CN108896483A - 一种光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱探测系统，包括多角度双波段望远镜组、光纤传像束和高分辨率光谱仪，多角度双波段望远镜组将多角度双波段辐射成像在像面上，光纤传像束的第一端位于所述多角度双波段望远镜组的焦面上，光纤传像束的第二端与所述高分辨率光谱仪的入射狭缝对应，光纤传像束用于将像面上的成像传递到高分辨率光谱仪的入射狭缝上，高分辨率光谱仪将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面上；其中，多角度双波段望远镜组包括至少两个角度不同的第一波段望远镜和至少两个角度不同的第二波段望远镜。本发明提供的光谱探测系统，能够满足多角度、双波段需求，提高了仪器的信息获取能力，减小了仪器的体积和重量。

Description

一种光谱探测系统

技术领域

本发明涉及大气光谱辐射探测技术领域，尤其涉及一种光谱探测系统。

背景技术

在大气光谱辐射探测领域，气溶胶、水汽、云是影响全球变化和大气能量循环的三个主要参量，通过对三个参量时空分布数据的长期积累，可以更好的理解、预测和评估由人类活动对全球变化的影响，以及人类如何改变生活、生产方式更好的去适应和调控气候变化的趋势。气溶胶、水汽、云的光谱探测是一种重要的探测方式，即通过高分辨率辐射光谱与大气气溶胶、水汽、云之间的物理关系，建立由光谱测量到大气要素的反演方法。而现有的大气光谱探测系统只能对单一角度、单一波段内的辐射进行同时光谱探测，不能满足气溶胶、水汽、云等多角度、双波段同时探测的需求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够满足多角度、双波段需求的光谱探测系统，提高了仪器的信息获取能力，减小了仪器的体积和重量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种光谱探测系统，包括多角度双波段望远镜组、光纤传像束和高分辨率光谱仪，所述多角度双波段望远镜组将多角度双波段辐射成像在像面上，所述光纤传像束的第一端位于所述多角度双波段望远镜组的焦面上，所述光纤传像束的第二端与所述高分辨率光谱仪的入射狭缝对应，所述光纤传像束用于将像面上的成像传递到高分辨率光谱仪的入射狭缝上，所述高分辨率光谱仪将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面上；其中，所述多角度双波段望远镜组包括至少两个角度不同的第一波段望远镜和至少两个角度不同的第二波段望远镜。

一些实施例中，所述多角度双波段望远镜组安装在二维转台上，所述二维转台的转动可带动所述多角度双波段望远镜组的转动。

一些实施例中，所述多角度双波段望远镜组为像方远心结构，所述第一波段望远镜和第二波段望远镜为透射式望远镜。

一些实施例中，所述第一波段望远镜和第二波段望远镜包括设置在前端的通滤光片。

一些实施例中，所述光纤传像束的光纤为广域石英光纤，所述光纤的芯径为0.02mm～1mm。

一些实施例中，所述高分辨率光谱仪包括沿光线传输方向依次设置的入射狭缝、消杂光光阑、准直镜、平面光栅组、平面折转镜、成像镜、离轴倾斜透镜、棱镜、探测器窗口和探测器像面。

一些实施例中，所述平面光栅组包括刻线密度不同的第一平面光栅和第二平面光栅，所述第一平面光栅和第二平面光栅呈预设夹角设置。

一些实施例中，所述高分辨率光谱仪将像面上的成像调整为第一波段和第二波段，所述第一波段的入射角和衍射角之和与所述第二波段的入射角和衍射角之和相等。

一些实施例中，所述准直镜和所述成像镜均为球面镜，所述成像镜的曲率半径与所述准直镜的曲率半径的比值为0.9～1.1。

一些实施例中，所述二维转台的跟踪精度小于或等于0.1°。

本发明的有益效果在于：利用多角度双波段望远镜组收集光谱辐射，利用光纤传像束将多角度双波段望远镜组的像面上所成的像传递到高分辨率光谱仪的入射狭缝上，光纤传像束的光纤端面在入射狭缝上排列，形成光纤密排狭缝，高分辨率光谱仪将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面上。能够满足同时探测气溶胶、水汽、云等多角度、双波段的需求，提高了仪器的信息获取能力，减小了仪器的体积和重量。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，光谱探测系统的整体结构示意图。

