CN108982425B - 一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，该装置包括光片座，所述光片座上设置有多个通道，其中一个通道安装有作为判断是否离焦的光片，所述光片座的其他通道上设置有用于昼夜检测恒星大气透过率和水汽柱含量的光片。该发明的优点在于：本发明同时安装了实现昼夜检测大气透过率和水汽柱含量的滤光片和判断成像是否离焦的光片，这样在测量大气透过率和水汽柱含量的观测过程中使用光楔镜片来判断成像是否离焦，从而实现同一系统克服昼夜/季节温差的影响实现准确检测昼夜大气透过率和昼夜水汽柱含量。

Description

一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置

技术领域

本发明涉及机械及光学领域，尤其是一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置。

背景技术

目前实时获取整层大气透过率和水汽柱含量的方法是白天利用太阳辐射计观测太阳实时测量整层大气透过率和水汽柱含量，夜晚利用恒星辐射计观测恒星实时测量整层大气透过率，但尚没有夜晚观测恒星测量水汽柱含量的报道。两种测量方法各自存在不足：对于太阳辐射计，在仰角过低时低仰角透过率并不能代表其他仰角的大气透过率，并且太阳辐射计信标光源单一，在低仰角天区有云时太阳辐射计测量数据受云层影响大，所测量透过率并不能代表高仰角无云天区的透过率；对于恒星辐射计，目前公开报道的恒星辐射计仅能在夜晚工作。在整层大气湍流强度较弱的晨昏时刻，由于太阳刚升起仰角过低，但此时天空背景已经变亮，太阳辐射计和恒星辐射计均不能够合理的给出整层大气透过率，也就不能够得到准确的水汽柱含量。因此，目前尚缺乏一种能够昼夜兼顾同时测量整层大气透过率和水汽柱含量的方法。

同时，利用接收望远镜观测恒星需要探测面与焦面重合以保证星光成像的能量集中度，提高成像信噪比。但是由于昼夜温差大温度变化会引起接收望远镜成像离焦，导致成像信噪比下降甚至导致在白天不能正常提取星光信号强度。为此昼夜观测恒星需要解决成像系统的离焦问题。

发明内容

为了克服上述现有技术，为此，本发明提供一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，该装置包括光片座，所述光片座上设置有多个通道，其中一个通道安装有作为判断是否离焦的光片，所述光片座的其他通道上设置有用于昼夜检测恒星大气透过率和水汽柱含量的光片。

优化的，在接收恒星光的光路上依次设置有接收望远镜和探测器，所述光片座设置在接收望远镜和探测器的光路之间，在工作时，多个光片的中轴线交替与接收望远镜和探测器之间的光路重合；装置还包括电脑，电脑与探测器电连接。

优化的，判断是否离焦的光片包括两片同一直径大小的半圆形第一楔镜和第二楔镜，第一楔镜和第二楔镜的拼接线均与第一楔镜、第二楔镜的楔角方向、摄入光片内的光轴方向垂直，且第一楔镜和第二楔镜的楔角方向相反，第一楔镜和第二楔镜靠近拼接线处的厚度大于外边缘处的厚度。

优化的，光片座上每个通道中心到光片座的中心相等，安装判断是否离焦的光片的通道中心到光片座中心的连线与拼接线垂直或平行。

优化的，安装判断是否离焦的光片的通道内还安装有截止波长为0.5～0.6微米范围内的第二长波通滤光片，所述第二长波通滤光片与第一楔镜平行设置。

优化的，所述光片座的其他通道的其中一通道内设置截止波长不低于980nm的第一长波通滤光片。

优化的，其他通道剩余的通道还一一对应设置有波长为500nm的窄带滤光片、波长为676nm的窄带滤光片、波长为870nm的窄带滤光片、波长为940nm的窄带滤光片。

优化的，所述光片座为滤轮，所述滤轮的中心设置有驱动滤轮绕滤轮中心转动的第一驱动机构。

优化的，所述接收望远镜与探测器之间还设置有用于延长成像焦距的延焦镜。

优化的，所述探测器下方设置有使探测器在光轴方向上来回移动的导轨和第二驱动机构。

本发明的优点在于：

(1)本发明安装实现昼夜检测大气透过率和水汽柱含量的光片还通过在光片座上安装判断是否离焦的光片，这样在大气透过率和水汽柱含量的替换过程中使用光片来判断成像是否离焦，从而实现同一系统检测昼夜大气透过率和昼夜水汽柱含量。

