CN104034421B - 双视场多普勒外差干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双视场多普勒外差干涉仪，以实现同时探测两相互垂直方位角目标光谱的Doppler频移信息。该双视场多普勒外差干涉仪，包括面向垂直视场设置的两个平面反射镜，两个平面反射镜上下错开，将光瞳分成上下两半区域，两个平面反射镜的水平投影的两直线夹角为45°；在两个平面反射镜的后方沿光路依次设置有一个棱镜、一个扩视场棱镜、一个衍射光栅、成像光学系统以及面阵探测器；棱镜中，两个30°-60°-90°直角棱镜拼接在一起的短直角面面向扩视场棱镜，其中一个直角棱镜的斜边侧面面向所述两个平面反射镜，两个平面反射镜的反射面与所述斜边侧面的夹角均为67.5°。

Description

双视场多普勒外差干涉仪

技术领域

本发明涉及一种多普勒外差干涉仪。

背景技术

一、多普勒外差干涉仪基本原理的数学表达式

大气风场测量目标是上层大气中自然形成的亚稳态原子氧禁戒跃迁中所辐射的两条单谱线O(¹S)和O(¹D)，其波长分别为557.7nm和630.0nm。亚稳态原子氧在跃迁前同周围气体分子发生多次碰撞，并与周围大气形成热平衡，形成了共同的温度和整体速度。根据Doppler效应，探测到的携带有风场信息的谱线中心频率将产生频移，即Δλ/λ＝Δσ/σ＝v/c。依据这一关系，通过测量谱线的Doppler频移量即可反演出上层大气的运动速度。

多普勒外差干涉仪将Michelson干涉仪中两臂的平面反射镜分别用与光轴有一定倾角且位置固定的衍射光栅代替，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(仪器布局和光栅参数确定后，β的大小仅与入射的波数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。

$I\left(x\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\text{\∫}}}B\left(\mathrm{\σ}\right)[1+\cos \{2\mathrm{\π}\left[4(\mathrm{\σ}-{\mathrm{\σ}}_L)\tan {\mathrm{\θ}}_L\right]\·[x+\frac{\mathrm{\Δd}}{2{\tan \mathrm{\θ}}_L}]\left\}\right]\mathrm{d\σ}---\left(1\right)$

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：

$I\left(x\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\text{\∫}}}B\left(\mathrm{\σ}\right)[1+\cos \{2\mathrm{\π}\left[4(\mathrm{\σ}+\mathrm{\Δ\σ}-{\mathrm{\σ}}_L)\tan {\mathrm{\θ}}_L\right]\·[x+\frac{\mathrm{\Δd}}{2{\tan \mathrm{\θ}}_L}]\left\}\right]\mathrm{d\σ}---\left(2\right)$

则在探测器象元x＝0位置，相位变化量：

由(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

多普勒空间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。该系统只用单一视场，一次曝光只能测量一个方位角入射的目标谱线的Doppler频移。

发明内容

本发明提供了一种双视场多普勒外差干涉仪，以实现同时探测两相互垂直方位角目标光谱的Doppler频移信息。

为实现以上发明目的，本发明提出以下技术方案。

双视场多普勒外差干涉仪，特别包括面向垂直视场设置的两个平面反射镜，两个平面反射镜上下错开，将光瞳分成上下两半区域，两个平面反射镜的水平投影(“水平投影”是相对于“垂直视场”的概念，即两个平面反射镜投影在与两镜面法线平行的平面上)的两直线夹角为45°，以接收方位角相差90°的目标准直光束；

在两个平面反射镜的后方沿光路依次设置有一个分光棱镜、一个扩视场棱镜、一个衍射光栅、成像光学系统以及面阵探测器；所述分光棱镜采用棱镜，由两个30°-60°-90°直角棱镜沿长直角面胶合而成，胶合面作为分光面镀有半透半反膜；两个30°-60°-90°直角棱镜拼接在一起的短直角面面向所述扩视场棱镜，其中一个30°-60°-90°直角棱镜的斜边侧面面向所述两个平面反射镜，两个平面反射镜的反射面与所述斜边侧面的夹角均为67.5°，使得：

