CN103256979A

CN103256979A - 一种双通道夜气辉成像温度光度计及光强和温度探测方法

Info

Publication number: CN103256979A
Application number: CN2013102061823A
Authority: CN
Inventors: 郜海阳; 吕青璞; 卜令兵; 黄兴友; 王震; 胡鹏宇
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-08-21

Abstract

本发明提供一种双通道夜气辉成像温度光度计及光强和温度探测方法，利用双通道的窄带干涉滤光片中心波长随入射光角度的变化而向短波方向移动的特性，对高层大气中双层夜气辉的发光强度及温度进行同时探测。该光度计包括纵轴部分和横轴部分：纵轴部分从上至下设有指向镜（1）、旋转平台（2）、视场光阑（3）和光学窗口（4）、菲涅尔透镜（5）、平面分光镜（6）、恒温腔B（12）、镜头B（14）和CCD探测器（16）；横轴部分由左至右设置，包括依次设置在所述平面分光镜（6）右侧的恒温腔A（7）、镜头A（9）和CCD探测器A（11）。

Description

一种双通道夜气辉成像温度光度计及光强和温度探测方法

技术领域：

本发明涉及一种光度计及一种光强和温度探测方法，属高层大气探测技术领域。

背景技术:

大气科学是一门建立在观测基础上的学科，对观测仪器的依赖性很强，高层大气的研究也是如此，尤其是近年来随着对潮汐、重力波等现象的深入研究，对观测仪器的研制提出了新的挑战。目前对中高层大气的观测主要是来获取目标大气的温度、风速、粒子密度等参数随时间空间的变化情况，可采用的观测手段有很多，就最常用的地面观测仪器而言，按照所使用的光源性质不同又可划分为主动式探测及被动式两大类。本发明主要关注被动式光学遥感探测仪器，这类仪器通常借助高层大气的自然发光源（如气辉），通过一套光学系统接收（或成像）并通过合适的方法分析发光谱线的性质，导出目标大气的温度、风速、气辉发射强度，进而分析和研究大气潮汐、重力波结构等动力学及热力学特性。尽管被动遥感探测的精度相对于主动式探测而言较低，但仪器本身省去了昂贵的光源发射装置，而且接收系统的视场角较大，对望远系统的依赖性大大降低，整个仪器的制作和搭建的成本相对较低，因此，被动光学遥感探测方法在中高层大气的地面探测领域中是一种重要的不可或缺的手段。

利用被动遥感技术对夜气辉的发光强度及温度进行探测，通常采用转动谱线测温法，具有代表性的仪器有加拿大York大学的R. H. Wiens等人1989年研制的MORTI（Mesopause Oxygen Rotational Temperature Imager），以及1997年对该仪器进行改进后的SATI（Spectral Airglow Temperature Imager）。日本K. Shiokawa等人2007年研制了具备12个通道及更高探测灵敏度的同类仪器。中国中科院空间科学与应用研究中心也于1996年成功地研制了一台倾斜滤光片光度计探测曙暮气辉和夜气辉。

但是，上述的仪器均采用单通道，切换滤光片会损失较大的时间分辨率，这对长积分时间的仪器而言是非常不利的，尤其是用来观测研究短期波动现象时就显得力不从心；而采用转动滤光片来实现光谱扫描的倾斜滤光片光度计则对时间分辨率的损失更大。因此，设计和研制一台具备高时间分辨率且能够多通道同时观测气辉发光强度和温度的无运动部件的仪器显得极为迫切。

发明内容：

本发明的目的是提供一种双通道夜气辉成像温度光度计，利用双通道的窄带干涉滤光片中心波长随入射光角度的变化而向短波方向移动的特性，对高层大气中双层夜气辉的发光强度及温度进行同时探测。

本发明的另一目的是利用上述的双通道夜气辉成像温度光度计对高层大气双层夜气辉的发光强度及温度的探测方法，该方法显著提高仪器效率。

本发明的具体技术方案如下：

双通道夜气辉成像温度光度计，包括纵轴部分和横轴部分：

纵轴部分从上至下设有指向镜1、旋转平台2、视场光阑3和光学窗口4、菲涅尔透镜5、平面分光镜6、恒温腔B12、镜头B14和CCD探测器B16；

其中，指向镜1安装在旋转平台2顶面，旋转平台2的底面安装设置视场光阑3和光学窗口4，视场光阑3的通光孔密封嵌入光学窗口4，平面分光镜6与纵轴部分成45°放置，窄带干涉滤光片B13设置在恒温腔B12中，在恒温腔B12的出口端放置镜头B14，CCD探测器B16内设CCD芯片B15，CCD芯片B15位于镜头B14的焦平面上；

