CN109655156B - 太阳光栅光谱仪光学系统优化方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法、装置、设备和存储介质，包括：获取用户选取的太阳物理科学目标；根据太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型和多个特征谱线；其中，光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据光栅常数、特征谱线的波长，计算特征谱线对应的衍射级次；根据衍射级次、光栅闪耀角和光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；根据光栅入射角的变化范围，计算在不同光栅入射角下，不同特征谱线所对应的的光栅衍射效率；根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。能显著提高光谱成像系统的能量利用率，从而提高了光谱成像系统的时间分辨率和光谱数据信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及太阳光栅光谱成仪应用领域，特别是一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
为了获得高性能的太阳光谱成像性能，需对光栅光谱仪进行设计及优化，以满足设计指标要求。传统的光栅光谱仪设计方法一般是采用像差优化设计方法，从而获得良好的光学成像性能例如：Lites等基于Littrow成像结构设计了一款太阳偏振成像仪器，采用离轴抛物镜作为光谱系统的准直镜，实验结果表明光学系统能够达到衍射极限的成像能力，尽管其视场范围很小。陈廷爱等提出了一种基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，可以实现成像光栅光谱仪全光路消像散和彗差。然而基于像差优化的设计方法，并不能对光栅光谱仪的性能进行较为全面的优化。为了获得更高的数据信噪比和能量利用率，提高光栅的衍射效率是一个有效的方法。随着科技的发展，光栅光谱仪的设计理论已经逐渐趋于成熟。目前光学系统设计面临的问题之一是光学系统的初始结构不易获得，且缺乏有效的优化方案，无法对光学系统性能进行较为全面的评价，在实际的设计过程中，更多的是依靠设计者的经验。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法、装置、设备和存储介质，能显著提高光谱成像系统的能量利用率，从而提高了光谱成像系统的时间分辨率和光谱数据信噪比。
第一方面，本发明实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，包括：
获取用户选取的太阳物理科学目标；
根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；
当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据所述光栅常数、所述特征谱线的波长，计算所述特征谱线对应的衍射级次；
根据所述衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；
根据所述光栅入射角的变化范围，计算在不同所述光栅入射角下，不同特征谱线所对应的的光栅衍射效率；
根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
优选地，所述太阳物理科学目标根据磁场在太阳大气不同高度上的演化特性设定的。
优选地，所述光栅衍射效率表达式为：
其中，
d为光栅常数，α为光栅入射角、β为光栅衍射角以及θb为光栅闪耀角。
优选地，不同特征波长条件下，光栅衍射效率与入射角的关系为：Ii＝f(αi,λi)；其中i为特征谱线的条数。
优选地，光栅方程表达式为：d(sinα+sinβ)＝mλ；其中，d为光栅常数，α和β分别为光栅入射角和衍射角，m为衍射级次，λ为波长。
优选地，所述特征谱线为光学薄的光谱谱线。
第二方面，本发明实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化装置，包括：
获取单元，用于获取用户选取的太阳物理科学目标；
选取单元，用于根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；
衍射等级计算单元，用于当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据所述光栅常数、所述特征谱线的波长，计算所述特征谱线对应的衍射级次；
第一计算单元，用于根据所述衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；
第二计算单元，用于根据所述光栅入射角的变化范围，计算在不同所述光栅入射角下，不同特征谱线所对应的的光栅衍射效率；
光栅入射角获得单元，用于根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
优选地，所述太阳物理科学目标根据磁场在太阳大气不同高度上的演化特性设定的。
优选地，所述光栅衍射效率表达式为：
其中，
d为光栅常数，α为光栅入射角、β为光栅衍射角以及θb为光栅闪耀角。
优选地，不同特征波长条件下，光栅衍射效率与入射角的关系为：Ii＝f(αi,λi)；其中i为特征谱线的条数。
优选地，光栅方程表达式为：d(sinα+sinβ)＝mλ；其中，d为光栅常数，α和β分别为光栅入射角和衍射角，m为衍射级次，λ为波长。
优选地，所述特征谱线为光学薄的光谱谱线。
第三方面，本发明实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现第一方面所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如第一方面所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
