CN103984038B - 星载扫描型大气临边层析探测系统 - Google Patents

星载扫描型大气临边层析探测系统 Download PDF

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Abstract

星载扫描型大气临边层析探测系统，涉及空间光学领域，解决了现有星载大气临边探测系统存在的临边水平方向覆盖范围小、积分时间不能调节、信噪比低的问题。入射光束由扫描镜反射至孔径光阑上，经孔径光阑出射后再经望远镜成像、平面折转镜折叠成像至入射狭缝上，经入射狭缝出射后再经准直镜准直成平行光束入射至非球面光栅上，经非球面光栅色散后再经球面成像镜成像、平场‑级次选择组件聚焦成像至焦平面探测器上，扫描镜转轴方向与入射狭缝长度方向平行，入射狭缝长度方向与临边水平方向平行，入射狭缝宽度方向与临边高度方向平行，增大了临边水平方向覆盖范围，可以把临边水平方向覆盖范围增大到几十公里量级，信噪比高、光谱分辨率高、重量轻。

Description

星载扫描型大气临边层析探测系统
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种星载扫描型大气临边层析探测系统。
背景技术
大气层是地球气候与环境的主要载体和活动舞台，也是空间天气和环境的重要组成部分。对它进行遥感探测从而发现和理解其中的整体行为和相互作用，一直是地球和空间科学家共同的目标。通过大气探测,可以了解大气层的臭氧、气溶胶、大气密度等的垂直分布及其变化，同时可以监测整个中层大气的状态与扰动。对紫外大气背景数据获取、对大气上下层相互作用的过程研究以及了解太阳活动、空间天气与地球天气气候的定量关系等具有十分重要的科学意义。
星载大气临边探测比天底探测具有更高的垂直分辨率，可以更好地探测出O3、NO2等大气成分的垂直分布信息，因此成为空间和大气探测领域发展的热点和前沿。目前，国际上现有的典型大气临边探测仪器有美国的航天飞机臭氧临边散射试验仪(SOLSE)和臭氧绘图和廓线仪(OMPS)，二者的特点是狭缝长度方向沿临边高度方向，狭缝宽度方向沿临边水平方向，不对临边进行扫描，因此二者都是对大气临边水平方向某一方位的一个窄条进行探测，临边水平方向的探测范围小于1km，另外在可见-近红外波段，不同临边高度的光谱辐亮度信号差别很大，在0～100km临边高度范围内，光谱辐亮度的差别达到106量级，为使CCD探测器不饱和，积分时间由最大信号决定，积分时间的大小不能调节。受CCD探测器自身动态范围的限制，二者的有效探测范围仅为0～60km，临边高度60～100km范围内的信号由于信噪比太低，无法有效探测。因此迫切需要解决现有的星载大气临边探测系统临边水平方向覆盖范围小、积分时间不能调节，信噪比低的问题。
发明内容
为了解决现有星载大气临边探测系统存在的临边水平方向覆盖范围小、积分时间不能调节、信噪比低的问题，本发明提供一种星载扫描型大气临边层析探测系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
星载扫描型大气临边层析探测系统，包括扫描镜、孔径光阑、望远镜、平面折转镜、入射狭缝、准直镜、非球面光栅、成像镜、平场-级次选择组件和焦平面探测器，所述扫描镜的旋转轴方向与入射狭缝的长度方向平行，入射狭缝的长度方向与临边水平方向平行，入射狭缝的宽度方向与临边高度方向平行，入射狭缝位于望远镜的焦面上；
入射光束由扫描镜反射至孔径光阑上，经孔径光阑出射后再经望远镜成像、平面折转镜折叠成像至入射狭缝上，经入射狭缝出射后再经准直镜准直成平行光束入射至非球面光栅上，经非球面光栅色散后再经球面成像镜成像、平场-级次选择组件聚焦成像至焦平面探测器上。
所述扫描镜为一维扫描镜，其中心与孔径光阑中心的间距d1满足：30mm≤d1≤70mm。
所述孔径光阑中心与望远镜中心的间距d2与望远镜的焦距ft之间满足：1.01ft≤d2≤1.05ft。
所述望远镜为离轴抛物面镜，其相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5，ft为望远镜的焦距。
所述望远镜中心与平面折转镜中心的间距d3满足：0.8ft≤d3≤0.95ft，ft为望远镜的焦距。
所述准直镜为离轴抛物面镜，其焦距fc和离轴量均与望远镜的焦距ft和离轴量相等。
所述非球面光栅的面形为奇次多型式，其曲率半径rg满足：rg≥2000mm，二次项系数Kg满足：-2.5≤Kg≤1，离轴量hg满足：25mm≤hg≤35mm，入射角ig满足：20°≤ig≤30°。
所述球面成像镜为离轴球面反射镜，其离轴量hi满足:30mm≤hi≤40mm，曲率半径r8满足：170mm≤r8≤300m。
所述平场-级次选择组件由平场球面透镜、直角棱镜和级次选择滤光片组成，所述平场球面透镜用于校正系统像差，直角棱镜用于折转光线，级次选择滤光片用于消除系统杂散光。
所述焦平面探测器为二维面阵列探测器。
本发明的有益效果是：
1、扫描镜转轴方向与入射狭缝长度方向平行，入射狭缝长度方向与临边水平方向平行，入射狭缝宽度方向与临边高度方向平行，增大了临边水平方向覆盖范围，可以把临边水平方向覆盖范围增大到几十公里量级。