横轴部分由左至右设置，包括依次设置在所述平面分光镜6右侧的恒温腔A7、镜头A9和CCD探测器A11；

其中恒温腔A7内设置窄带干涉滤光片A8，CCD探测器A11内设CCD芯片A10，CCD芯片A10位于镜头A9的焦平面上；

所述恒温腔A7和恒温腔B12的控制端分别与热电制冷控制器17连接，热电制冷控制器17与电源18相连。

所述视场光阑3、光学窗口4、菲涅尔透镜5、窄带干涉滤光片B13、镜头B14和CCD芯片B15沿纵轴同轴放置，且它们的中心光轴与纵轴重合；

窄带干涉滤光片A8、镜头A9和CCD芯片A10沿横轴同轴放置，且它们的中心光轴与横轴重合。

其中光学窗口4至菲涅尔透镜5的距离、菲涅尔透镜5至窄带干涉滤光片B13的距离、菲涅尔透镜5至窄带干涉滤光片A8的距离，三个距离相等，均为菲涅尔透镜5的焦距。

所述平面分光镜6的分光比为1:1。

所述横轴部件被固定在外壳19上。

一种温度光度计探测发光强度和温度的方法，该方法具体包括以下步骤：

1）正入射探测光路：调整旋转平台2至指向镜1反射的光正入射光学窗口4，来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜1导入至光学窗口4中，在视场光阑3的物面上形成平面光源，从光学窗口4中心出射的发散光沿着纵轴入射至菲涅尔透镜5上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜6的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下正入射至窄带干涉滤光片B13处，被筛选后的波长λ _c1谱线的平行光通过镜头B14汇聚在CCD芯片B15的中心像素上，完成正入射光路透射光的探测；反射光会经过90°的转折从而沿横轴入射至窄带干涉滤光片A8，被筛选后的波长λ _c2谱线的平行光通过镜头A9的汇聚在CCD芯片A10的中心像素上，完成正入射光路反射光的探测；

2）斜入射探测光路为：调整旋转平台2至指向镜1反射的光倾斜入射光学窗口4，来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜1倾斜导入至光学窗口4中，在视场光阑3的物面上形成平面光源，随后从光学窗口4边缘出射的发散光入射至菲涅尔透镜5上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜6的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下斜入射至窄带干涉滤光片B13处，由于此时平行光束与窄带干涉滤光片B13入射面法线有一夹角（0.01°～12°），因此，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c1相比已经向短波方向移动了距离Δλ _c1-θ（纳米量级），出射的波长（λ _c1-Δλ _c1-θ）谱线的平行光通过镜头B14的作用被汇聚在CCD芯片B15的对应像素上，完成斜入射光路透射光的探测；反射光会沿与透射光关于平面分光镜6对称的方向斜入射至窄带干涉滤光片A8，此时平行光束与窄带干涉滤光片A8入射面法线有一夹角（0.01°～12°），因此，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c2相比已经向短波方向移动了距离Δλ _c2-θ（纳米量级），被筛选后的特定波长（λ _c2-Δλ _c2-θ）谱线的平行光通过镜头A9汇聚在CCD芯片A10的对应像素上，完成斜入射光路反射光的探测；

3）以步骤1）和步骤2）的探测光路为基础，可以得出视场光阑3物面圆环所发出的发散光均转变为对应角度的平行光，在最终的CCD芯片A10和CCD芯片B15上又再次聚焦并变为明暗相间的环形图像；分别以CCD芯片A10和CCD芯片B15像面的中心为圆心，以一个像素为宽度，逐个计算出每一个环中所有像素的平均强度值，分别做出平均发光强度值与像素序号的曲线（这两条曲线即为本发明所需要探测的气辉发光强度）。

利用上述两条探测曲线与HITRAN08分子光谱数据库的曲线进行最小二乘拟合，经归一化处理，得出所需要探测的气辉温度。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

1. 使用转动谱线测温法对高层大气气辉温度进行探测，较之现在常用的多普勒展宽法，数据的稳定性和可靠性都有较大的提升。

2. 使用设计的光学系统将视场光阑的发散光调制为不同角度的平行光入射窄带干涉滤光片，实现对气辉光谱的空间静态扫描，整台仪器无运动部件，增强了仪器的稳定性和抗震性。

