CN103852809B - 一种地基f-p测风干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地基F-P测风干涉仪，包括：激光器（11）、散射箱（3）、二维扫描反射镜（1）、标准具（4）、接收系统和成像物镜（2），该成像物镜（2）包括缩束系统（6）、滤光片轮（5）和控焦镜组（19）；所述标准具（4）、缩束系统（6）、滤光片轮（5）和控焦镜组（19）沿光输出方向依次同轴排列；所述缩束系统（6）用于将干涉光束缩小口径；所述滤光片轮（5）用于控制光谱带宽；所述控焦镜组（19）用于控制成像物镜焦距，并将干涉光束成像到像面，从而产生干涉圆环。采用该结构，无论通过缩小焦距还是增大标准具口径来增大相对口径来提高系统信噪比，都不会增大滤光片尺寸，因而降低了成本和加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及风场测量技术领域，尤其涉及一种地基F-P测风干涉仪。
背景技术
地基F-P(Fabry-Perot)测风干涉仪是一款利用多普勒频移原理测量中高层大气风场的仪器。中高层大气风场是空间环境非常重要的指标参数，可以用于研究地球热层空气动力学特性，风场中的各类波动(潮汐波、行星波和重力波等)在大气能量和动量传输中扮演重要角色,广泛地影响着大气环流形式和大气结构的变化。由于Fabry-Perot测风干涉仪的光谱分辨率高，结构简单，探测距离远，所以在中高层大气测风领域得到了广泛的应用。
国外对地基F-P测风干涉仪的研究可追述到上世纪60年代。受当时的探测器类型限制，其关键元件标准具采用了压电陶瓷控制间隔。这种结构能够采集的干涉环个数少，所以探测精度低，并且可动部件降低了仪器的稳定性。随着探测技术的发展，制冷型二维CCD探测器的出现使系统结构简化，无需采用可调间隔的标准具就可以在像面处观察到干涉环。1993年美国匹兹堡大学研制了一款广角式地基F-P测风干涉仪，通过160°广角镜头探测多个方位的风速。采用广角式结构，干涉环为椭球形状，不利于后期的数据处理。2003年日本名古屋大学研制了一款扫描式F-P测风干涉仪。通过扫描空间不同方位，合成中高层大气风速。这种扫描式的结构虽然增加了运动部件，但扫描机构技术成熟，不会影响仪器稳定性。扫描式F-P干涉仪的干涉环为圆形，通过圆环积分和高斯拟合可以极大的提高信噪比和采样精度，进而提高测风精度，因而这种方式也是目前国际上采用较多的方式。2004年美国国家大气研究中心高海拔天文观测站也研制了一款扫描式F-P测风干涉仪，该仪器在前置光学系统做了改变，通过先缩束后扩束的方式来缩小滤光片尺寸。
目前地基F-P测风干涉仪按观察方式可分为两类：广角式和扫描式。广角式可利用广角透镜对全天空进行观察，其结构简单；但广角式产生的干涉环为椭圆形，不利于后期数据的拟合和积分，数据处理复杂。扫描式采用二维扫描镜分别对四个方位和天顶角进行观察。扫描式F-P干涉仪的优点是干涉环为圆形，数据拟合和积分简单，因而简化了数据处理的方法，增加了测量精度。目前报道较多的F-P干涉仪都为扫描式结构，其光学结构主要有以下三种：
第一种地基F-P测风干涉仪，如图1所示，其包括二维扫描反射镜1、滤光片轮5、望远物镜9、准直透镜10、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。望远物镜9将探测目标成像到像面处，然后经准直透镜10准直后产生平行光束。望远物镜9采用短焦距、大相对口径的结构，因而可以在前面放置小口径的滤光片轮5，实现多通道探测。该干涉仪的不足之处在于整体尺寸较大。
第二种地基F-P测风干涉仪，如图2所示，其结构包括二维扫描反射镜1、散射箱3、激光器11、缩束系统6、扩束系统7、滤光片轮5、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。该干涉仪增加了缩束系统6与扩束系统7，在两者之间放置滤光片轮5，可探测多个通道。由于缩小了光束尺寸，所以滤光片的口径不大，降低了成本。其定标方式与第一种地基F-P测风干涉仪相同。第二种地基F-P测风干涉仪的优点是仪器灵活性较大，可以探测多个波长，缺点是仪器整体尺寸较长，体积较大。
