CN106769884A - 天底和临边共光路一体化光学系统 - Google Patents

天底和临边共光路一体化光学系统 Download PDF

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Abstract

天底和临边共光路一体化光学系统，涉及空间光学技术领域，解决现有空间大气遥感探测模式单一,导致探测获得的信息不完整，难以满足使用要求等问题，天底临边成像仪包括前置透镜组、全景环形透镜、中继透镜组、窄带滤光片和CCD探测器。对于天底视场，全景环形透镜相当于厚透镜，天底视场的光束先经前置透镜组压缩光束口径，再经全景环形透镜和中继透镜组成像与CCD探测器上。对于临边视场，光线先经过全景环形透镜成一虚像，中继透镜组把全景环形透镜所成的虚像放大后成像到CCD探测器上。本发明能实现天底10°和临边360°全方位探测，并利用六种窄带滤光片选取六个波段，提高了探测信息的完整度和痕量气体的反演精度，适用于航天大气遥感领域。

Description

天底和临边共光路一体化光学系统
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，具体天底和临边共光路一体化的光学系统。
背景技术
大气遥感探测具有三种探测方式，天底探测方式，掩日/月探测方式和临边探测方式。其中，天底探测方式采取直接从天顶向下探测的方式，掩日/月探测模式是在太阳升起或落下时探测地平方向上的透射光，临边探测模式采取探测临边高度方向上痕量气体散射的太阳辐射。典型的采用典型的天底探测方式的遥感仪器有TOMS、SBUV、GOME、OMI等。采用掩日/月探测模式的遥感仪器有POAMⅡ、SAGEⅢ等。采用临边探测模式的有OSIRIS、SCIAMACHY和OMPS等。这三种探测方式分别有自己的优势和不足。其中，天底探测模式可以用来探测痕量气体的总量，但难以探测气体随高度变化的信息。掩日/月探测模式和临边探测模式具有较高的垂直分辨率，但难以探测痕量气体的总量分布。这些单一的探测模式，虽然也取得了一定的成果，但由于探测模式单一，探测所得的信息不完整，难以适应将来的定量遥感，不能满足空间大气遥感的应用要求。因此，只有将多种探测模式相结合，才能达到最佳化的科学观测的目的。
发明内容
本发明为解决现有空间大气遥感探测模式单一导致探测获得的信息不完整，难以满足使用要求等问题，提供一种天底和临边共光路一体化光学系统。
天底和临边共光路一体化光学系统，包括天底临边成像仪，所述天底临边成像仪包括依次同轴设置的前置透镜组、全景环形透镜、中继透镜组、窄带滤光片和CCD探测器，所述天底临边成像仪中的窄带滤光片的工作波段不同；用于工作在不同的探测波段；地球天底场景依次经前置透镜组、全景环形透镜和中继透镜组成像在CCD探测器上；
临边场景经全景环形透镜成一虚像，中继透镜组把全景环形透镜所成的虚像以-0.5～3的放大倍率成像到CCD探测器上。
本发明的有益效果：本发明所述的天底和临边共光路一体化光学系统，利用全景环形透镜实现360°全方位临边大气观测，利用前置透镜组实现天底视场的大气观测。采用六个波段，提高了探测和反演精度。
成像仪利用一个窄带滤光片选择一个探测波段。对于临边视场，光线先经过全景环形透镜成一虚像，中继透镜组把全景环形透镜所成的虚像以恰当的放大倍率成像到CCD探测器上，在CCD探测器上得到一个360°的环形图像，环形图像的径向方向对应临边高度方向，径向信号的强弱反应等大气痕量气体随临边高度变化的信息。
对于天底视场，全景环形透镜相当于一个厚透镜，光线经前置透镜组压缩光束口径之后，进入全景环形透镜，之后经中继透镜组将天底视场光束成像于CCD探测器上，在探测器上得到一个圆形中心亮斑，反应大气痕量气体的总量分布。利用获得的环形图像和中心亮斑，可以反演出痕量气体的垂直高度信息和总量分布，进而为大气科学、地球物理研究、灾害预警等提供服务。
本发明将天底观测模式和临边观测模式相结合，可以有效解决探测模式单一，探测信息不完整的问题。
附图说明
图1为本发明所述的天底和临边共光路一体化光学系统的结构示意图：
图2为本发明所述的天底和临边共光路一体化光学系统中全景环形透镜的结构示意图；
图中，1、前置透镜组，2、全景环形透镜，3、中继透镜组，4、窄带滤光片，5、CCD探测器，a、天底视场入射面，b、临边视场入射面，c、第一反射面，d、场第二反射面，e、出射面。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，天底和临边共光路一体化光学系统，包括天底临边成像仪，所述天底临边成像仪包括前置透镜组1、全景环形透镜2、中继透镜组3、窄带滤波片4和CCD探测器5；所述前置透镜组1、全景环形透镜2、中继透镜组3、窄带滤光片4和CCD探测器5的中心轴在同一直线上。
对于临边视场，目标场景先经全景环形透镜2成一虚像，中继透镜组3把全景环形透镜2所成的虚像以-0.5～3的放大倍率成像到CCD探测器5上。
对于天底视场，目标场景先经前置透镜组1压缩光束口径，接着透射进入全景环形透镜2和中继透镜组3成像到CCD探测器5上。对于这两个视场，窄带滤光片4均放置在中继透镜组3与CCD探测器5之间，用来选择要探测的波段。天底临边全景成像仪采用不同的窄带滤波片，其余组件相同。
本实施方式对天底和临边视场的三个紫外波段和三个可见波段同时探测，提高了探测信息的完整性和反演精度，适用于航天大气遥感领域。所述天底临边成像仪的工作波段不同，采用的窄带滤光片4各不相同，六个窄带滤光片4的透射波段分别对应全景成像仪的六个工作波段。
本实施方式所述的前置透镜组1的透镜数N1的范围在3≤N1≤5之间，例如可以由两片正透镜和两片负透镜组成，用于压缩进入全景环形透镜的入射光线角。光线进入前置透镜组1的初始位置到全景环形透镜2的距离d1的范围在36≤d1≤45之间。
本实施方式中，对于天底视场，所述全景环形透镜2的天底视场入射面a和出射面e均为透射面，相当于一个厚透镜，对于临边视场，所述全景环形透镜2的临边视场入射面b采用光焦度为正的球面，第一反射面c和第二反射面d是光焦度为负的球面，出射面e为平面，采用的光学材料为熔石英。
所述第二反射面d的曲率半径R2与第一反射面c的曲率半径R1满足：2.8R1≤R2≤3.2R1。所述全景环形透镜2与窄带滤光片4之间的距离d2的范围是为65mm≤d2≤73mm。
本实施方式中所述的中继透镜组3包含的透镜数N的范围是：7≤N≤10。所述窄带滤光片4与CCD探测器5之间的距离d3的范围是为7mm≤d3≤13mm。窄带滤光片4的带宽Δλ满足：4nm≤Δλ≤25nm。
本实施方式所述的前置透镜组1和中继透镜组3，采用的光学材料均为熔石英。
具体实施方式二，结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的天底和临边共光路一体化光学系统的实施例：
本实施方式中，天底临边成像仪为六波段小型的光学系统，采用该系统对地球临边大气进行天底10°和临边360°全方位探测，该系统预计工作在轨道高度H＝400km的卫星平台上，六个波段的中心波长分别为265nm、295nm、360nm、540nm、602nm、664nm，带宽分别为20nm、15nm、6nm，6nm、6nm、6nm，与六个窄带滤光片的中心波长和带宽对应。天底临边全景成像仪的天底视场10°，临边视场为360°×(70.7°～73.5°)，对应的地球临边高度范围为0～100km。天底临边成像仪的前置透镜组1由四片熔石英透镜组成，采用正负透镜组合的方式。全景环形透镜2的光学材料为熔石英，入射面是光焦度为正的球面，第一个和第二个反射面是光焦度为负的球面，曲率半径R1和R2分别为-18.21mm和-55mm，出射面为平面。中继透镜组3由九片熔石英透镜组成。前置透镜组1、全景环形透镜2、中继透镜组3、窄带滤光片4和CCD探测器5的中心轴在同一直线上。天底视场孔径光阑到全景环形透镜距离为41mm，全景环形透镜与窄带滤光片之间的距离d2为69mm，窄带滤光片4与CCD探测器5之间的距离d3为10mm。可同时获取天底10°和临边360°大气的图像。
本实施方式通过对获取的中心亮斑和环形图像的数据处理，可以反演处大气痕量气体的总量信息和和随临边高度的分布信息，为污染监测、气候研究和灾害预警等服务。
上述所述实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

