CN102135632B - 利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学探测领域，特别是一种利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法。本方法通过全向成像系统内部的N棱锥反射镜将光线反射或折射进入，并在窄带滤波片的过滤下在全向成像系统内部的光学成像单元上形成紫外波段光线的环形光斑和圆形光斑。本发明通过使用紫外全向成像系统在空间对地球星下点与临边大气同时探测，实现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，提供精确的大气全方位、多时空信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测领域，特别是一种利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法。
背景技术
卫星(或航天器)有效载荷对地进行大气环境探测主要有天底观测方式、太阳/月亮等掩星观测方式和地球临边观测方式。天底观测方式具有高空间覆盖范围(卫星/航天器每天绕地球运行若干周)；掩星观测方式具有高垂直分辨率(约1km～3km)；而临边观测方式具有独特的优势，集传统天底观测的高空间覆盖率和掩星观测的高垂直分辨率、高观测精度于一身。在卫星(或航天器)高度上观测的大气紫外临边散射光谱对大气密度、大气臭氧、气溶胶及其他微量气体的密度和垂直分布极为敏感，可以同时遥感整层大气密度和臭氧等的三维分布。
国外设计的紫外波段大气临边观测仪器多为光谱仪或成像光谱仪结构。如欧空局1995年发射的The Global Ozone Monitoring Experiment(GOME)，2002年发射的Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY(SCIAMACHY)，美国2003年的Limb Ozone Retrieval Experiment(LORE)，ShuttleOzone Limb Sounding Experiment(SOLSE)，以及最新的The Ozone MappingProfiler Suite(OMPS)。以上仪器只能对大气的特定临边方向进行观测，观测区域有限，无法同时对大气进行大范围、高分辨率的综合探测，进而无法提供精确的大气全方位、多时空信息。
发明内容
针对上述情况，为了解决现有技术的缺陷，本发明的目的就在于提供一种利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，可以有效解决观察范围有限、无法同时对大气进行大范围、高分辨率的综合探测的问题。
本发明解决技术问题采用的技术方案是，利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，所说的全向成像系统包括窄带滤光片、滤光片轮、步进电机和两个紫外宽波段成像仪，所说的紫外宽波段成像仪包括N棱锥反射镜、宽波段紫外透镜组、CCD探测器和电子学系统，N棱锥反射镜前面依次放置宽波段紫外透镜组、CCD探测器和电子学系统，CCD探测器与电子学系统相连，窄带滤光片放置在宽波段紫外透镜组和N棱锥反射镜之间，步进电机放置在两个紫外宽波段成像仪之间，滤光片轮装在步进电机上，窄带滤光片装在滤光片轮上。
具体步骤如下：
1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜的侧面将大气中的光线反射至全向成像系统的窄带滤波片后经窄带滤波片过滤，获得紫外波段光线；
2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形光斑图像；
3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜的上底面将大气中的光线通过N棱锥反射镜中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片后经窄带滤波片过滤获得紫外波段光线；
4)步骤3)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形光斑图像，使其与环形光斑图像的中心重合；
5)根据步骤2)和步骤4)获得中心重合的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和星下点的大气探测。
本发明通过使用紫外全向成像系统在空间对地球星下点与临边大气同时探测，实现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，提供精确的大气全方位、多时空信息。
附图说明
图1是本发明方法使用的全成像仪的结构示意图。
图中，1、N棱锥反射镜，2、窄带滤波片，3、宽波段紫外透镜组，4、CCD探测器，5、步进电机，6、电子学系统，7、滤光片轮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1所示，利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的全向成像系统包括窄带滤光片2、滤光片轮7、步进电机5和两个紫外宽波段成像仪，所说的紫外宽波段成像仪包括N棱锥反射镜1、宽波段紫外透镜组3、CCD探测器4和电子学系统6，N棱锥反射镜1前面依次放置宽波段紫外透镜组3、CCD探测器4和电子学系统6，CCD探测器4与电子学系统6相连，窄带滤光片2放置在宽波段紫外透镜组3和N棱锥反射镜1之间，步进电机5放置在两个紫外宽波段成像仪之间，滤光片轮7装在步进电机5上，窄带滤光片2装在滤光片轮7上。
具体步骤如下：
1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜1的侧面将大气中的光线反射至全向成像系统的窄带滤波片2后经窄带滤波片2过滤，获得紫外波段光线；
2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形光斑图像；
3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜1的上底面将大气中的光线通过N棱锥反射镜1中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片2后经窄带滤波片2过滤获得紫外波段光线；
4)步骤3)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形光斑图像，使其与环形光斑图像的中心重合；
5)根据步骤2)和步骤4)获得中心重合的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和星下点的大气探测。