(2)两个半圆形楔镜对将一束光分割为出射方向独立的两束光，两束光在焦平面成双像，由于双像间距与楔角和系统焦距有关，在系统焦距改变时双像间距发生变化，因此双像间距为自动调焦系统提供成像系统是否离焦的判据。

(3)本发明在安装判断是否离焦的光片的通道上还安装有截止波长为0.5～0.6微米范围内的第二长波通滤光片用来抑制白天观测时的天空背景，提高成像信噪比。

(4)由于恒星的亮度低、白天天空背景亮度偏高，本发明光片子组使用一长波通滤光片来提高成像信噪比，进而提高成像是否离焦的判断准确性。

(5)本发明通过波长为500nm的窄带滤光片、波长为676nm的窄带滤光片、波长为870nm的窄带滤光片和截止波长为1000nm的长波通滤光片来实现昼夜单个设备大气透过率的检测，通过波长为870nm的窄带滤光片、波长为940nm的窄带滤光片、截止波长为1000nm的长波通滤光片来实现昼夜水汽柱含量的检测。

(6)本发明通过滤轮和驱动滤轮转动的第一驱动机构来替换与光轴重合的通道，在系统工作时，安装滤光片的通道停留在光轴时探测器测量星光经过大气后的窄带辐射强度，通过数据标定得到对应波长的大气透过率和水汽柱含量；在安装楔镜的通道停留在光轴时，根据探测器上的双像间距判断系统是否离焦、控制自动调焦系统工作。

(7)本发明通过延焦镜来延长成像的焦距，起到降低整个系统接收视场角进而抑制白天天空背景的作用。

(8)第二驱动机构通过滤轮上的第一楔镜和第二楔镜产生双像的成像间距作为判断，从而驱动导轨上的探测器移动到相应的位置，进而动态校正温差引起的成像离焦。

(9)本发明在接收望远镜前面不加观澜，而是直接使用滤轮和延焦镜配合的方式，这样白天观测时成像信噪比高，机械实现简单，并且有利于提高成像信噪比。

(10)本发明利用楔镜对光线的偏折作用，设计两片半圆形楔镜将一束光分割为两束光；由于两束光在探测面成像的间距与楔角大小和楔镜与探测面的距离成正比，因此根据所成双像的间距来判断探测器是否偏离系统焦面，通过自动调焦结构保持双像间距与在焦面成像时的间距相同即可保持探测器在焦面成像。本发明综合采用了光谱滤波技术、楔镜分光技术和动态调焦技术，能够保证探测面与系统焦面重合进而实现各通道信号强度的准确测量。因此，昼夜观测恒星能够同时实现整层的多波长大气透过率和水汽柱含量的连续观测，实现了利用一种设备实时测量昼夜特别是晨昏时段大气透过率与水汽柱含量。

附图说明

图1为本发明一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置的光路示意图。

图2为本发明一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置中滤轮设计示意图。

图3为探测器量子效率、整层带起透过率仿真和长波通滤光片曲线图。

图4为本发明中第一楔镜和第二楔镜的主视图。

图5为本发明中第一楔镜和第二楔镜的侧视图。

图中标注符号的含义如下：

1-接收望远镜2-延焦镜3-滤轮

31-波长为500nm的窄带滤光片32-波长为676nm的窄带滤光片

33-波长为870nm的窄带滤光片34-波长为940nm的窄带滤光片

35-第一长波通滤光片

4-第一驱动机构 5-探测器 6-导轨 7-第二驱动机构 8-电脑

91-第一楔镜 92-第二楔镜 93-拼接线 94-第二长波通滤光片

具体实施方式

如图1所示，一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，包括接收望远镜1、延焦镜2、滤轮3、第一驱动机构4、探测器5、导轨6、第二驱动机构7、电脑8。其中第一驱动机构4和第二驱动机构7均为步进电机。探测器5为硅基底探测器5，硅基底探测器5上的电荷耦合器件安装在望远镜与延焦镜2的等效焦面处。

星光被接收望远镜1接收后经过延焦镜2、滤轮3的一个通道后被探测器5接收，探测器5接收信号通过电脑8处理得到整层大气透过率和水汽柱含量。所述探测器5为硅基底的CCD，所述延焦镜2安装在望远镜1和滤轮3之间。滤轮3安装在延焦镜2和探测器5之间，滤轮3采用多通道设计。滤轮3旋转轴与光轴平行，第一驱动机构4控制滤轮3的旋转。滤轮3各通道安装有不同的光学镜片，通过旋转滤轮3实现探测器5测量不同光谱特征的星光信号进而实现多波长大气透过率和水汽柱含量的测量。探测器5安装在导轨6上，导轨6移动方向与光轴平行，步进电机7通过控制导轨6实现探测器5沿着光轴前后移动。探测器5沿着导轨6前后移动以保证探测器5的探测面始终在光学系统(望远镜1和延焦镜2)的焦面处。