实施本发明实施例，具有如下有益技术效果：
(1)、本实施例在太阳光栅光谱仪等某些特定光学系统结构设计方面具有较好的实用性，且能够提供优化的初始结构参数。
(2)、本实施例不仅能够对光栅衍射效率进行优化，在不显著影响光学成像质量的前提下，能显著提高光谱成像系统的能量利用率，从而提高了光谱成像系统的时间分辨率和光谱数据信噪比，这对于高精度太阳大气观测具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的第一实施例的一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法的流程示意图。
图2为本发明提供的第一实施例的衍射角和光栅衍射效率之间的关系图。
图3为本发明提供的第二实施例的一种太阳光栅光谱仪光学系统优化装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一实施例：
第一方面，本发明实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，包括：
S10，获取用户选取的太阳物理科学目标。
在本实施例中，所述太阳物理科学目标根据磁场在太阳大气不同高度上的演化特性设定的。具体地，太阳物理科学目标既可以是跟太阳磁场探测相关，也可以是跟日冕物质抛射相关，只要跟太阳物理相关即可。
S20，根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角。
在本实施例中，所述光栅类型的参数包括光栅常数和光栅闪耀角，还包括光栅的长度、宽度和高度等，这些均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。当然，需要说明的是，光栅闪耀角越大，越有利于狭缝式光栅光谱仪的小型化，因此，在本实施例中为了减小仪器尺寸，降低光谱系统平台的限制，优选采用光栅刻线数79线/mm，闪耀角θb＝63.4°，d＝1000mm/79的参数。
在本实施例中，所述特征谱线是指光学薄的光谱谱线，这种谱线能够更好的穿过地球大气而不被吸收，并能被地基式光学仪器更好的探测。为了更有效的对太阳磁场进行观测，在本实施例中，需要选择磁灵敏度大的特征谱线，分别为0.6302μm，0.6563μm，0.709μm，0.8542μm，0.8662μm，和1.0747μm。
S30，当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据光栅常数、特征谱线的波长，计算特征谱线对应的衍射级次。
参见表1，在本实施例中，所述衍射级次为衍射级次，是指在特定的波长条件下，最大光栅衍射效率所对应的衍射级次。具体地，根据光栅常数、特征谱线的波长，计算特征谱线对应的衍射级次，获得如下表1所示衍射级次和光栅衍射效率：
表1：
S40，根据衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围。
在本实施例中，光栅方程表达式为：d(sinα+sinβ)＝mλ；其中，d为光栅常数，α和β分别为光栅入射角和衍射角，m为衍射级次，λ为波长。根据已确定的光栅常数，光栅闪耀角和最佳衍射级次以及光栅方程，例如：当β＝90°时的光栅入射角的变化范围为52.5°≤α≤90°。
S50，根据光栅入射角的变化范围，计算在不同光栅入射角下，不同特征谱线所对应的的光栅衍射效率。
在本实施例中，所述光栅衍射效率表达式为：
其中，
d为光栅常数，α为光栅入射角、β为光栅衍射角以及θb为光栅闪耀角。
S60，根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
最佳光栅入射角，是指当所有的特征谱线，都均能获得更高的衍射效率时，所对应的光栅的入射角。通过上述计算所得的光栅衍射效率曲线，获取光栅衍射效率曲线的交点。以多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率为条件，即在曲线交点处，其它特征谱线的光栅衍射效率值均不小于所获取交点的光栅衍射效率，从而得到满足条件的交点和光栅入射角。具体地，如图2所示。从图中可以看出当光栅入射角α＝700时，光栅衍射效率均高于0.8，表明本发明所提出的方法确实能够显著提升光谱仪系统的能量利用率。
本实施例在太阳光栅光谱仪等某些特定光学系统结构设计方面具有较好的实用性，且能够提供优化的初始结构参数。而且本实施例不仅能够对光栅衍射效率进行优化，在不显著影响光学成像质量的前提下，能显著提高光谱成像系统的能量利用率，从而提高了光谱成像系统的时间分辨率和光谱数据信噪比，这对于高精度太阳大气观测具有重要意义。
在第一实施例的基础上，本发明的一优选实施例中，不同特征波长条件下，光栅衍射效率与入射角的关系为：Ii＝f(αi,λi)；其中i为特征谱线的条数。
第二方面，本发明实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化装置，包括：
获取单元，用于获取用户选取的太阳物理科学目标；
选取单元，用于根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；
衍射等级计算单元，用于当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据所述光栅常数、所述特征谱线的波长，计算所述特征谱线对应的衍射级次；
第一计算单元，用于根据所述衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；
第二计算单元，用于根据所述光栅入射角的变化范围，计算在不同所述光栅入射角下，不同特征谱线所对应的的光栅衍射效率；