Claims (10)

1.天底和临边共光路一体化光学系统，包括天底临边成像仪，所述天底临边成像仪包括依次同轴设置的前置透镜组(1)、全景环形透镜(2)、中继透镜组(3)、窄带滤光片(4)和CCD探测器(5)；其特征是，所述天底临边成像仪中的窄带滤光片(4)的工作波段不同；用于工作在不同的探测波段；
地球天底场景光线依次经前置透镜组(1)、全景环形透镜(2)和中继透镜组(3)成像在CCD探测器上；
临边场景光线经全景环形透镜(2)成一虚像，中继透镜组(3)把全景环形透镜(2)所成的虚像放大后成像到CCD探测器(5)上。
2.根据权利要求1所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述前置透镜组(1)包括正透镜和负透镜，负透镜数N1的范围在2≤N1≤5之间。
3.根据权利要求2所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，光线进入前置透镜组(1)的初始位置到全景环形透镜(2)的距离d1的范围在36≤d1≤45之间。
4.根据权利要求3所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，对于天底视场，所述全景环形透镜(2)的天底视场入射面(a)和出射面(e)均为透射面，相当于厚透镜；
对于临边视场，所述全景环形透镜(2)的临边视场入射面(b)采用光焦度为正的球面，第一反射面(c)和第二反射面(d)是光焦度为负的球面，出射面(e)为平面；
第二反射面(d)的曲率半径R2与第一反射面(c)的曲率半径R1满足：2.8R1≤R2≤3.2R1。
5.根据权利要求4所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述全景环形透镜(2)与窄带滤光片(4)之间的距离d2的范围是为65mm≤d2≤73mm。
6.根据权利要求5所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述窄带滤光片(4)与CCD探测器(5)之间的距离d3的范围是为7mm≤d3≤13mm。
7.根据权利要求6所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述窄带滤光片(4)的带宽Δλ满足：4nm≤Δλ≤25nm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述前置透镜组(1)和中继透镜组(3)采用的光学材料均为熔石英。
9.根据权利要求8所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，所述中继透镜组(3)包含的透镜数N的范围是：7≤N≤10。
10.根据权利要求9所述的天底和临边共光路一体化光学系统，其特征在于，全景环形透镜(2)所成的虚像以-0.5～3的放大倍率在CCD探测器(5)上成像。
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