如图2所示，昼夜观测恒星整层大气透过率与水汽同步测量方法所设计的滤轮3及光片子组的安装方式为：

本发明的滤轮3包括中心离滤轮3中心距离相等的六个通道。其中五个通道内一一对应安装有波长为500nm的窄带滤光片31、波长为676nm的窄带滤光片32、波长为870nm的窄带滤光片33，波长为940nm的窄带滤光片34、截止波长不低于980nm的第一长波通滤光片35。其中窄带滤光片的带宽均为10nm。在该实施例中，第一长波通滤光片35截止波长为1000nm。

通过波长为500nm的窄带滤光片31、波长为676nm的窄带滤光片32、波长为870nm的窄带滤光片33和截止波长为1000nm的第一长波通滤光片35来实现昼夜单个设备大气透过率的检测，通过波长为870nm的窄带滤光片33、波长为940nm的窄带滤光片34、截止波长为1000nm的第一长波通滤光片35来实现昼夜水汽柱含量的检测。

光路通过波长为500nm的窄带滤光片31、波长为676nm的窄带滤光片32、波长为870nm的窄带滤光片33时，装置实现对应波长窄带信号光的探测。探测器5将得到的窄带信号强度传输到电脑8内，电脑8通过Langley法标定即可三个非水汽吸收通道气溶胶透过率的测量。该方法与太阳辐射计设计方法相同。Langley法标定为公开经典的标定方法，在此不做介绍。

波长为940nm窄带滤光片34实现对包含水汽吸收、气溶胶消光在内的大气透过率测量。波长为940nm窄带滤光片34结合波长为870nm的窄带滤光片33、截止波长为1000nm的第一长波通滤光片35测量的星光透过率，然后电脑8利用改进的Langley法标定能够得到整层大气水汽柱含量。

如图4和图5所示，光片包括两片同一直径大小的半圆形第一楔镜91和第二楔镜92，第一楔镜91和第二楔镜92的拼接线93均与第一楔镜91、第二楔镜92的楔角方向、摄入光片内的光轴方向垂直，光轴与拼接线93的交点位于拼接线93的中点处，且第一楔镜91和第二楔镜92的楔角方向相反，第一楔镜91和第二楔镜92靠近拼接线93处的厚度大于外边缘处的厚度。安装判断是否离焦的光片通道的中心到滤轮3中心的连线与拼接线93垂直或平行。在该实施例中，为了降低在安装时对滤轮3旋转角度的重复定位的精度要求，安装判断是否离焦的光片的通道的中心到滤轮3中心的连线与拼接线93垂直。

所述安装判断是否离焦的光片的通道上还安装有截止波长为0.5～0.6微米范围内的第二长波通滤光片94，所述第二长波通滤光片94与第一楔镜91平行设置。该截止波长为0.5～0.6微米范围内的第二长波通滤光片94用来抑制白天观测时天空背景，提高成像信噪比。

第一楔镜91、第二楔镜92将望远镜接收的一束光分为出射方向不同的两束光，两束光在探测器5成双像，双像的成像位置为探测器5在导轨6上移动提供调节依据；长波通滤光片用来抑制白天观测时的天空背景，提高成像信噪比。

在上述实施例中，第一长波通滤光片35截止频率的选取依据如下：

如图3所示，利用硅基底探测器5量子效率在近红外的截止响应波长作为该通道的长波截止方向，即得到第一长波通滤光片35截止波长。

硅基底探测器5在星光波长为1微米时的量子效率远低于可见光波段的量子效率并且随着波长增加量子效率迅速下降；探测器5接收到1微米左右的波长的星光辐射也远低于可见光波段，因此在白天观测时该通道的成像亮度远低于可见光波段，需要提高成像亮度以提高成像信噪比。

