CN103063306A - 静态双通道多普勒外差干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静态双通道多普勒外差干涉仪，以实现两个中心波长目标谱线多普勒频移的测量。该干涉仪包括干涉仪入瞳、准直系统、分束棱镜、闪耀光栅组件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束棱镜的核心部件是50：50半反半透的消偏振分光膜，条纹成像系统包括前镜组和后镜组，闪耀光栅组件包括：反射光路上分别设置的第一闪耀光栅、第二闪耀光栅，第三闪耀光栅、第四闪耀光栅，四块光栅的工作面法线与相应的入射光轴均成Littrow角，其中第一与第三，第二与第四闪耀光栅构成对应的工作光栅以实现各自波长的干涉，每组对应的工作光栅的光栅工作面中心沿光路至分束棱镜中心的距离之差形成该干涉仪的基础光程差。

Description

静态双通道多普勒外差干涉仪

技术领域

本发明涉及一种多普勒外差干涉仪。 

背景技术

一、多普勒外差干涉仪的基本原理的数学表达 

大气风场测量介质是携带了风场信息的大气粒子谱线。根据Doppler效应，当大气粒子随大气运动时，谱线中心频率将产生频移，即Δλ/λ=Δσ/σ=v/c。依据上述关系通过探测粒子辐射线的Doppler频移即可反演出大气的运动速度。 

多普勒外差干涉仪采用两个闪耀光栅代替Michelson干涉仪两臂的平面反射镜，并在干涉仪两臂之间引入一定基础光程差Δd，干涉仪出瞳处有两个呈一定夹角β（β大小与波数σ有关）的出射波前，这两个出射波前相互叠加产生Fizeau型干涉条纹并被成像在探测器上，条纹的空间频率是该波数σ与外差波数σ_L（对应β=0°）之差的函数，如式（1）所示。 

$I\left(x\right)={\∫}_0^{\∞}B\left(\mathrm{\σ}\right)[1+\cos \{2\mathrm{\π}\left[4(\mathrm{\σ}-{\mathrm{\σ}}_L)\tan {\mathrm{\θ}}_L\right]\×[x+\frac{\mathrm{\Δd}}{2\tan {\mathrm{\θ}}_L}]\left\}\right]\mathrm{d\σ}---\left(1\right)$

当入射目标谱线存在大气运动引起的Doppler频移时，Δσ/σ=v/c，干涉函数（1）变为： 

$I\left(x\right)={\∫}_0^{\∞}B\left(\mathrm{\σ}\right)[1+\cos \{2\mathrm{\π}\left[4(\mathrm{\σ}+\mathrm{\Δ\σ}-{\mathrm{\σ}}_L)\tan {\mathrm{\θ}}_L\right]\×[x+\frac{\mathrm{\Δd}}{2\tan {\mathrm{\θ}}_L}]\left\}\right]\mathrm{d\σ}---\left(2\right)$

则在探测器像元x=0位置，相位变化量： 

由式（3）可见，只要分别得到无Doppler频移和存在Doppler频移时基础光程位置干涉曲线相位，即可反演出风速值。 

二、现有研究情况 

多普勒外差光谱技术最早由美国海军实验室提出，方案如图1所示。该系统只能测量一个通道（或中心波长）目标谱线的多普勒频移。通常采用的地基被动大气风场测量干涉仪（Fabry-Perot干涉仪）可以测量两个中心波长的目标谱线多普勒频移，但Fabry-Perot干涉仪加工、装配工艺要求较高，且仪器的稳定性不够理想。 

发明内容

本发明提供了一种静态双通道多普勒外差干涉仪，以实现两个中心波长目标谱线多普勒频移的测量。 

为实现以上发明目的，本发明给出以下基本技术方案。 

静态双通道多普勒外差干涉仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束棱镜、闪耀光栅组件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束棱镜的核心部件是50：50半反半透的消偏振分光膜；所述条纹成像系统包括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合；其特征在于： 