所说的N棱锥反射镜1的锐角底角α范围为50°≤α≤83.5°，钝角底角β范围为96.5°≤β≤130°，N棱锥反射镜1的钝角底面接近窄带滤光片2。
所说的窄带滤光片2为3对。
所说的窄带滤光片2以滤光片轮7的中心轴为对称轴对称分布。
所说的CCD探测器4、宽波段紫外透镜组3、窄带滤光片2和N棱锥反射镜1的中心轴在同一条直线上。
所说的窄带滤光片2与宽波段紫外透镜组3之间的距离D范围是7mm≤D≤13mm。
所说的窄带滤光片2与N棱锥反射镜1之间的距离d的范围是40mm≤d≤46mm。
本发明中的N棱锥反射镜1将半视场69°～75°压缩为12°～18°，经滤光片2后通过宽波段紫外透镜组3成像，在CCD探测器4上成一环形图像；星下点10°视场角内的场景经窄带滤光片2后，经宽波段紫外透镜组3直接成像，在CCD探测器4中心位置成一圆斑像。窄带滤光片2由步进电机5控制，实现一对波长同时探测。
通过高性能的窄带滤光片2实现探测波长信号测量。大气反演技术通常对几对波长信号同时进行探测，利用测量信号反演大气成分的分布，比如窄带滤光片2的波长265nm与295nm为一对，340nm与360nm为一对。
本发明中的CCD探测器4为E2V公司生产的航天级紫外增强型47-20，可适应空间环境；宽波段紫外透镜3组采用熔石英与氟化钙材料，系统焦距为20mm，工作波段为265nm～380nm，环形视场空间角分辨率为0.075°；所述的步进电机5为防冷焊、固体润滑轴承直流无刷电机。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的138°～150°大气辐射由N棱锥形反射镜1反射，经窄带滤光片2将工作范围外的光谱滤掉后进入宽波段紫外透镜组3成像在CCD探测器4上；星下点大气辐射经N棱锥反射镜1中心开孔进入宽波段紫外透镜组3成像在CCD探测器4上。
滤光片式双波段小型紫外全向成像仪系统给出360°视场下，临边方向视场角138°～150°范围的地球紫外临边像，空间分辨率3km，光谱分辨率20nm。在全向成像仪的像面、即CCD探测器4窗口上，138°～150°地球临边像和10°星下点大气成环形和中心圆斑像。圆环像径向强度变化反映了地球临边辐射亮度随高度变化，中心亮斑反映了星下点10°视角内大气辐射亮度分布。
为了同时获得星下点10°视角内大气辐射和138°～150°范围的地球紫外临边像，采用一般的光学系统难以达到，因此利用一个N棱锥反射镜1和宽波段紫外成像仪组成一个折反式广角物镜光学成像单元，N棱锥反射镜1面数选择6。六棱锥反射镜锥角为47.2°。
在宽波段紫外透镜组3前加窄带滤光片保证系统工作的波段。窄带滤光片2与宽波段紫外透镜组3距离为10mm，与N棱锥反射镜1距离为43mm，窄带滤光片2等级为成像型，杂光抑制为0.1％。
滤光片式双波段小型紫外全向成像仪系统结构紧凑，使用一台步进电机驱动，使用多个波长对测量，体积为350mm(长)×200mm(宽)×200mm(高)。总重量低于8kg。
所述的滤光片轮7将M对滤光片对称分布，由步进电机5驱动。测量时，每对窄带滤光片2位于紫外宽波段成像仪前，实现两组波长同时探测。改变滤光片轮7的位置，实现下一对波长同时探测；
本发明通过使用高性能窄带滤光片和紫外宽波段成像仪，可实现星下与临边同时探测，实现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，适用于中层大气/临近空间的高时空覆盖探测需要。
Claims (7)
1.利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的全向成像系统包括窄带滤光片(2)、滤光片轮(7)、步进电机(5)和两个紫外宽波段成像仪，所说的紫外宽波段成像仪包括N棱锥反射镜(1)、宽波段紫外透镜组(3)、CCD探测器(4)和电子学系统(6)，N棱锥反射镜(1)前面依次放置宽波段紫外透镜组(3)、CCD探测器(4)和电子学系统(6)，CCD探测器(4)与电子学系统(6)相连，窄带滤光片(2)放置在宽波段紫外透镜组(3)和N棱锥反射镜(1)之间，步进电机(5)放置在两个紫外宽波段成像仪之间，滤光片轮(7)装在步进电机(5)上，窄带滤光片(2)装在滤光片轮(7)上；具体步骤如下：
1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜(1)的侧面将大气中的光线反射至全向成像系统的窄带滤波片(2)后经窄带滤波片(2)过滤，获得紫外波段光线；
2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形光斑图像；
3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜(1)的上底面将大气中的光线通过N棱锥反射镜(1)中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片(2)后经窄带滤波片(2)过滤获得紫外波段光线；
4)步骤3)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形光斑图像，使其与环形光斑图像的中心重合；
5)根据步骤2)和步骤4)获得中心重合的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和星下点的大气探测。
2.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的N棱锥反射镜(1)的锐角底角α范围为50°≤α≤83.5°，钝角底角β范围为96.5°≤β≤130°，N棱锥反射镜(1)的钝角底面接近窄带滤光片(2)。
3.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)为3对。
4.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)以滤光片轮(7)的中心轴为对称轴对称分布。
5.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的CCD探测器(4)、宽波段紫外透镜组(3)、窄带滤光片(2)和N棱锥反射镜(1)的中心轴在同一条直线上。
6.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)与宽波段紫外透镜组(3)之间的距离D范围是7mm≤D≤13mm。
7.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)与N棱锥反射镜(1)之间的距离d的范围是40mm≤d≤46mm。
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