2、利用扫描镜对不同临边高度方向进行扫描层析成像，当扫描镜扫描到不同临边高度时，可以根据此时扫描到的不同临边高度的信号大小调节焦平面探测器的积分时间，从而提高信噪比。
3、望远镜和准直镜均为离轴抛物面镜，采用非球面光栅作为色散元件，色散均匀，光谱分辨率高、结构简单、重量轻。该星载扫描型大气临边层析探测系统特别适合空间大气遥感应用。
附图说明
图1为本发明的星载扫描型大气临边层析探测系统的结构示意图。
图2为平场-级次选择组件的结构示意图。
图中，1、扫描镜，2、孔径光阑，3、望远镜，4、平面折转镜，5、入射狭缝，6、准直镜，7、非球面光栅，8、球面成像镜，9、平场-级次选择组件，a、平场球面透镜，b、直角棱镜，c、级次选择滤光片，10、焦平面探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的星载扫描型大气临边层析探测系统，利用扫描镜1对大气临边逐层扫描来实现大气临边层析探测，包括扫描镜1、孔径光阑2、望远镜3、平面折转镜4、入射狭缝5、准直镜6、非球面光栅7、球面成像镜8、平场-级次选择组件9和焦平面探测器10。扫描镜1的旋转轴方向与入射狭缝5的长度方向平行，入射狭缝5的长度方向与临边水平方向平行，入射狭缝5的宽度方向与临边高度方向平行，入射狭缝5位于望远镜3的焦面上，如图1所示，平行于x轴方向的一维为光谱色散方向，平行于z轴方向的一维为狭缝像的长度方向。望远镜3与平面折转镜4的反射面相对排列，平面折转镜4的反射面与准直镜6的反射面相对排列，准直镜6的反射面与非球面光栅7的衍射面相对排列，非球面光栅7的衍射面与球面成像镜8的反射面相对排列，球面成像镜8的反射面与平场-级次选择组件9的入射面相对排列，平场-级次选择组件9的出射面与焦平面探测器10相对排列。
入射光束经扫描镜1反射后入射到孔径光阑2上，从孔径光阑2出射后经望远镜3成像并经平面折转镜4折叠后成像到入射狭缝5上，从入射狭缝5出射后入射到准直镜6上，经准直镜6准直后变成平行准直光束入射到非球面光栅7上，经非球面光栅7色散后入射到球面成像镜8上，经球面成像镜8成像再经平场-级次选择组件9聚焦成像到焦平面探测器10上。
本实施方式中，扫描镜1为一维扫描镜，其旋转轴平行于y轴。扫描镜1沿临边高度方向进行扫描，扫描临边高度范围为0～100km，扫描角度范围为1.8°，临边高度方向和临边水平方向的空间分辨率均为1km，大气临边散射光辐射。扫描镜1中心与孔径光阑2中心的间距d1满足：30mm≤d1≤70mm。
本实施方式中，孔径光阑2的口径优选为43mm×43mm，孔径光阑2中心与望远镜3中心的间距d2与望远镜3的焦距ft之间满足：1.01ft≤d2≤1.05ft。
本实施方式中，望远镜3为离轴抛物面镜，望远镜3的焦距ft优选为301.244mm。望远镜3的相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5。望远镜3的离轴量优选为41.51mm。
本实施方式中，准直镜6为离轴抛物面镜，准直镜6的焦距fc和离轴量均与望远镜3的焦距ft和离轴量相等。
本实施方式中，望远镜3中心与平面折转镜4中心的间距d3满足：0.8ft≤d3≤0.95ft，ft为望远镜3的焦距。
本实施方式中，入射狭缝5尺寸优选为3.94mm×0.09mm。
本实施方式中，非球面光栅7采用微晶材料制成，其面形为奇次多型式。非球面光栅7的曲率半径rg≥2000mm，曲率半径rg优选为3501.337mm。非球面光栅7的二次项系数Kg满足：-2.5≤Kg≤1，二次项系数Kg优选为-1。非球面光栅7离轴使用，离轴方向为y方向，离轴量hg满足：25mm≤hg≤35mm，离轴量hg优选为33.12mm。非球面光栅7的色散方向为x方向，入射角ig满足：20°≤ig≤30°，入射角ig优选为25°。
本实施方式中，球面成像镜8为离轴球面反射镜，球面成像镜8的离轴量hi满足:30mm≤hi≤40mm，离轴量hi优选为36.26mm。球面成像镜8的曲率半径r8满足：170mm≤r8≤300m，曲率半径r8优选为219.27mm。
本实施方式中，平场-级次选择组件9由一块平场球面透镜a、一块直角棱镜b和一片级次选择滤光片c组成，平场球面透镜a为双凸透镜，用于校正系统像差，直角棱镜b用于折转光线，级次选择滤光片c用于消除系统杂散光。
本实施方式中，焦平面探测器10为二维面阵列探测器，平行于x轴方向的一维为光谱维，平行于z轴方向的一维为空间维。焦平面探测器10的像元尺寸优选为26mm×26μm，像元数优选为1024×256，光谱分辨率优选为1nm。
本发明的星载扫描型大气临边层析探测系统的工作波段为280nm～800nm，预计工作在轨道高度为830km的卫星平台上，瞬时视场角为0.75°×0.017°，对应大气临边为43km(临边水平方向)×1km(临边高度方向)，扫描镜在临边高度方向扫描，临边高度方向可覆盖0～100km。利用扫描型大气临边层析探测系统测得的临边不同层次的光谱辐亮度信号，结合大气临边反演算法，可以反演出O3、NO2等大气痕量气体的垂直分布信息，从而为天气预报和大气环境监测服务。