3. 使用双通道同时观测所选取的气辉光源谱段，不仅具有一定的空间垂直分辨率，也具备相当高的时间分辨率。

4. 由于恒温腔的使用，窄带干涉滤光片中心波长随温度的飘逸被很大程度地抑制，提高了探测精度。

附图说明：

图1为本发明的结构原理图。

图2为本明探测方法的探测光路为正入射光路的原理图。

图3为本明探测方法的探测光路为斜入射光路的原理图。

图中；1-指向镜；2-旋转平台；3-视场光阑；4-光学窗口；5-菲涅尔透镜；6-平面分光镜；7-恒温腔A；8-窄带干涉滤光片A；9-镜头A；10-CCD芯片A；11-CCD探测器A；12-恒温腔B；13-窄带干涉滤光片B；14-镜头B；15-CCD芯片B；16- CCD探测器B；17-热电制冷控制器；18-电源；其中A表示纵轴；B表示横轴。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明的双通道夜气辉成像温度光度计的结构是，图中的结构描述顺序为自上而下、从右至左，包括纵轴部分和横轴部分。纵轴部分从上至下，指向镜1被固定在精密旋转平台2上，紧贴精密旋转平台2设置视场光阑3，视场光阑3的通光孔处密封嵌入光学窗口4，随后间隔依次设置菲涅尔透镜5、平面分光镜6、恒温腔B12，其中平面分光镜6与纵轴成45°放置，窄带干涉滤光片B13被固定在恒温腔B12中，在恒温腔B12的出口端紧贴放置镜头B14和CCD探测器16B，其中CCD芯片B15被固定在CCD探测器B16中，且恰好位于镜头B14的焦平面上；横轴部分从平面分光镜6开始从左至右，间隔放置恒温腔A7，窄带干涉滤光片A8被固定在恒温腔A7中，在恒温腔A7的出口端紧贴放置镜头A9和CCD探测器A11，其中CCD芯片A10被固定在CCD探测器A11中，且恰好位于镜头A9的焦平面上；热电制冷控制器17用来控制恒温腔A7和恒温腔B12的温度，电源18为仪器内的电器提供所需的电力；上述所用部件被固定在外壳19上。

视场光阑3、光学窗口4、菲涅尔透镜5、窄带干涉滤光片B13、镜头B14和CCD芯片B15同轴放置，且它们的中心光轴与纵轴重合；窄带干涉滤光片A8、镜头A9和CCD探测器A11同轴放置，且它们的中心光轴与横轴重合；其中，光学窗口4至菲涅尔透镜5的距离、菲涅尔透镜5至窄带干涉滤光片B13的距离、菲涅尔透镜5至窄带干涉滤光片A8的距离相等，均为菲涅尔透镜5的焦距；平面分光镜6的分光比为1:1。

以下是本发明利用上述的双通道夜气辉成像温度光度计同时对高层大气双层夜气辉的发光强度及温度的探测方法，从探测原理、探测光路两个方面分别进行详细说明：

本发明探测方法的探测原理主要是借助窄带干涉滤光片中心波长会随入射光角度变化而向短波方向移动的特性来实现的。通常的窄带干涉滤光片是基于法布里波罗干涉的原理，其透过率公式可表示为：

（1）

其中，τ _f为透过率，τ _c为峰值透过率，λ _c为正入射时的中心波长，θ为光束的入射角，n _e为干涉滤光片的有效折射率，Δλ _c为中心波长透过半高宽。一旦选定滤光片，那么它的λ _c、n _e、τ _c、Δλ _c均为已知量，那么通过（1）式可以推知，随着入射角度的变化，透过率廓线的半高宽会增加，同时中心波长向短波方向移动。本发明的光路设计恰好满足这一变化规律，将视场光阑面上的不同点的光转变为不同角度平行光，当入射窄带干涉滤光片时恰能够被不同的透过率廓线筛选，因此当再次通过镜头的汇聚作用后，CCD探测器可获取不同波长的强度信息，这些强度信息即为仪器要探测的夜气辉的发光强度，而不同谱线强度间的比值信息可通过与HITRAN08分子光谱数据库的比对反演来获取气辉的温度。另外，本发明的仪器采用了双通道设计，如果选取合适的气辉谱段（例如O₂(0-1)带和OH(6-2)带），便可同时探测到87km～94km厚度的气辉发光强度和温度，具备一定的空间垂直分辨率。

