CN109870426B - 一种长波红外多普勒差分干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长波红外多普勒差分干涉仪的光学系统，包括前置镜头、干涉仪、条纹成像镜头和制冷型红外探测器。采用完全匹配的方式对制冷型探测器进行冷屏匹配，利用机械主动式热补偿方式对条纹成像镜头进行无热化设计，使干涉仪系统能够在常温常压(20℃，1atm)下装配，在低温真空(160K，0atm)环境下工作，从而降低光机结构自身热辐射对探测灵敏度造成的影响。本发明实现了分体式多普勒差分干涉仪在长波红外波段的应用，干涉仪系统在工作波段内得到的仿真干涉条纹具有较高的调制度，能够满足24～60km大气风速反演和臭氧浓度反演的精度要求。
Description
技术领域
本发明属于精细光谱探测领域，具体涉及一种长波红外多普勒差分干涉仪的光学系统。
背景技术
传统的大气风场探测技术主要包括法布里-珀罗干涉风场探测技术和广角迈克尔逊干涉仪风场探测技术，前者具有高分辨率和高灵敏度特性，但是加工装调精度要求非常高；后者需要光程差扫描装置且一次只能探测一条谱线。多普勒差分干涉技术是一种新型的精细光谱探测技术，该技术具有高光谱分辨率、高通量、高稳定性等优点。传统的大气风场探测方法的目标源是位于80～300km的可见光波段的高层大气气辉，在24～60km的平流层中则需要选择强度更弱的红外热辐射源作为风场探测的目标源，因此采用多普勒差分干涉技术进行探测。
研究发现臭氧谱线在长波红外波段8.8μm附近谱线强度高，分离性好，可以作为目标谱线。根据多普勒效应，大气风场会使干涉仪得到的谱线中心频率产生偏移，并且偏移量与大气运动速度有定量关系。因此可以通过臭氧谱线的多普勒频移量反演计算出平流层大气的运动速度。同时，该高度层大气的臭氧浓度也可以通过数据反演得到。
发明内容
本发明提供了一种长波红外多普勒差分干涉仪的光学系统，以实现24～60km平流层大气风场和臭氧浓度的探测。
为实现以上目的，本发明提供一种长波红外多普勒差分干涉仪，其特殊之处在于：沿光路依次设置前置镜头、干涉仪、条纹成像镜头和探测器；
上述前置镜头沿光路依次同光轴设置第一孔径光阑、第一前置透镜、滤光片、视场光阑和第二前置透镜，第一孔径光阑位于前置镜头的第一个表面，视场光阑位于滤光片和第二前置透镜之间；
上述干涉仪包括分束板、补偿板、第一视场展宽棱镜、第二视场展宽棱镜、第一光栅和第二光栅；第一视场展宽棱镜与第一光栅形成第一光学单元，第二视场展宽棱镜与第二光栅形成第二光学单元，分束板与补偿板平行放置形成分束单元，第一光学单元与第二光学单元分别位于分束单元的两路出射光路中；
上述条纹成像镜头沿光路依次同光轴设置第一成像透镜、第二成像透镜和第三成像透镜；
平行光线经过前置镜头后，利用滤光片提取目标谱线的辐射强度信息；经过干涉仪的分光后，两臂光线在干涉仪出口形成Fizeau型干涉条纹；经过条纹成像镜头后，干涉仪出口处的干涉条纹成像在探测器焦平面。
进一步地，第一前置透镜为双凸正透镜，第二前置透镜为弯月正透镜，滤光片的光焦度为零。
进一步地，第一前置透镜、第二前置透镜及滤光片的材料均为锗；
上述第一孔径光阑和第一前置透镜的间隔为13.5±0.2mm，第一前置透镜和滤光片的间隔为12.7±0.2mm，滤光片和视场光阑的间隔为6±0.2mm，视场光阑和第二前置透镜的间隔为60.8±0.2mm。
进一步地，上述滤光片的中心波长为8781.5nm，滤光片FWHM为127nm。
进一步地，上述干涉仪中分束板和补偿板为硒化锌玻璃平板，第一视场展宽棱镜和第二视场展宽棱镜为同样的前后表面成一定角度的棱镜，材料为硒化锌，第一光栅和第二光栅为同样的刻线密度为150线/mm，闪耀角为41.588°。
进一步地，上述条纹成像镜头中第一成像透镜为双凸正透镜，第二成像透镜为弯月负透镜，第三成像透镜为弯月正透镜；上述条纹成像镜头还包括第二孔径光阑，上述第二孔径光阑置于探测器冷屏处。
进一步地，第一成像透镜、第二成像透镜及第三成像透镜的材料均为锗；
上述第一成像透镜和第二成像透镜的间隔为33.5±0.03mm，第二成像透镜和第三成像透镜的间隔为41.8±0.03mm，第三成像透镜和探测器窗口的距离为20±0.03mm。
进一步地，上述前置镜头为开普勒式无焦系统，保证整个光栅被照亮；上述条纹成像镜头F/#为2，放大率β＝-0.28。
进一步地，上述前置镜头和分束板的间隔为60±0.2mm，补偿板和条纹成像镜头之间的间隔可调，常温常压时，补偿板和条纹成像镜头的间隔为60±0.2mm。