两个入射的目标准直光束经平面镜反射后的水平投影重合，在空间上二者相互独立，均经棱镜分成两束强度相等的光平行出射，进入扩视场棱镜，到达衍射光栅，经衍射光栅衍射后的光束再沿原路返回进入扩视场棱镜、棱镜，经棱镜这两束强度相等的光合束出射，波前叠加产生Fizeau型干涉条纹，经成像光学系统成像在面阵探测器上。

基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：

上述衍射光栅采用一级闪耀光栅。

上述面阵探测器采用CCD探测器。

上述成像光学系统包括依次设置的两个成像镜组和一个柱面镜镜组，其中柱面镜镜组仅在垂直方向有光焦度。

上述两个成像镜组将定域干涉条纹(即“Fizeau型干涉条纹”)以1:1的比例成像在面阵探测器处。

本发明具有以下优点：

(1)采用两个指向镜，不需要运动部件即可获取两个相互垂直方位目标光谱的Doppler频移量。由于没有运动部件，卫星扫描过程中，双视场多普勒干涉仪一直处于有效工作状态，不会出现如单一视场多普勒干涉仪工作时的周期性漏扫目标区域带。

(2)采用棱镜作为分光镜，沿光轴方向，两束强度相等的光束将平行出射，进入扩视场棱镜、衍射光栅。这样可使两光路共用一个扩视场棱镜和一个衍射光栅，实现干涉仪一体化、小型化设计。同时，两光路共用扩视场棱镜和衍射光栅降低了系统装调的难度。

(3)柱面镜的使用使干涉图条纹在有条纹周期的一维(x方向)保持放大率为1，另一维(y方向，即垂直方向)图像压缩，使能量集中，并使整个系统在垂直视场(xy平面)内有空间分辨能力。

本发明创新点：

双视场多普勒外差干涉仪中采用两个指向镜，避免使用动镜扫描的方式获得方位角相差90°的两目标光谱Doppler频移量。卫星扫描过程中，双视场多普勒外差干涉仪一直处于有效工作状态，卫星扫描过的区域没有漏探测区域带。

附图说明

图1为现有技术的多普勒外差干涉仪结构示意图。

图2为本发明的双视场多普勒外差干涉仪结构示意图。

图3为两个指向镜空间布局示意图。

考虑到干涉仪整个光学系统附图线条较多，为简洁起见，没有再以标引线的方式对各部件做数字标号，而是直接在相应部件旁做简单文字注释。

具体实施方式

双视场多普勒外差干涉仪，包括两个指向镜、一个分光棱镜、一个扩视场棱镜、一个衍射光栅、两个成像镜组、一个柱面镜镜组、探测器。如图2所示。

结构组成说明：

(1)指向镜：指向镜一和指向镜二均为平面反射镜，两镜上下错开，投影在两镜面法线方向所确定的平面上呈两交叉直线，且夹角为45°，如图1所示。两个指向镜在空间的布局如图3所示。相应的，通常需要有两处望远系统、干涉仪入瞳以及准直系统，指向镜一和指向镜二设置于相应的准直系统后方。

(2)分光棱镜：分光棱镜位于指向镜后，采用棱镜，由两个30°-60°-90°直角棱镜沿长直角面胶合而成，分光面上镀有半透半反膜。垂直于棱镜斜边侧面入射的光束，经分光面分成两束光，分别在两斜边侧面发生全反射，均垂直于短直角面出射。

(3)扩视场棱镜：扩视场棱镜位于分光棱镜和衍射光栅之间，是一块固定楔角的光楔。

(4)衍射光栅：衍射光栅的放置保证外差波数沿光轴以θ_L角入射到衍射光栅上，又以θ_L角原方向衍射回来。为实现系统的小型化、简单化设计，衍射光栅选普通闪耀光栅(一级闪耀光栅)为宜。