第三种地基F-P测风干涉仪，如图3所示，其结构包括二维扫描反射镜1、散射箱3、激光器11、滤波片轮5、标准具4、成像物镜2以及CCD相机（未图示）。其不存在望远物镜以及准直系统，所以整体结构简单紧凑，成本较低，所以适合多点布置，构建网络监控。但是该干涉仪只适合于单波长探测，信噪比的提高也受到滤光片口径的限制；若用于多波长探测，会导致滤光片轮尺寸变大，从而使制作成本上升。
上述三种结构的干涉仪，其中，第一种和第二种干涉仪适合多谱段探测，而第三种干涉仪适合单谱段探测。采用多个谱段的探测可以得到大气不同高度的风场信息。目前，在100km高度以下的大气风场，可以通过激光雷达和微波雷达测量。这类主动式探测方式信噪比高于地基F-P测风干涉仪。但是当探测高度大于100km时，由于大气密度降低，信号不能被反射回地面，因而无法测量。所以针对100km以上的高度还未有其他设备可替代地基F-P测风干涉仪。
上述第三种干涉仪虽然可用于单谱段探测，但其增大信噪比的方式为缩小焦距增大相对孔径，这样会导致干涉条纹个数增加。当干涉条纹个数增多时，边缘视场的干涉环半高宽将变窄，由于采样精度要求高，导致高斯拟合的精度降低，不利于干涉环的定位。而通过增大标准具口径来增大信噪比，需要大口径的滤光片，这类滤光片制作难度大，且增加了制作成本。
发明内容
本发明的目的在于，为解决上述三种地基F-P测风干涉仪存在的结构复杂、仪器体积大或由于采用大口径的滤光片，导致其制作难度及成本较高的问题，本发明提供一种紧凑型地基F-P测风干涉仪，该仪器改变了上述三种地基F-P测风干涉仪的光学结构，没有复杂的前置光学系统，缩小了整体尺寸和重量，降低了制作成本，有利于仪器在各种观测站的布置。
为实现上述目的，本发明提供一种地基F-P测风干涉仪，包括：激光器、散射箱、二维扫描反射镜、标准具和接收系统，所述激光器用于提供稳频光源；所述散射箱用于将激光散射，产生各向辐射强度均匀的面光源；所述二维扫描反射镜用于控制观测方向,将不同方向的面光源、气辉与极光反射到标准具；所述标准具用于产生干涉光束；所述接收系统用于接收干涉圆环并将其存储；所述地基F-P测风干涉仪还包括成像物镜，该成像物镜包括缩束系统、滤光片轮和控焦镜组；所述标准具、缩束系统、滤光片轮和控焦镜组沿光输出方向依次同轴排列；所述缩束系统用于将干涉光束缩小口径；所述滤光片轮用于控制光谱带宽；所述控焦镜组用于控制成像物镜焦距，并将干涉光束成像到像面，从而产生干涉圆环。
作为上述技术方案的进一步改进，所述地基F-P测风干涉仪还包括温度控制室，所述温度控制室包括加热层和封闭层，该加热层套设于封闭层内部；两层间隙采用阻燃保温橡塑海绵填充；所述标准具固定在加热层内部。
作为上述技术方案的进一步改进，所述标准具包括两块平行的玻璃平板，该玻璃平板的内表面镀有反射率为76%的反射膜，两块玻璃平板的内表面面形要求小于λ/200，λ=632.8nm，平行度小于20"。
作为上述技术方案的进一步改进，所述玻璃平板采用融石英材料制成。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的两块玻璃平板的间隔为15mm，有效通过口径为100mm；所述间隔采用微晶玻璃填充，用于控制间隔厚度，微晶玻璃的热膨胀系数为α=5x10-8。
作为上述技术方案的进一步改进，所述成像物镜的焦距为340mm，光圈F数为3.4，视场角为1.12°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述滤光片轮中的滤光片的光束口径为57mm；光线入射角度小于5°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的地基F-P测风干涉仪外部设有固定框架，该固定框架用于放置和固定地基F-P测风干涉仪；其顶部设有顶板，该顶板为二维扫描反射镜提供操作平台；所述固定框架的侧面设有侧面板，该侧面板为标准具、成像物镜以及接收系统提供操作平台；所以顶板和侧面板的厚度均为12mm；所述固定框架采用工业铝合金型材制成。