图2是本发明一个实施例中，高分辨率光谱仪的光路结构示意图。

图3是本发明一个实施例中，入射狭缝的示意图。

图4是本发明一个实施例中，探测器像面上的双波段光谱成像分布图。

附图标记：

光谱探测系统 100；一号第一波段望远镜 1a；二号第一波段望远镜 1b；三号第一波段望远镜 1c；一号第二波段望远镜 1d；二号第二波段望远镜 1e；三号第二波段望远镜1f；光纤传像束 2；二维转台 3；高分辨率光谱仪 4；入射狭缝 4a；消杂光光阑 4b；准直镜4c；第一平面光栅 4d-1；第二平面光栅 4d-2；平面折转镜 4e；成像镜 4f；离轴倾斜透镜4g；棱镜 4h；探测器窗口 4i；探测器像面 4j。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1至附图4详细说明一下本发明提供的光谱探测系统100。

如图1所示，本发明一个实施例中，公开了一种光谱探测系统100，包括多角度双波段望远镜组、光纤传像束2和高分辨率光谱仪4，所述多角度双波段望远镜组将多角度双波段辐射成像在像面上，所述光纤传像束2的第一端位于所述多角度双波段望远镜组的焦面上，所述光纤传像束2的第二端与所述高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a对应，所述光纤传像束2用于将像面上的成像传递到高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上，所述高分辨率光谱仪4将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面4j上；其中，所述多角度双波段望远镜组包括至少两个角度不同的第一波段望远镜和至少两个角度不同的第二波段望远镜。

利用多角度双波段望远镜组收集光谱辐射，利用光纤传像束2将多角度双波段望远镜组的像面上所成的像传递到高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上，光纤传像束2的光纤端面在入射狭缝4a上排列，形成光纤密排狭缝，高分辨率光谱仪4将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面4j上。能够满足同时探测气溶胶、水汽、云等多角度、双波段的需求，提高了仪器的信息获取能力，减小了仪器的体积和重量。

此外，多角度双波段探测系统可以听更多的独立信息量，在相同光谱分辨率和信噪比情况下，多角度观测比单一角度观测所获取的信息多2-3个变量。多角度双波段探测可以提供气溶胶粒子分布的有效方差，可以提供更多的关于气溶胶廓线信息。

在本发明中，通过高分辨率光谱仪4将多角度双波段望远镜组所成的像分双波段成像在同一探测器像面4j上，实现光谱探测系统100的高分辨率光谱探测，并且无光谱混叠。

此外，光纤传像束2的第二端的多个光纤的端面在高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上排列，形成光纤密排狭缝，不同的光纤端面对应不同角度的第一波段望远镜或第二端面望远镜。光纤密排狭缝上，经过高分辨率光谱仪4所成的光谱像彼此分开，无混叠。

该实施例中，所述多角度双波段望远镜组安装在二维转台3上，所述二维转台3的转动可带动所述多角度双波段望远镜组的转动。通过二维转台3的转动，实现多角度双波段望远镜组进行多角度双波段高分辨率光谱的扫描和探测。

本发明中，多角度双波段望远镜组为像方远心结构，所述第一波段望远镜和第二波段望远镜为透射式望远镜。其中，透射式望远镜的透镜数量为2-10个。

第一波段望远镜和第二波段望远镜包括设置在前端的通滤光片。通过通滤光片的设置，进行透射波段选择，将收集到的光谱辐射调整为两个波段的辐射，即双波段辐射。

其中，第一波段望远镜和第二波段望远镜为工作波段不同的两组。

在本实施例中，光纤传像束2的光纤为广域石英光纤，所述光纤的芯径为0.02mm～1mm。

上述实施例中，高分辨率光谱仪4包括沿光线传输方向依次设置的入射狭缝4a、消杂光光阑4b、准直镜4c、平面光栅组、平面折转镜4e、成像镜4f、离轴倾斜透镜4g、棱镜4h、探测器窗口4i和探测器像面4j。

其中，高分辨率光谱仪4在平面光栅组和成像镜4f之间利用平面折转镜4e进行光路折叠。高分辨率光谱仪4的探测器利用离轴倾斜透镜4g和棱镜4h的组合，来控制主光线与探测器像面4j垂直，以减小背照式探测器由于双光束干涉而产生的条纹。