在分束棱镜的透射光路和反射光路上分别设置有第一视场棱镜组和第二视场棱镜组，每个视场棱镜组均由两个视场棱镜胶合而成，并在胶合面镀有分色膜； 

所述闪耀光栅组件包括：第一视场棱镜组的分色膜的透射光路、反射光路上分别设置的第一闪耀光栅、第二闪耀光栅，以及第二视场棱镜组的分色膜的透射光路、反射光路上分别设置的第三闪耀光栅、第四闪耀光栅；四块闪耀光栅的工作面法线与相应的入射光轴均成Littrow角（θ_L），光栅刻线方向垂直于所述工作面法线与相应的入射光轴所确定的平面（即如图所示的纸面）；其中第一闪耀光栅与第三闪耀光栅构成一组对应的工作光栅以实现一个波长的干涉，第二闪耀光栅与第四闪耀光栅构成一组对应的工作光栅以实现另一个波长的干涉；每组对应的工作光栅的光栅工作面中心沿光路至分束棱镜中心的距离之差形成该静态双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差； 

在条纹成像系统的出射光路上设置有一个分色片，在分色片的透射光路依次设置有中心波长为λ₁的第一带通滤光片、第一探测器阵列，在在分色片的反射光路上依次设置有中心波长为λ₂的第二带通滤光片、第二探测器阵列； 

所述分色膜和分色片均是用于将光谱范围λ_a～λ_b的入射光束分成λ_a～λ_i透射和λ_i～λ_b反射两束光束，所述中心波长λ₁、λ₂分别处于波段范围λ_a～λ_i和λ_i～λ_b内。 

基于上述基本技术方案，本发明还可作如下优化限定和改进： 

上述两个视场棱镜组分别与分光棱镜的透射侧和反射侧胶合在一起，两个视场棱镜组靠近胶合面位置的厚度差形成该双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差。 

或者，上述两个视场棱镜组之一与分光棱镜胶合在一起，未与分光棱镜胶合的视场棱镜组留有的空隙厚度形成该双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差。 

由于采用了分色膜，上述分束棱镜的位置最好使输入光以45°入射分束棱镜的分光面。 

上述条纹成像系统可采用4f系统。 

上述准直系统为透射式系统或反射式系统。 

总结本发明优点如下： 

采用本发明的方案，单台仪器可以实现两个中心波长目标谱线多普勒频移的同时测量。 

与Fabry-Perot干涉仪相比，本发明的仪器的加工、装配工艺要求大大降低，且稳定性好。 

该干涉仪结构稳定，全系统无运动部件。 

附图说明

图1为现有技术的多普勒外差干涉光谱仪的结构示意图。 

图2为本发明的静态双通道多普勒差分干涉仪的结构示意图。 

具体实施方式

本发明的静态双通道多普勒外差干涉仪由前置镜、干涉仪入瞳、准直镜、分束棱镜、视场棱镜（胶合面设置分色膜）、闪耀光栅、条纹成像系统、分色片、带通滤光片和探测器组成。 

1)前置镜：作用是收集目标的辐射并会聚到其后焦面上。 

2)干涉仪入瞳：位于前置镜后焦面和准直镜的前焦面上，作用是控制干涉仪的视场角。 

3)准直系统：将通过干涉仪入瞳的光束变成平行光束。 

4)分束棱镜：其核心是50:50半反半透的消偏振分光膜，将入射平行光束等强度分成透射和反射两束，并且每一束平行光的偏振特性都与入射平行光相同。 

5)视场棱镜：四块视场棱镜分两组胶合成一体，胶合面镀有分色膜，分色膜将光谱范围λ_a～λ_b的入射光束分成λ_a～λ_i透射和λ_i～λ_b反射两束光束；再将两组棱镜与分光棱镜胶合在一起。两组视场棱镜沿光轴方向的厚度差形成干涉仪的基础光程差（Δd）。 

6)闪耀光栅：本系统中四块光栅的工作面法线与入射光轴成Littrow角（θ_L），光栅刻线方向垂直于纸面，经过光栅色散后，不同波长的光束以不同的衍射角β从光栅上返回。 

7)条纹成像系统：由成像镜L₁和成像镜L₂组成，作用是将干涉图成像到面阵CCD探测器上。 

8)分色片：将光谱范围λ_a～λ_b的入射光束分成λ_a～λ_i透射和λ_i～λ_b反射两束光束，分别由两个探测器阵列探测。上述带通滤光片的中心波长λ₁、λ₂分别处于两个波段范围λ_a～λ_i和λ_i～λ_b内。 