作为上述技术方案的进一步改进，所述散射箱内设聚四氟乙烯材料的圆筒，用于将激光光束散射；该散射箱的出射窗口设有毛玻璃，用于将圆筒内壁的散射光进一步发散，产生一个各向辐射强度均匀的面光源。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的接收系统包括CCD相机和调节机构；该调节机构包括底座和滑块，所述的底座为工字型空心结构，固定于侧面板上；所述滑块用于固定CCD相机，该滑块在底座上设有的矩形导轨内滑动。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
本发明的地基F-P测风干涉仪是将滤光片放置在标准具之后，成像物镜之内。通过在成像物镜内部缩小光束尺寸来缩小滤光片尺寸。采用该结构，无论通过缩小焦距还是增大标准具口径来增大相对口径来提高系统信噪比，都不会增大滤光片尺寸，因而降低了成本和加工难度。
附图说明
图1为现有的第一种扫描式地基F-P干涉仪内部结构示意图。
图2为现有的第二种扫描式地基F-P干涉仪内部结构示意图。
图3为现有的第三种扫描式地基F-P干涉仪内部结构示意图。
图4为本发明的一种地基F-P测风干涉仪的内部结构示意图。
图5为本发明中的标准具结构示意图。
图6为利用本发明的地基F-P测风干涉仪测量的干涉图。
图7为本发明的一种地基F-P测风干涉仪的光路图。
图8为本发明实施例中的一种地基F-P测风干涉仪的结构示意图。
图9为本发明实施例中的温度控制室的内部结构示意图。
图10为本发明实施例中的接收系统的结构示意图。
附图标记
1、二维扫描反射镜2、成像物镜3、散射箱
4、标准具5、滤光片轮6、缩束系统
7、扩束系统8、温度控制室9、望远物镜
10、准直透镜11、激光器12、玻璃平板
13、CCD相机14、滑块15、固定框架
16、侧面板17、顶板18、底座
19、控焦镜组20、加热层21、封闭层
22、调节机构23、螺孔
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种地基F-P测风干涉仪进行详细说明。
如图4所示，本发明的一种地基F-P测风干涉仪，包括：激光器11、散射箱3、二维扫描反射镜1、标准具4和接收系统，所述激光器11用于提供稳频光源；所述散射箱3用于将激光散射，产生各向辐射强度均匀的面光源；所述二维扫描反射镜1用于控制观测方向,将不同方向的面光源、气辉与极光反射到标准具4；所述标准具4用于产生干涉光束；所述接收系统用于接收干涉圆环并将其存储；所述地基F-P测风干涉仪还包括成像物镜2，该成像物镜2包括缩束系统6、滤光片轮5和控焦镜组19；所述标准具4、缩束系统6、滤光片轮5和控焦镜组19沿光输出方向依次同轴排列；所述缩束系统6用于将干涉光束缩小口径；所述滤光片轮5用于控制光谱带宽；所述控焦镜组19用于控制成像物镜焦距，并将干涉光束成像到像面，从而产生干涉圆环。
Fabry-Perot干涉仪是典型的多光束干涉仪，标准具作为系统的核心部件，其精度要求较高。标准具由两块内表面镀有反射率大约为76%反射膜的玻璃平板组成，两平板内表面严格平行，平面度一般在λ/100量级。基于上述地基F-P测风干涉仪，如图5所示，所述标准具4包括两块平行的玻璃平板12，该玻璃平板12的内表面镀有反射率为76%的反射膜，两块玻璃平板12的内表面面形要求小于λ/200（λ=632.8nm），平行度小于20"。如图6所示，本发明的地基F-P测风干涉仪利用高干涉级次实现高光谱分辨率，自由光谱范围窄，干涉条纹锐利。玻璃平板可采用融石英材料制成，其材料硬度较大。间隔材料为微晶玻璃，热膨胀系数小。由多普勒频移理论可知，频率变化和物体移动速度存在一定关系，而F-P干涉仪的干涉环半径和频率大小有关，所以通过干涉仪测得干涉环半径的变化，就可以反演出风速，风速和干涉环的关系为：
如图8所示，在本实施例中，本发明的地基F-P测风干涉仪主要针对250km高度风场探测，探测谱线为OI630nm。包括：二维扫描反射镜1、标准具、温度控制室8、成像物镜2、接收系统、激光器11、散射箱3和固定框架15。该测风干涉仪最终设计尺寸为580mmx350mmx1336mm，总质量约59Kg。以下将详细介绍各部件结构设计。