Claims (9)

1.星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，包括扫描镜(1)、孔径光阑(2)、望远镜(3)、平面折转镜(4)、入射狭缝(5)、准直镜(6)、非球面光栅(7)、成像镜(8)、平场-级次选择组件(9)和焦平面探测器(10)，所述扫描镜(1)的旋转轴方向与入射狭缝(5)的长度方向平行，入射狭缝(5)的长度方向与临边水平方向平行，入射狭缝(5)的宽度方向与临边高度方向平行，入射狭缝(5)位于望远镜(3)的焦面上；
入射光束由扫描镜(1)反射至孔径光阑(2)上，经孔径光阑(2)出射后再经望远镜(3)成像、平面折转镜(4)折叠成像至入射狭缝(5)上，经入射狭缝(5)出射后再经准直镜(6)准直成平行光束入射至非球面光栅(7)上，经非球面光栅(7)色散后再经球面成像镜(8)成像、平场-级次选择组件(9)聚焦成像至焦平面探测器(10)上；
所述孔径光阑(2)中心与望远镜(3)中心的间距d2与望远镜(3)的焦距ft之间满足：1.01ft≤d2≤1.05ft。
2.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述扫描镜(1)为一维扫描镜，其中心与孔径光阑(2)中心的间距d1满足：30mm≤d1≤70mm。
3.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述望远镜(3)为离轴抛物面镜，其相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5，ft为望远镜(3)的焦距。
4.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述望远镜(3)中心与平面折转镜(4)中心的间距d3满足：0.8ft≤d3≤0.95ft，ft为望远镜(3)的焦距。
5.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述准直镜(6)为离轴抛物面镜，其焦距fc和离轴量均与望远镜(3)的焦距ft和离轴量相等。
6.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述非球面光栅(7)的面形为奇次多型式，其曲率半径rg满足：rg≥2000mm，二次项系数Kg满足：-2.5≤Kg≤1，离轴量hg满足：25mm≤hg≤35mm，入射角ig满足：20°≤ig≤30°。
7.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述球面成像镜(8)为离轴球面反射镜，其离轴量hi满足:30mm≤hi≤40mm，曲率半径r8满足：170mm≤r8≤300m。
8.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述平场-级次选择组件(9)由平场球面透镜(a)、直角棱镜(b)和级次选择滤光片(c)组成，所述平场球面透镜(a)用于校正系统像差，直角棱镜(b)用于折转光线，级次选择滤光片(c)用于消除系统杂散光。
9.根据权利要求1所述的星载扫描型大气临边层析探测系统，其特征在于，所述焦平面探测器(10)为二维面阵列探测器。
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