9)带通滤光片：在分色片的反射光路和透射光路上分别设置有中心波长为λ₁、λ₂的带通滤光片，带宽为纳米量级（2～3nm）。 

10)探测器阵列：在分色片的反射光路和透射光路上分别设置有两个面阵CCD，用于接收相应的干涉图。 

本发明的静态双通道多普勒差分干涉仪的工作原理是：望远系统收集观测目标的光谱辐射，并将其成像到望远镜焦面上；经过光阑的目标辐射经准直系统后成为平行光束入射到分束棱镜，分成透射和反射两路入射到相应的视场棱镜中的分色膜；分色膜分出两个波长范围分别透射、反射至对应的闪耀光栅，经分色膜透射或反射的光束均以Littrow角（θ_L）分别入射到闪耀光栅上；经闪耀光栅色散后不同波长的光束以不同的衍射角从光栅上反射回分色膜上。再经分束棱镜半反半透，在条纹成像系统的出射光路上由分色片再 次分出不同波段范围的透射光、反射光，并分别经相应的带通滤光片在干涉仪出口汇成出射光束。 

这样对于一个入射波面来说，存在两个有一定夹角的出射波面，这两个波面之间具有相干性。条纹成像系统L₁将出射光束会聚，在其焦面上得到由两个闪耀光栅色散产生的对应不同波长的干涉仪入瞳的像。条纹成像系统L₂再将光束准直，来自干涉仪两臂的光束在其后焦面上发生干涉，干涉图被探测器阵列接收。另外，由于基础光程差的存在，使探测器中心像元具有一定的基础相位，通过测量基础相位的变化即可得到入射光谱辐射的多普勒频移。在本发明中，两个通道（对应于两个中心波长）的干涉图能够同时由对应的面阵CCD探测得到。 

Claims (6)

1.静态双通道多普勒外差干涉仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束棱镜、闪耀光栅组件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束棱镜的核心部件是50：50半反半透的消偏振分光膜；所述条纹成像系统包括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合；其特征在于：

在分束棱镜的透射光路和反射光路上分别设置有第一视场棱镜组和第二视场棱镜组，每个视场棱镜组均由两个视场棱镜胶合而成，并在胶合面镀有分色膜；

所述闪耀光栅组件包括：第一视场棱镜组的分色膜的透射光路、反射光路上分别设置的第一闪耀光栅、第二闪耀光栅，以及第二视场棱镜组的分色膜的透射光路、反射光路上分别设置的第三闪耀光栅、第四闪耀光栅；四块闪耀光栅的工作面法线与相应的入射光轴均成Littrow角（θ_L），光栅刻线方向垂直于所述工作面法线与相应的入射光轴所确定的平面；其中第一闪耀光栅与第三闪耀光栅构成一组对应的工作光栅以实现一个波长的干涉，第二闪耀光栅与第四闪耀光栅构成一组对应的工作光栅以实现另一个波长的干涉；每组对应的工作光栅的光栅工作面中心沿光路至分束棱镜中心的距离之差形成该静态双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差；

在条纹成像系统的出射光路上设置有一个分色片，在分色片的透射光路依次设置有中心波长为λ₁的第一带通滤光片、第一探测器阵列，在在分色片的反射光路上依次设置有中心波长为λ₂的第二带通滤光片、第二探测器阵列；

所述分色膜和分色片均是用于将光谱范围λ_a～λ_b的入射光束分成λ_a～λ_i透射和λ_i～λ_b反射两束光束，所述中心波长λ₁、λ₂分别处于波段范围λ_a～λ_i和λ_i～λ_b内。

2.根据权利要求1所述的静态双通道多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述两个视场棱镜组分别与分光棱镜的透射侧和反射侧胶合在一起，两个视场棱镜组靠近胶合面位置的厚度差形成该双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差。

3.根据权利要求1所述的静态双通道多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述两个视场棱镜组之一与分光棱镜胶合在一起，未与分光棱镜胶合的视场棱镜组留有的空隙厚度形成该双通道多普勒外差干涉仪的基础光程差。

4.根据权利要求1至3任一所述的静态双通道多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述分束棱镜的位置设置满足输入光以45°入射分束棱镜的分光面。

5.根据权利要求4所述的静态双通道多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述条纹成像系统采用4f系统。

6.根据权利要求5所述的静态双通道多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述准直系统为透射式系统或反射式系统。

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