二维扫描反射镜可以实现俯仰360°，方位90°扫描。其驱动部件为步进电机，传动部件为皮带，定位部件为光学码盘。反射镜基底材料为融石英，一侧镀反射铝膜，另一侧镀硬质透射膜。硬质膜层可以保护反射镜表面，避免在清理表面时产生划痕。二维扫描镜在工作时要分别观测东、南、西、北以及天顶五个方向，通过矢量计算得到中高层大气的风场方向和风速大小。
标准具的作用为将入射光在其内部多次反射后进行多光束干涉。所述的标准具采用微晶玻璃控制间隔厚度；微晶玻璃的热膨胀系数为α=5x10-8。标准具中的两块玻璃平板间隔15mm，其平板反射率为0.76，有效通过口径为100mm。而温度的变化导致厚度间隔的变化，最终产生测量误差。通过计算可知，若保证测风精度，则温度应该控制在。为此，在本实施例中，通过温度控制室控制标准具的温度。
如图9所示，所述的温度控制室包括加热层20和封闭层21，两层间隙采用阻燃保温橡塑海绵填充；加热层20温度为30℃，通过电路控制，可以保证温度变化在±0.1℃之内。标准具及其密封部件被固定在加热层20内。温度控制室为方形箱体结构，有利于加工和装调。
成像物镜的作用为在像面处形成干涉环。成像物镜焦距为340mm，光圈F数为3.4，视场角为1.12°。系统工作波长为630nm，带宽2.5nm。在像面处可观测的条纹个数为10个，条纹定位精度为0.05像素，可以保证测风误差小于10m/s。如图8所示，所述的固定框架15用于放置和固定地基F-P测风干涉仪；其顶部设有顶板17，该顶板17为二维扫描反射镜提供操作平台；所述固定框架15的侧面设有侧面板16，该侧面板16为标准具、成像物镜2以及接收系统提供操作平台；所以顶板17和侧面板16的厚度均为12mm；所述固定框架15采用工业铝合金型材制成，其横截面尺寸为35mmX35mm；这种材料结构强大的，能够承受较大的应力。
如图7所示，成像物镜包括缩束系统6、滤光片轮5和控焦镜组19，共6片镜片。缩束系统6为开普勒结构，共2片镜片，可将光束口径缩小到57mm。当单色滤光片的口径大于76mm时，其制作难度将增大，因而价格较贵。采用这种方法可以在提高相对口径的情况下不增大滤光片的口径。滤光片为1片镜片，其口径为57mm，光线入射角度小于5°，可控制系统光谱带宽，中心波长为630nm，带宽为2.5nm。控焦镜组为3片镜片，用于控制成像物镜焦距和降低系统像差。所述的成像物镜通过两个L型支架固定到侧面板16上。
根据上述成像物镜进行实验所得结果表明，所有视场在40lp/mm的衍射调制传递函数（MTF）值都大于0.7，成像质量较高。
如图8所示，所述的接收系统包括CCD相机13和调节机构22；所述的CCD相机采用制冷型背照式CCD相机。像素为1024x1024，像元尺寸为13μmx13μm。相机在-70℃时的暗电流噪声为0.0004e/pixel/s,读出噪声为3e/pixel100kHz。当探测信号为10R(瑞利)，积分时间为300s时，单个像素的信噪比为1.55，第一个环积分信噪比为24。
由于相机重量约2.27Kg，因此普通的滑块或调节架无法在垂直状态下保证结构的稳定型，为了实现相机的固定和调焦，专门设计了一套调节机构。如图10所示，该调节机构包括底座18和滑块14，所述的底座18为工字型空心结构，固定于侧面板16上；所述滑块14用于固定CCD相机13，该滑块14在底座18上设有的矩形导轨内滑动。底座18的后端还设有一个螺孔23，利用普通螺钉即可调焦。
所述的激光器采用稳频氦氖激光器，波长为632.8nm，频率稳定性为1MHz/小时。定标光源提供零风速时的干涉环半径a，并结合公式（1）能够计算得出目标风速。激光从侧面入射到散射箱内，进行多次散射，产生一个面光源。散射箱内设聚四氟乙烯材料的圆筒，用于将激光光束散射。散射箱的出射窗口设有毛玻璃，用于将圆筒内壁的散射光进一步发散，产生一个各向辐射强度均匀的面光源。散射箱需固定到二维扫描反射镜入口附近。每次开机后，对系统进行标定，只需扫描镜对准散射箱出口即可。