平面光栅组包括刻线密度不同的第一平面光栅4d-1和第二平面光栅4d-2，所述第一平面光栅4d-1和第二平面光栅4d-2呈预设夹角设置。第一平面光栅4d-1和第二平面光栅4d-2为色散元件。

高分辨率光谱仪4将像面上的成像调整为第一波段和第二波段，所述第一波段的入射角和衍射角之和与所述第二波段的入射角和衍射角之和相等。

所述准直镜4c和所述成像镜4f均为球面镜，所述成像镜4f的曲率半径与所述准直镜4c的曲率半径的比值为0.9～1.1。

所述二维转台3的跟踪精度小于或等于0.1°。同时，该二维转台3具有太阳自动跟随功能和/或人工交互观测功能。

本发明的一个具体实施例，如图1至图4所示，公开了一种光谱探测系统100，包括多角度双波段望远镜组、光纤传像束2、二维转台3和高分辨率光谱仪4。

其中，多角度双波段望远镜组包括一组第一波段望远镜和一组第二波段望远镜，一号第一波段望远镜1a、二号第一波段望远镜1b、三号第一波段望远镜1c、一号第二波段望远镜1d、二号第二波段望远镜1e和三号第二波段望远镜1f，上述六个望远镜均置于二维转台3上。一号第一波段望远镜1a、二号第一波段望远镜1b和三号第一波段望远镜1c的工作波段为氧气A带758-778nm；一号第二波段望远镜1d、二号第二波段望远镜1e和三号第二波段望远镜1f的工作波段为水汽吸收带758-880nm。其中，一号第一波段望远镜1a和一号第二波段望远镜1d的观测角度相同，均为0°；二号第一波段望远镜1b和二号第二波段望远镜1e的观测角度相同，均为15°；三号第一波段望远镜1c和三号第二波段望远镜1f的观测角度相同，均为22.5°。三个角度、两个波段经过6个望远镜分别成像在各自的焦面上，利用光纤传像束2传递到高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上，光纤传像束2的第一端至于6个望远镜的焦面上，第二端在高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上排列，形成光纤密排狭缝。

如图2所示，从入射狭缝4a出射的光经过消杂光光阑4b入射到准直镜4c上，经准直镜4c准直后入射到平面光栅组上，758-778nm波段的光入射到第一光栅上，758-880nm波段的光入射到第二光栅上，从第一光栅和第二光栅出射的衍射光束入射到同一平面折转镜4e上，折转后传递至同一成像镜4f上，经过成像镜4f聚焦成像，再经过离轴倾斜透镜4g和棱镜4h校正后，分双波段成像在同一探测器像面4j上。双波段中心波长的入射角和衍射角之和相等。即：i1+θ1＝i2+θ2。其中，i1、θ1分别为第二波段(758-880nm)中心波长的入射角和衍射角，i2、θ2分别为第一波段(758-778nm)中心波长的入射角和衍射角。

如图3所示，在入射狭缝4a上，758-880nm的第二波段，3个光纤端面的中心坐标分别为(-0.3,8.9)、(-0.3,5.5)、(-0.3,2)；758-778nm的第一波段，3个光纤端面的中心坐标分别为(-0.3,8.9)、(0.3,-5.5)、(0.3,-2)。为防止在入射狭缝4a长度方向上产生光谱混叠，6个光纤端面在入射狭缝4a长度方向上彼此分开排布；为防止两个波段的光谱相互混叠，第一波段和第二波段对应的光纤端面中心在狭缝宽度方向上分开一定的距离，距离为0.6mm。对应6个光纤端面，在消杂光光阑4b上，对应6个光纤端面，设置6个透射区域，其余部分挡光。6个透射区域的中心坐标分别为(-0.425,8.9)、(-0.425,5.5)、(-0.425,2)，(0.425,-2)、(0.425,-5.5)、(0.425,-8.9)，每个透光区域尺寸0.25mm×1.04mm。消杂光光阑4b与入射狭缝4a的距离3.34mm。

如图4所示，三个角度双波段辐射在高分辨率光谱仪4的探测器像面4j上分双波段成像。光谱像4、光谱像5、光谱像6对应的工作波段为758-778nm，758-778nm的第一波段，在探测器像面4j上的色散宽度为17.3272mm，线色散率为dλ1/dl1＝1.154nm/mm。758～880nm的第二波段，在探测器像面4j上的色散宽度为22.0338mm，线色散率为dλ2/dl2＝5.5369nm/mm。三个角度双波段光谱在探测器像面4j上彼此分开，无光谱混叠。