本发明探测方法的探测光路将分为正入射光路和斜入射光路分别进行介绍。

1、参照图2，本发明探测方法正入射探测光路为：来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜1导入至光学窗口4中，在视场光阑3的物面上形成平面光源，随后从光学窗口4中心出射的发散光沿着纵轴以一定轴对称的圆锥角入射至菲涅尔透镜5上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜6的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下正入射至窄带干涉滤光片B13处，～被筛选后的特定波长λ _c1谱线的平行光通过镜头B14的作用被汇聚在CCD芯片B15的中心像素上，完成正入射光路透射光的探测；反射光会经过90°的转折从而沿横轴入射至窄带干涉滤光片A8，被筛选后的特定波长λ _c2谱线的平行光通过镜头A9的作用被汇聚在CCD芯片A10的中心像素上，完成正入射光路反射光的探测。

2、参照图3，本发明探测方法的斜入射探测光路为：来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜1导入至光学窗口4中，在视场光阑3的物面上形成平面光源，随后从光学窗口4边缘某一点出射的发散光以一定圆锥角入射至菲涅尔透镜5上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜6的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下斜入射至窄带干涉滤光片B13处，由于此时平行光束与窄带干涉滤光片B13入射面法线有一定的夹角，因此，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c1相比已经向短波方向移动了一段距离Δλ _c1-θ（纳米量级），出射的特定波长（λ _c1-Δλ _c1-θ）谱线的平行光通过镜头B14的作用被汇聚在CCD芯片B15的边缘像素上，完成斜入射光路透射光的探测；反射光会沿与透射光关于平面分光镜6对称的方向斜入射至窄带干涉滤光片A8，此时平行光束与窄带干涉滤光片A8入射面法线有一定的夹角，因此，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c2相比已经向短波方向移动了一段距离Δλ _c2-θ（纳米量级），被筛选后的特定波长（λ _c2-Δλ _c2-θ）谱线的平行光通过镜头A9的作用被汇聚在CCD芯片A10的边缘像素上，完成斜入射光路反射光的探测。从一维的观点来看，上述斜入射光路实际上是将视场光阑物面3任意点的发散光转变为相应角度的平行光，而由于斜入射角度是轴对称分布的，且视场光阑3物面为二维平面，因此，从二维的观点来看，斜入射光路实际上是将视场光阑3物面圆环所发出的发散光均转变为对应角度的平行光，而在最终的CCD芯片A10和CCD芯片B15上又再次聚焦并变为环，也即视场光阑3物面的环与CCD芯片A10和CCD芯片B15的环是一一对应的关系。

3、在CCD芯片A10和CCD芯片B15上最终获得的环形图像基础上，分别以CCD芯片A10和CCD芯片B15像面的中心为圆心，以一个像素为宽度，逐个计算出每一个环中所有像素的平均强度值，做出平均强度值与像素序号的曲线，这两条曲线即为本发明所需要探测的气辉发光强度。从HITRAN08分子光谱数据库可导出发光强度与温度的变化关系，温度分辨率为1K，因此，利用上述两条探测曲线与HITRAN08分子光谱数据库的曲线进行最小二乘拟合，当理论曲线与实际探测曲线差值最小时，便可唯一确定温度，即为本发明所需要探测的气辉温度。

Claims

1.双通道夜气辉成像温度光度计，包括纵轴部分和横轴部分：

纵轴部分从上至下设有指向镜（1）、旋转平台（2）、视场光阑（3）和光学窗口（4）、菲涅尔透镜（5）、平面分光镜（6）、恒温腔B（12）、镜头B（14）和CCD探测器B（16）；

其中，指向镜1安装在旋转平台（2）顶面，旋转平台（2）的底面安装设置视场光阑（3）和光学窗口（4），视场光阑（3）的通光孔密封嵌入光学窗口（4），平面分光镜（6）与纵轴部分成45°放置，窄带干涉滤光片B（13）设置在恒温腔B（12）中，在恒温腔B（12）的出口端放置镜头B（14），CCD探测器B（16）内设CCD芯片B（15），CCD芯片B（15）位于镜头B（14）的焦平面上；