总之，本发明的地基F-P测风干涉仪采用上述新型光学结构，在结构体积缩小的情况下，可以提高系统信噪比而不增加采样精度的要求，同时缩小了滤光片的尺寸，降低了制作成本。该地基F-P测风干涉仪能够方便的安装在各个天文观测站，实现更多区域的中高层大气风场探测，对大气动力学特性的研究有重要意义。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种地基F-P测风干涉仪，包括：激光器(11)、散射箱(3)、二维扫描反射镜(1)、标准具(4)和接收系统，所述激光器(11)用于提供稳频光源；所述散射箱(3)用于将激光散射，产生各向辐射强度均匀的面光源；所述二维扫描反射镜(1)用于控制观测方向,将不同方向的面光源、气辉与极光反射到标准具(4)；所述标准具(4)用于产生干涉光束；所述接收系统用于接收干涉圆环并将其存储；其特征在于，所述地基F-P测风干涉仪还包括成像物镜(2)，该成像物镜(2)包括缩束系统(6)、滤光片轮(5)和控焦镜组(19)；所述标准具(4)、缩束系统(6)、滤光片轮(5)和控焦镜组(19)沿光输出方向依次同轴排列；所述缩束系统(6)用于将干涉光束缩小口径；所述滤光片轮(5)用于控制光谱带宽；所述控焦镜组(19)用于控制成像物镜焦距，并将干涉光束成像到像面，从而产生干涉圆环。
2.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述地基F-P测风干涉仪还包括温度控制室(8)，所述温度控制室(8)包括加热层(20)和封闭层(21)，该加热层(20)套设于封闭层(21)内部；两层间隙采用阻燃保温橡塑海绵填充；所述标准具(4)固定在加热层(20)内部。
3.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述标准具(4)包括两块平行的玻璃平板(12)，该玻璃平板(12)的内表面镀有反射率为76％的反射膜，两块玻璃平板(12)的内表面面形要求小于λ/200，λ＝632.8nm，平行度小于20"。
4.根据权利要求3所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述玻璃平板(12)采用融石英材料制成。
5.根据权利要求3所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述的两块玻璃平板(12)的间隔为15mm，有效通过口径为100mm；所述间隔采用微晶玻璃填充，用于控制间隔厚度，微晶玻璃的热膨胀系数为α＝5x10-8。
6.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述成像物镜(2)的焦距为340mm，光圈F数为3.4，视场角为1.12°。
7.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述滤光片轮(5)中的滤光片的光束口径为57mm；光线入射角度小于5°。
8.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述的地基F-P测风干涉仪外部设有固定框架(15)，该固定框架(15)用于放置和固定地基F-P测风干涉仪；其顶部设有顶板(17)，该顶板(17)为二维扫描反射镜提供操作平台；所述固定框架(15)的侧面设有侧面板(16)，该侧面板(16)为标准具(4)、成像物镜(2)以及接收系统提供操作平台；所述顶板(17)和侧面板(16)的厚度均为12mm；所述固定框架(15)采用工业铝合金型材制成。
9.根据权利要求1所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述散射箱(3)内设聚四氟乙烯材料的圆筒，用于将激光光束散射；该散射箱的出射窗口设有毛玻璃，用于将圆筒内壁的散射光进一步发散，产生一个各向辐射强度均匀的面光源。
10.根据权利要求8所述的地基F-P测风干涉仪，其特征在于，所述的接收系统包括CCD相机(13)和调节机构(22)；该调节机构(22)包括底座(18)和滑块(14)，所述的底座(18)为工字型空心结构，固定于侧面板(16)上；所述滑块(14)用于固定CCD相机(13)，该滑块(14)在底座(18)上设有的矩形导轨内滑动。
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