其中第一波段为图3中的波段2，第二波段为图3中的波段1。

准直镜4c为球面准直镜4c，曲率半径1196.7mm，第一光栅的刻线密度为1200g/mm，第二光栅的刻线密度为300g/mm。成像镜4f为球面成像镜4f，曲率半径1275.09mm。离轴倾斜透镜4g的曲率半径为83.31mm和65.27mm，离轴15.446mm，倾斜20°，棱镜4h顶角11.946°。探测器像面4j尺寸22.528mm×22.528mm，探测器窗口4i为熔石英窗口，与探测器像面4j的距离为5.41mm。经离轴倾斜透镜4g和棱镜4h校正后，主光线与探测器像面4j垂直。

本实施方式可以同时对多角度双波段进行共像面的超精细光谱分辨率成像，例如对波段758nm-778nm和758nm-880nm两个波段的分辨率分别为0.04nm和0.18nm。这种多角度双波段、不同分辨率、共光路、共探测器的光谱成像方式，极大的减小了系统的体积和重量，减少了光学元件数量，实现了传统上多个光谱仪实现的功能，从而降低了光谱观测成本，有利于促进光谱探测领域的发展。

本发明所述的光谱探测系统100，利用多角度双波段望远镜组分成两组来获得双波段的辐射信息，利用光纤传像束2将多角度双波段的信息传递到高分辨率光谱仪4的入射狭缝4a上，光纤传像束2的第二端在入射狭缝4a上排列成光纤密排狭缝，两个波段分别利用放在同一光路中的刻线密度不同的光栅色散，利用消杂光光阑4b限制光束口径，避免光谱混叠。使用同一光路和同一探测器进行多角度双波段同时成像，避免了精密光栅切换机构的使用，增加了仪器的稳定性，缩小了仪器体积。本发明采用多角度双波段共探测器的探测方式，可以同时探测多个角度两个的超精细光谱，具有了传统上多台光谱仪的作用，减小了光谱仪器的体积和使用成本。满足了大气光谱探测等领域多角度双波段同时探测的需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光谱探测系统，包括多角度双波段望远镜组、光纤传像束和高分辨率光谱仪，所述多角度双波段望远镜组将多角度双波段辐射成像在像面上，所述光纤传像束的第一端位于所述多角度双波段望远镜组的焦面上，所述光纤传像束的第二端与所述高分辨率光谱仪的入射狭缝对应，所述光纤传像束用于将像面上的成像传递到高分辨率光谱仪的入射狭缝上，所述高分辨率光谱仪将像面上的成像分双波段成像在同一探测器像面上；其特征在于，所述多角度双波段望远镜组包括至少两个角度不同的第一波段望远镜和至少两个角度不同的第二波段望远镜。

2.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述多角度双波段望远镜组安装在二维转台上，所述二维转台的转动可带动所述多角度双波段望远镜组的转动。

3.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述多角度双波段望远镜组为像方远心结构，所述第一波段望远镜和第二波段望远镜为透射式望远镜。

4.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述第一波段望远镜和第二波段望远镜包括设置在前端的通滤光片。

5.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述光纤传像束的光纤为广域石英光纤，所述光纤的芯径为0.02mm～1mm。

6.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述高分辨率光谱仪包括沿光线传输方向依次设置的入射狭缝、消杂光光阑、准直镜、平面光栅组、平面折转镜、成像镜、离轴倾斜透镜、棱镜、探测器窗口和探测器像面。

7.根据权利要求6所述的光谱探测系统，其特征在于，所述平面光栅组包括刻线密度不同的第一平面光栅和第二平面光栅，所述第一平面光栅和第二平面光栅呈预设夹角设置。

8.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述高分辨率光谱仪将像面上的成像调整为第一波段和第二波段，所述第一波段的入射角和衍射角之和与所述第二波段的入射角和衍射角之和相等。

9.根据权利要求6所述的光谱探测系统，其特征在于，所述准直镜和所述成像镜均为球面镜，所述成像镜的曲率半径与所述准直镜的曲率半径的比值为0.9～1.1。

10.根据权利要求2所述的光谱探测系统，其特征在于，所述二维转台的跟踪精度小于或等于0.1°。