CN103175612A - 一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，涉及空间光学技术领域，它解决了现有的星载成像光谱仪因采用消偏振器而导致成像质量降低的问题。包括孔径光阑、望远镜、入射狭缝、准直镜、布儒斯特棱镜、聚焦镜、平面折转镜和焦平面探测器。目标光束经所述孔径光阑入射到望远镜上，经望远镜成像在入射狭缝上，从入射狭缝出射的光经准直镜准直后入射到布儒斯特棱镜上，振动方向平行于狭缝长度方向的S偏振光经布儒斯特棱镜色散和偏振分光后入射到聚焦镜上，经聚焦镜聚焦并经过平折转镜折转后成像到面阵焦平面探测器上。本发明适用于空间遥感大气探测和海洋水色探测需要。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统。
背景技术
目前，星载成像光谱仪通常因采用光栅、分色片等对偏振敏感的光学元件而使仪器具有较大的偏振响应。在地面进行辐射定标时采用的定标光源（例如，卤钨灯和积分球等）为非偏振光，地面标定的仪器的光谱辐亮度响应度为R(λ)。星载成像光谱仪在轨测量时，仪器接收的是经过大气散射的偏振光，由于仪器的偏振响应，仪器在轨的实际光谱辐亮度响应度Re(λ)就会与地面标定的仪器的光谱辐亮度响应度R(λ)存在较大差异，严重影响仪器的测量精度。为了降低偏振响应的影响，美国的臭氧绘图和廓线仪（OMPS）和欧空局的臭氧总量监测仪（OMI）等成像光谱仪使用消偏器把入射的偏振光变成非偏振光，然而，消偏器引入的像差和多像会降低成像光谱仪的成像质量，从而降低成像光谱仪的空间分辨率和光谱分辨率，因此迫切需要解决在不影响星载成像光谱仪成像质量的前提下降低仪器偏振响应对仪器测量精度的影响。
发明内容
本发明为解决现有成像光谱仪的测量精度受偏振响应的影响存在较大误差，并且由于测量系统中引入消偏器而导致降低成像质量的问题，提供一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统。
一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，利用布儒斯特棱镜同时作为分光和偏振元件实现在星载成像光谱仪在轨偏振测量；包括孔径光阑、望远镜、入射狭缝、准直镜、布儒斯特棱镜、聚焦镜、平面折转镜和焦平面探测器；
入射光束经孔径光阑入射至望远镜上，经望远镜成像在入射狭缝上，入射光束经入射狭缝出射后入射至准直镜，经准直镜准直后变成平行准直光束入射至布儒斯特棱镜上，经布儒斯特棱镜出射的色散偏振平行光束入射到聚焦镜上，经聚焦镜聚焦再经平面折转镜折叠光路后聚焦到焦平面探测器上，实现对光束的偏振测量。
本发明的有益效果：本发明所述的系统可以在轨实时测量出入射光的偏振特性，然后通过对仪器的偏振响应进行校正，使成像光谱仪的测量精度不受偏振响应的影响。本发明提出的在轨偏振测量系统与现有的在成像光谱仪光路中插入消偏器的方法相比，具有不影响成像光谱仪自身成像质量的优点。本发明所述的系统中采用布儒斯特棱镜作为偏振分光元件，结构简单，重量轻，这种在轨偏振测量系统，特别适合与星载成像光谱仪搭配使用，实时测量入射光的偏振特性，提高成像光谱仪的测量精度。
附图说明
图1为本发明所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统中布儒斯特棱镜的前视图。
图中：1、孔径光阑，2、望远镜，3、入射狭缝，4、准直镜，5、布儒斯特棱镜，6、聚焦镜，7、平面折转镜，8、焦平面探测器，a、第一工作表面，b、第二工作表面，c、第三工作表面，d、第四工作表面。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，利用布儒斯特棱镜5同时作为分光和偏振元件来实现在星载成像光谱仪在轨偏振测量；该系统包括孔径光阑1、望远镜2、入射狭缝3、准直镜4、布儒斯特棱镜5、聚焦镜6、平面折转镜7和焦平面探测器8。该系统按xyz右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，x轴垂直于yz平面，yz平面为系统的子午面，入射狭缝3的长度方向沿x轴方向，入射狭缝宽度方向沿y轴方向。入射光束经孔径光阑1入射到望远镜2上，经望远镜2成像在入射狭缝3上，从入射狭缝3出射后入射到准直镜4上，经准直镜4准直后变成平行准直光束入射到布儒斯特棱镜5的第一工作表面a上，从第一工作表面a透射后入射到第二工作表面b上，第二工作表面b满足布儒斯特入射要求，振动方向平行于入射狭缝3长度方向的S偏振光经第二工作表面b反射后入射到第三工作表面c上，经第三工作表面c反射后从第四工作表面d出射，出射的色散偏振平行光束入射到聚焦镜6上，经聚焦镜6聚焦再经平面折转镜7折叠光路后聚焦到焦平面探测器8上，实现对光束的测量。
本实施方式所述的望远镜2与准直镜4的反射面相对排列，准直镜4的反射面与布儒斯特棱镜5的入射面相对排列，布儒斯特棱镜5的出射面与聚焦镜6的反射面相对排列，聚焦镜6的反射面与平面折转镜7的反射面相对排列，平面折转镜7与焦平面探测器8的像面相对排列。
本实施方式所述的孔径光阑1位于望远镜2的物方焦平面上，在入射狭缝3上形成像方远心，所述准直镜4与望远镜2为离轴抛物面镜，准直镜4的曲率半径与望远镜2的曲率半径相同，准直镜4的离轴量与望远镜2的离轴量相同。