横轴部分由左至右设置，包括依次设置在所述平面分光镜6右侧的恒温腔A（7）、镜头A（9）和CCD探测器A（11）；

其中恒温腔A（7）内设置窄带干涉滤光片A（8），CCD探测器A（11）内设CCD芯片A（10），CCD芯片A（10）位于镜头A（9）的焦平面上；

2.根据权利要求1所述的双通道夜气辉成像温度光度计，其特征是：所述视场光阑（3）、光学窗口（4）、菲涅尔透镜（5）、窄带干涉滤光片B（13）、镜头B（14）和CCD芯片B（15）沿纵轴同轴放置，且它们的中心光轴与纵轴重合；

窄带干涉滤光片A（8）、镜头A（9）和CCD芯片A（10）沿横轴同轴放置，且它们的中心光轴与横轴重合。

3.根据权利要求2所述的双通道夜气辉成像温度光度计，其特征是：其中光学窗口（4）至菲涅尔透镜（5）的距离、菲涅尔透镜（5）至窄带干涉滤光片B（13）的距离、菲涅尔透镜（5）至窄带干涉滤光片A（8）的距离，三个距离相等，均为菲涅尔透镜（5）的焦距。

4.根据权利要求1、2或3所述的双通道夜气辉成像温度光度计，其特征是：所述平面分光镜（6）的分光比为1:1。

5.根据权利要求4所述的双通道夜气辉成像温度光度计，其特征是：所述横轴部件被固定在外壳（19）上。

6.采用权利要求1所述温度光度计探测发光强度和温度的方法，该方法具体包括以下步骤：

1）正入射探测光路：调整旋转平台（2）至指向镜（1）反射的光正入射光学窗口（4），来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜（1）导入至光学窗口（4）中，在视场光阑（3）的物面上形成平面光源，从光学窗口（4）中心出射的发散光沿着纵轴入射至菲涅尔透镜（5）上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜（6）的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下正入射至窄带干涉滤光片B（13）处，被筛选后的波长λ _c1谱线的平行光通过镜头B（14）汇聚在CCD芯片B（15）的中心像素上，完成正入射光路透射光的探测；反射光会经过90°的转折从而沿横轴入射至窄带干涉滤光片A（8），被筛选后的波长λ _c2谱线的平行光通过镜头A（9）的汇聚在CCD芯片A（10）的中心像素上，完成正入射光路反射光的探测；

2）斜入射探测光路为：调整旋转平台（2）至指向镜（1）反射的光倾斜入射光学窗口（4），来自高层大气夜气辉光源的入射光被指向镜（1）倾斜导入至光学窗口（4）中，在视场光阑（3）的物面上形成平面光源，随后从光学窗口（4）边缘出射的发散光入射至菲涅尔透镜（5）上，随后被准直为平行光束并入射至平面分光镜（6）的上表面，导致以1:1的比例被分为透射光和反射光两部分；透射光仍然沿原来的路径继续向下斜入射至窄带干涉滤光片B（13）处，由于此时平行光束与窄带干涉滤光片B（13）入射面法线有0.01°～12°夹角，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c1相比已经向短波方向移动了距离Δλ _c1-θ，出射的波长（λ _c1-Δλ _c1-θ）谱线的平行光通过镜头B（14）的作用被汇聚在CCD芯片B（15）的对应像素上，完成斜入射光路透射光的探测；反射光会沿与透射光关于平面分光镜（6）对称的方向斜入射至窄带干涉滤光片A（8），此时平行光束与窄带干涉滤光片A（8）入射面法线有0.01°～12°夹角，因此，被筛选的谱线与正入射时波长λ _c2相比已经向短波方向移动了距离Δλ _c2-θ，被筛选后的特定波长（λ _c2-Δλ _c2-θ）谱线的平行光通过镜头A（9）汇聚在CCD芯片A（10）的对应像素上，完成斜入射光路反射光的探测；

3）以步骤1）和步骤2）的探测光路为基础，得出视场光阑（3）物面圆环所发出的发散光均转变为对应角度的平行光，在最终的CCD芯片A（10）和CCD芯片B（15）上又再次聚焦并变为明暗相间的环形图像；分别以CCD芯片A（10）和CCD芯片B（15）像面的中心为圆心，以一个像素为宽度，逐个计算出每一个环中所有像素的平均强度值，分别做出平均发光强度值与像素序号的曲线，这两条曲线即为本发明所探测的气辉发光强度。

7.根据权利要求6所述温度光度计探测发光强度和温度的方法，利用上述两条探测曲线与HITRAN08分子光谱数据库的曲线进行最小二乘拟合，经归一化处理，得出所需要探测的气辉温度。