱仪，5为计算机系统，6为可调狭缝，7为数据采集卡，8为输出大气放电光谱结果。

具体实施方式

根据图1，直流脉冲电压源经触发后产生脉冲高压加在电离室中的金属针上，并将电离室中的气体样品电离而发光，由气体样品电离室出射的光经透镜系统聚焦后，通过宽度为0-2mm可调狭缝入射，被平面反射镜M1反射到柱形凹面镜M2后成为平行光，入射到由多光栅组成的复合光栅G上，调节各子光栅的方位角，使各子衍射光谱区落在相同的衍射张角内，被反射至组合式柱面镜M3，在入射面内沿波长分布方向对光谱线进行聚焦，成像在相应的组合式多线阵探测器D或面阵探测器CCD的受光面上，组合式柱面镜M3的作用是分别对各子光谱区的光强在垂直入射面的方向聚焦，使得各子光谱区的光信号更有效地被相对应的线阵探测器(或面阵探测器)接收。

图2中，D1、D2为二极管，K1为总开关，K2为触发开关，C为电容，Z为变压器，R为电阻。

下面通过实施例进一步描述本发明。

在本例中，直流脉冲电压源的触发电路的主要元件参数为，电容C(450V，200μF)电阻R(100Ω)，变压器Z(300V～4000V)。输入电压为220V，50Hz。

电离发光近似为线光源，其线长约为1到2mm，所发光线被聚焦系统会聚到一狭缝上。狭缝是宽度为0-2mm的可调狭缝S1。

光线通过狭缝之后再经平面反射镜M1反射到柱形凹面镜M2上，狭缝到柱形凹面镜的距离等于凹面镜的焦距500mm，因而从凹面镜M2出射的光为准平行光。这束准平行光以一定角度入射到光栅阵列G上。光栅阵列G包括5块600线/mm光栅(也可按应用要求选取其他槽间距密度光栅和更多的光栅数)，每块光栅的尺寸为20×100mm，光栅栅线与短边平行，组合成的有效光栅面积为100×100mm。将5块光栅沿与入射面垂直的y方向排列，调整各光栅方位角，使得在同一衍射张角内，各子波长区的波长分布不同，但波长首尾衔接，构成完整的波长区。

光栅的正一级衍射光经五块独立的双柱面镜汇聚，使其在探测器D的成像面上成像。双柱面镜具有两个焦距，分别为500mm(水平方向)和1000mm(垂直方向)，水平方向的焦距500mm也可称为光谱仪的焦长。在设计时，双柱面镜的两个焦距并不相等，这样做是为了使探测器上所成的像有一定的高度，让谱线容易落在线性探测器探测阵列上，整个系统更加稳定，同时也能充分利用探测器像素的有效面积。

该光谱仪的色散特性约为3.0nm/mm，在探测器所在光谱成像的平面位置，沿波长分布方向(x方向)的总探测覆盖尺寸约为60.0mm。采用5个InGaAs线阵探测器，每个探测器包含512个像素，波长工作区为700-1700nm，每个像素的尺寸为0.024(H)×0.080(V)mm，构成的探测面约为12.3(H)×0.08(V)mm，其中，H表示为水平(x)方向，V为垂直(y)方向。5个探测器采集到的子光谱区连成完整的光谱，其在波长方向上的有效测量区域实际上含有2560个像素，与InGaAs器件的光电转换波长区相对应，能够覆盖1450-1650nm波长范围。这五个准单色光波长区的分布分别为：1450-1490nm，1490-1530nm，1530-1570nm，1570-1610nm和1610-1650nm。每块子光栅的工作光谱区为40纳米，与每组有512像素的InGaAs线阵探测器相对应，每个像素所对应的波长分辨率为0.08nm。不同波长区之间留有一定的交叠空间，可通过软件对波长进行定标和校正。最后由探测器获得的光信号被转换为电信号并由数据采集卡送到计算机内进行数据处理。

在本发明的设计当中，数据由计算机自动采集、分析和计算，并最终获得光谱图。系统实现了大气光谱快速测量的目标。可用于环保、气象等领域。光谱范围可扩展到包括紫外、可见和红外波段的宽广光谱范围。

Claims (4)

1.一种主动式大气光谱快速获取系统，其特征在于包括依次连接的如下部件：直流脉冲高压源、大气样品电离室、聚焦系统、光谱仪、计算机系统；其中：

直流脉冲高压源为大气样品电离室提供高压源，大气样品电离室采用金属尖端放电方式电离大气分子，产生各自特征的发光光谱；电离室发出的光经过聚焦系统，会聚到光谱仪前的可调狭缝，进入光谱仪；

所述光谱仪由平面反射镜(M1)、柱形凹面镜(M2)、光栅陈列(G)、组合式柱面反射镜(M3)和探测器(D)经光路连接组成；光线经过平面反射镜(M1)反射到柱形凹面镜(M2)上，得到一束准平行光；这束准平行光射入到光栅陈列(G)上；光栅阵列(G)由n块条形子光栅组成，各条形子光栅垂直排列，每个子光栅覆盖不同的波段；

经光栅阵列(G)衍射出的光经组合式柱面反射镜(M3)会聚在其成像焦平面上；组合式柱面反射镜(M3)由n块独立的子柱面反射镜组成；探测器(D)由n个条形线阵列探测器或面阵列CCD探测器组成，置于组合式柱面反射镜(M3)的焦平面上；经过n块条形子光栅的衍射光分别被面阵列CCD探测器或n个条形线阵列探测器不同区域的像素接收；

探测器(D)检测到光谱后，由计算机系统的数据采集卡采集，再送入计算机系统进行分析处理，由计算机输出大气放电光谱结果。

2.根据权利要求1所述的主动式大气光谱快速获取系统，其特征在于电离室发出的光近似为线光源，其线长从1～5mm变化。

3.根据权利要求1所述的主动式大气光谱快速获取系统，其特征在于可调狭缝的宽度为0～2mm范围内可调。

4.根据权利要求1所述的主动式大气光谱快速获取系统，其特征在于在光栅阵列(G)的各条形子光栅前或组合式柱面反射镜(M3)的各子柱面反射镜前设置有滤色片，滤去次数大于2的高次衍射光。

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