通过数值仿真，在星光的辐射信号波长大于1微米时水汽线吸收对透过率的影响非常小：以水汽柱含量大的中纬度夏季模式(水汽柱含量3厘米)为例，采用乡村气溶胶典型的能见度(23千米)，计算了1～1.1微米范围内整层大气透过率和水汽吸收透过率(见图3整层大气透过率数值计算)。在该条件下整层大气透过率84.6％，水汽吸收透过率97.8％，水汽吸收对透过率的影响不超过3％；考虑到实际探测器5的量子效率不会达到1.1微米、其他季节水汽柱含量也均低于夏季，水汽吸收对透过率的影响会进一步降低。因此，利用长波通和硅探测器5截止波长组合能够用来测量波长为1微米左右的气溶胶透过率；并且，与传统上观测太阳采用中心波长1020纳米带宽10纳米的窄带滤光片方法相比，该装置能够将通道的光谱宽度至少提高2.5倍，并且充分利用了该通道在波长1微米左右探测器5的高量子效率波段。该工作对昼夜观测恒星时提高该通道的成像亮度有显著的优势。

在上述实施例中改进的langley法具体内容如下：

水汽透过率如公式(1)所示:

T_ω＝exp(-aω^b) (1)

其中T_ω是带上的透过率，ω是大气路径水汽总量，a和b是常数，a和b由辐射传输方程模拟来确定；

在波长为940nm水汽吸收带,太阳辐射计对太阳直射辐照度的响应可表示为:

V＝V₀R^-2·exp(-m^τ)·T_ω (2)

其中V为太阳辐射计地面观测太阳直射辐射电压输出,V₀为大气外界电压输出,R为日地距离，m为大气质量数,τ是Rayleigh散射和气溶胶散射光学厚度。

斜程水汽量ω＝m·PW,PW为垂直水汽柱总量。

将式(1)代入式(2)并两边取对数,得

lnV+m^τ＝ln(V₀R^-2)-a·m^b·PW^b (3)

在稳定和无云大气条件下,以m^b值为X轴,以上式左边为Y轴画直线,直线的斜率为-a·PW^b，Y截距为ln(V₀R^-2)。

该装置通过安装滤轮和滤轮上各滤光片，代替在接收望远镜主镜前安装光阑和光楔，所采用的措施能够节约成本，降低生产难度和适配要求。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，该装置包括光片座，所述光片座上设置有多个通道，其中一个通道安装有作为判断是否离焦的光片，所述光片座的其他通道上设置有用于昼夜检测恒星大气透过率和水汽柱含量的光片；

在接收恒星光的光路上依次设置有接收望远镜（1）和探测器（5），所述光片座设置在接收望远镜（1）和探测器（5）的光路之间，在工作时，多个光片的中轴线交替与接收望远镜（1）和探测器（5）之间的光路重合；装置还包括电脑（8），电脑（8）与探测器（5）电连接；

所述光片座的其他通道的其中一通道内设置截止波长不低于980nm的第一长波通滤光片（35）；

探测器（5）为硅基底探测器，硅基底探测器上的电荷耦合器件安装在望远镜（1）与延焦镜（2）的等效焦面处；

所述接收望远镜（1）与探测器（5）之间还设置有用于延长成像焦距的延焦镜（2）。

2.根据权利要求1所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，判断是否离焦的光片包括两片同一直径大小的半圆形第一楔镜（91）和第二楔镜（92），第一楔镜（91）和第二楔镜（92）的拼接线（93）均与第一楔镜（91）、第二楔镜（92）的楔角方向、摄入光片内的光轴方向垂直，且第一楔镜（91）和第二楔镜（92）的楔角方向相反，第一楔镜（91）和第二楔镜（92）靠近拼接线（93）处的厚度大于外边缘处的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，安装判断是否离焦的光片的通道内还安装有截止波长为0.5～0.6微米范围内的第二长波通滤光片（94），所述第二长波通滤光片（94）与第一楔镜（91）平行设置。

4.根据权利要求1所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，光片座上每个通道中心到光片座的中心相等，安装判断是否离焦的光片的通道中心到光片座中心的连线与拼接线（93）垂直或平行。

5.根据权利要求1所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，其他剩余的通道还一一对应设置有波长为500nm的窄带滤光片（31）、波长为676nm的窄带滤光片（32）、波长为870nm的窄带滤光片（33）、波长为940nm的窄带滤光片（34）。

6.根据权利要求1所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，所述光片座为滤轮（3），所述滤轮（3）的中心设置有驱动滤轮（3）绕滤轮（3）中心转动的第一驱动机构（4）。

7.根据权利要求1所述的一种测量大气透过率和水汽柱含量的装置，其特征在于，所述探测器（5）下方设置有使探测器（5）在光轴方向上来回移动的导轨（6）和第二驱动机构（7）。

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