光栅入射角获得单元，用于根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
优选地，所述太阳物理科学目标根据磁场在太阳大气不同高度上的演化特性设定的。
优选地，所述光栅衍射效率表达式为：
其中，
d为光栅常数，α为光栅入射角、β为光栅衍射角以及θb为光栅闪耀角。
优选地，不同特征波长条件下，光栅衍射效率与入射角的关系为：Ii＝f(αi,λi)；其中i为特征谱线的条数。
优选地，光栅方程表达式为：d(sinα+sinβ)＝mλ；其中，d为光栅常数，α和β分别为光栅入射角和衍射角，m为衍射级次，λ为波长。
优选地，所述特征谱线为光学薄的光谱谱线。
本发明第三实施例：
本发明第三实施例提供了一种太阳光栅光谱仪光学系统优化设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现第一方面所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
本发明第四实施例：
本发明第四实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如第一方面所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
本发明所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述太阳光栅光谱仪光学系统优化方法的控制中心，利用各种接口和线路连接整个所述实现太阳光栅光谱仪光学系统优化方法的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现太阳光栅光谱仪光学系统优化方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card,SMC)、安全数字(SecureDigital,SD)卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述实现服务设备的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于，包括：
获取用户选取的太阳物理科学目标；
根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型参数以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；
当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据所述光栅常数、所述特征谱线的波长，计算所述特征谱线对应的衍射级次；
根据所述衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；
根据所述光栅入射角的变化范围，计算在不同所述光栅入射角下，不同特征谱线所对应的光栅衍射效率；
根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
2.根据权利要求1所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于，
所述太阳物理科学目标根据磁场在太阳大气不同高度上的演化特性设定的。
3.根据权利要求1所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于，
所述光栅衍射效率表达式为：
其中，
d为光栅常数，α为光栅入射角、β为光栅衍射角以及θb为光栅闪耀角。
4.根据权利要求1所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于，不同特征谱线的波长条件下，光栅衍射效率与入射角的关系为：Ii＝f(αi,λi)；其中i为特征谱线的条数。
5.根据权利要求1所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于光栅方程表达式为：d(sinα+sinβ)＝mλ；其中，d为光栅常数，α和β分别为光栅入射角和衍射角，m为衍射级次，λ为波长。
6.根据权利要求1所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法，其特征在于，所述特征谱线为光学薄的光谱谱线。
7.一种太阳光栅光谱仪光学系统优化装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取用户选取的太阳物理科学目标；
选取单元，用于根据所述太阳物理科学目标，选取对应的光栅类型参数以及多个特征谱线；其中，所述光栅类型参数包括光栅常数、光栅闪耀角；
衍射等级计算单元，用于当光栅入射角等于光栅衍射角时，根据所述光栅常数、所述特征谱线的波长，计算所述特征谱线对应的衍射级次；
第一计算单元，用于根据所述衍射级次、光栅闪耀角以及光栅方程，计算光栅入射角的变化范围；
第二计算单元，用于根据所述光栅入射角的变化范围，计算在不同所述光栅入射角下，不同特征谱线所对应的光栅衍射效率；
光栅入射角获得单元，用于根据多个特征谱线均能获得更高的光栅衍射效率的原则，获得光栅入射角。
8.一种太阳光栅光谱仪光学系统优化设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至6任意一项所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6任意一项所述的太阳光栅光谱仪光学系统优化方法。
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- 2018-12-10 CN CN201811504123.3A patent/CN109655156B/zh active Active
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