本实施方式所述的布儒斯特棱镜5为熔石英材料，棱镜的顶角α可根据探测的波段选择，布儒斯特棱镜5有四个工作表面，第一工作表面a为透射表面，第二工作表面b满足布儒斯特角入射要求，第三工作表面c为反射表面，第四工作表面d为透射表面，第二工作表面b与第四工作表面d共面。所述布儒斯特棱镜5第一工作表面a与第二工作表面b的夹角为布儒斯特棱镜5的顶角，所述布儒斯特棱镜5的顶角α的取值范围为大于等于33°，小于等于37°。
本实施方式所述的聚焦镜6为球面反射镜，聚焦镜6与焦平面探测器8之间用一个平面折转镜7折叠光路，减小系统的体积和重量国所述的焦平面探测器8为线阵列探测器，阵列长度方向为光谱色散方向；焦平面探测器8接收到的为振动方向平行于狭缝长度方向的S偏振光的光谱辐射能量。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统的实施例：
本实施例所述的星载成像光谱仪在轨偏振测量系统与用于大气探测的成像光谱仪搭配使用，用来测量入射光的偏振特性，从而对成像光谱仪的偏振响应进行修正。星载成像光谱仪在轨偏振测量系统的工作波段为320～500nm，视场角为1.8°×0.045°的大气散射光辐射，经孔径光阑和离轴抛物面望远镜成像在入射狭缝上，孔径光阑口径为Φ31mm，离轴抛物面望远镜的焦距240.269mm，离轴量35mm，入射狭缝尺寸为7.55mm×0.19mm，准直镜也为离轴抛物面，焦距和离轴量与望远镜相同。光束经准直镜准直后入射到布儒斯特棱镜上，布儒斯特棱镜采用熔石英材料，棱镜顶角α为35°。经布儒斯特棱镜色散的偏振平行光束经球面聚焦镜和平面折转镜聚焦在线阵焦平面探测器上，球面聚焦镜的曲率半径为266mm，线阵焦平面探测器的像元尺寸2.5mm×25μm，像元数1×1024，光谱分辨率5～10nm。利用测得入射光的偏振特性，对成像光谱仪的偏振响应进行修正，提高用于大气探测的成像光谱仪的测量精度，从而更好地为天气预报和大气环境监测服务。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，上述实施例为对本发明进一步说明，应当理解，所述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
Claims (7)
1.一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，包括孔径光阑（1）、望远镜（2）、入射狭缝（3）、准直镜（4）、布儒斯特棱镜（5）、聚焦镜（6）、平面折转镜（7）和焦平面探测器（8）；其特征是，利用布儒斯特棱镜（5）同时作为分光和偏振元件实现在星载成像光谱仪在轨偏振测量；
入射光束经孔径光阑（1）入射至望远镜（2）上，经望远镜（2）成像在入射狭缝（3）上，入射光束经入射狭缝（3）出射后入射至准直镜（4），经准直镜（4）准直后变成平行准直光束入射至布儒斯特棱镜（5）上，经布儒斯特棱镜（5）出射的色散偏振平行光束入射到聚焦镜（6）上，经聚焦镜（6）聚焦再经平面折转镜（7）折叠光路后聚焦到焦平面探测器（8）上，实现对光束的偏振测量。
2.根据权利要求1所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述布儒斯特棱镜（5）包括四个工作表面，准直光束入射至第一工作表面（a）上，经第一工作表面（a）透射后入射到第二工作表面（b）上，准直光束中振动方向平行于入射狭缝（3）长度方向的S偏振光经第二工作表面（b）反射后入射到第三工作表面（c）上，经第三工作表面（c）反射后经第四工作表面（d）出射，出射的色散偏振平行光束入射到聚焦镜（6）上，经聚焦镜（6）聚焦再经平面折转镜（7）折叠光路后聚焦到焦平面探测器（8）。
3.根据权利要求2所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述布儒斯特棱镜（5）第一工作表面（a）与第二工作表面（b）的夹角为布儒斯特棱镜（5）的顶角，所述布儒斯特棱镜（5）的顶角（α）的取值范围为大于等于33°，小于等于37°。
4.根据权利要求2所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述第一工作表面（a）为透射表面，第三工作表面c为反射表面，第四工作表面（d）为透射表面，第二工作表面（b）与第四工作表面（d）共面。
5.根据权利要求1所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述准直镜（4）与望远镜（2）为离轴抛物面镜，准直镜（4）的曲率半径与望远镜（2）的曲率半径相同，准直镜（4）的离轴量与望远镜（2）的离轴量相同。
6.根据权利要求1所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述焦平面探测器（8）为线阵列探测器，光谱的色散方向与线阵列探测器的线阵长度长向相同。
7.根据权利要求1所述的一种星载成像光谱仪在轨偏振测量系统，其特征在于，所述孔径光阑（1）位于望远镜（2）的物方焦平面上，在入射狭缝（3）上形成像方远心。
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