(5)成像镜组：成像镜组一的前焦平面在光栅像附近，成像镜组二的后焦平面在探测器处，成像镜组一的后焦平面与成像镜组二的前焦平面重合。

(6)柱面镜组：柱面镜组位于成像镜组二和探测器之间，仅在y方向有光焦度。

(7)探测器：探测器位于柱面镜组焦平面处，采用面阵CCD探测器。

各组件功能说明：

(1)两个指向镜使方位角相差90°的目标光谱同时进入干涉仪。

(2)分光棱镜使进入干涉仪的光在分光面处分成两束等强度的光，分光面处一束透射，一束反射。

(3)扩视场棱镜使与光轴有一定夹角的光栅的像垂直于光轴，增大系统视场，提高干涉仪系统的辐射通量和系统灵敏度。

(4)衍射光栅使入射的目标光谱以一定的角度偏转反射进入扩视场棱镜。

(5)成像镜组一和成像镜组二将定域干涉条纹以1:1的比例成像在探测器处。

(6)柱面镜组将干涉图的像在y方向压缩，成像在探测器上，不改变x方向的放大率。如图2所示。

(7)面阵探测器接收干涉图的像。

工作原理：

两个指向镜将光瞳分成上下两半区域，对于上半区域入射的光谱线，经棱镜分成两束强度相等的光平行出射，进入扩视场棱镜，到达衍射光栅。经衍射光栅衍射后的光束反射回到扩视场棱镜，进入棱镜。在干涉仪出瞳处两光束波前叠加，产生Fizeau型干涉条纹，经成像镜和柱面镜成像在面阵探测器上。同理，经下半区域入射的光谱线所产生的干涉条纹成像在探测器上，二者相互独立且没有重叠区。

在卫星扫描的过程中，每一个目标区域都在两个相互垂直方向上被先后观测。认为两次观测时间间隔内，被观测区域的风场信息未发生变化。合成同一区域两次观测所得的风场标量，即可得到该区域的水平风场矢量。

需要说明的是，采用棱镜作为分光镜，基础光程差Δd不宜做得过大，否则将导致较大的结构尺寸和重量。本发明较适合以630.0nm为目标谱线。

Claims (5)

1.双视场多普勒外差干涉仪，其特征在于：包括面向垂直视场设置的两个平面反射镜，两个平面反射镜上下错开，将光瞳分成上下两半区域，两个平面反射镜的水平投影的两直线夹角为45°，以接收方位角相差90°的目标准直光束；

在两个平面反射镜的后方沿光路依次设置有一个分光棱镜、一个扩视场棱镜、一个衍射光栅、成像光学系统以及面阵探测器；所述分光棱镜采用棱镜，由两个30°-60°-90°直角棱镜沿长直角面胶合而成，胶合面作为分光面镀有半透半反膜；两个30°-60°-90°直角棱镜拼接在一起的短直角面面向所述扩视场棱镜，其中一个30°-60°-90°直角棱镜的斜边侧面面向所述两个平面反射镜，两个平面反射镜的反射面与所述斜边侧面的夹角均为67.5°，使得：

两个入射的目标准直光束经平面镜反射后的水平投影重合，在空间上二者相互独立，均经棱镜分成两束强度相等的光平行出射，进入扩视场棱镜，到达衍射光栅，经衍射光栅衍射后的光束再沿原路返回进入扩视场棱镜、棱镜，经棱镜这两束强度相等的光合束出射，波前叠加产生Fizeau型干涉条纹，经成像光学系统成像在面阵探测器上。

2.根据权利要求1所述的双视场多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述衍射光栅采用一级闪耀光栅。

3.根据权利要求1所述的双视场多普勒外差干涉仪，其特征在于：面阵探测器采用CCD探测器。

4.根据权利要求1所述的双视场多普勒外差干涉仪，其特征在于：所述成像光学系统包括依次设置的两个成像镜组和一个柱面镜镜组，其中柱面镜镜组仅在垂直方向有光焦度。

5.根据权利要求4所述的双视场多普勒外差干涉仪，其特征在于：两个成像镜组将定域干涉条纹以1:1的比例成像在面阵探测器处。