进一步地，上述探测器为科学级CCD相机，其光谱范围为8～10μm，像元大小为30μm，面阵大小为320×256，工作温度为-40℃～+71℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明实现了分体式多普勒差分干涉仪在长波红外波段的应用，通过对前置镜头、干涉仪和条纹成像镜头的设计，干涉仪系统在工作波段内得到的仿真干涉条纹具有较高的调制度，能够满足24～60km大气风速反演和臭氧浓度反演的精度要求。
2、本发明采用完全匹配的方式对制冷型探测器进行冷屏匹配，即将条纹成像镜头的孔径光阑置于探测器冷屏处，并保证成像镜头物方远心，从而有效提高像面处的相对照度，使像面的照度保持均匀。
3、本发明利用机械主动式热补偿方式对条纹成像镜头进行无热化设计，通过调整镜头相对于探测器窗口的距离保证常温常压(20℃，1atm)和低温真空(160K，0atm)两种环境下的成像质量，使干涉仪系统能够在常温常压下装配，在低温真空环境下工作，从而降低光机结构自身热辐射对探测灵敏度造成的影响。
附图说明
图1是实施例中长波红外多普勒差分干涉仪的光路结构示意图；
图中附图标记为：1-前置镜头；101-第一孔径光阑，102-第一前置透镜，103-滤光片，104-视场光阑，105-第二前置透镜；
2-干涉仪；201-第一光栅，202-第一视场展宽棱镜，203-分束板，204-补偿板，205-第二视场展宽棱镜，206-第二光栅；
3-条纹成像镜头；301-第一成像透镜，302-第二成像透镜，303-第三成像透镜。
图2是条纹成像镜头光学结构图；
图中附图标记为：304-第二孔径光阑，305-冷屏；
图3a是条纹成像镜头在常温常压(20℃，1atm)下的点列图；
图3b是条纹成像镜头在常温常压(20℃，1atm)下的MTF曲线；
图4a是条纹成像镜头在低温真空(0℃，0atm)下经过调焦后系统的点列图；
图4b是条纹成像镜头在低温真空(0℃，0atm)下经过调焦后系统的MTF曲线；
图5a是长波红外多普勒差分干涉仪光学系统仿真得到的在常温常压(20℃，1atm)条件下的干涉图；
图5b是长波红外多普勒差分干涉仪光学系统仿真得到的在低温真空(0℃，0atm)条件下的干涉图；
图6a是干涉仪在常温常压(20℃，1atm)条件下得到的干涉条纹调制度的计算；
图6b是干涉仪在低温真空(0℃，0atm)条件下得到的干涉条纹调制度的计算。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种长波红外多普勒差分干涉仪的光学系统，包括前置镜头1、干涉仪2、条纹成像镜头3和探测器(未图示)。探测器可采用科学级CCD相机，其光谱范围为8～10μm，像元大小为30μm，面阵大小为320×256，工作温度为-40℃～+71℃。
参见图1，本实施例中前置镜头1包括第一孔径光阑101、第一前置透镜102、滤光片103、视场光阑104和第二前置透镜105。其中第一孔径光阑101位于前置镜头1的第一个表面，第一前置透镜102为双凸正透镜，第二前置透镜105为弯月正透镜，材料均为锗，滤光片103中心波长为8781.5nm，滤光片103的带宽FWHM为127nm，视场光阑104位于滤光片103与第二前置透镜105之间。
干涉仪2包括第一光栅201、第一视场展宽棱镜202、分束板203、补偿板204、第二视场展宽棱镜205和第二光栅206。其中分束板203和补偿板204为硒化锌玻璃平板，第一视场展宽棱镜202和第二视场展宽棱镜205为同样的前后表面成一定角度的棱镜，材料为硒化锌，第一光栅201和第二光栅206为同样的刻线密度为150线/mm，闪耀角为41.588°。
条纹成像镜头3包括第一成像透镜301、第二成像透镜302和第三成像透镜303。其中第一成像透镜301为双凸正透镜，第二成像透镜302为弯月负透镜，第三成像透镜为弯月正透镜，材料均为锗。
来自无穷远的平行光线经过前置镜头后，利用滤光片103提取目标谱线的辐射强度信息；经过干涉仪的分光后，两臂光线在干涉仪出口形成Fizeau型干涉条纹；经过条纹成像镜头后，干涉仪出口处的干涉条纹成像在探测器焦平面。通过对干涉条纹进行数据反演，即可得到大气风速和臭氧浓度信息。
本实施例长波红外多普勒差分干涉仪的具体结构参数详见下表。
本实施例长波红外多普勒差分干涉仪的光学系统，F/#为2，半视场角为13.5°，像面大小为9.6mm×7.68mm。
参见图2，条纹成像镜头采用完全匹配的方式进行冷屏匹配，第二孔径光阑放置在探测器冷屏处，从而降低系统杂散辐射以提高探测灵敏度。
参见图3a及图3b，条纹成像镜头在常温常压(20℃，1atm)下的点列图反映了系统在像面上成像弥散斑的大小，轴上和轴外视场RMS半径均满足设计要求；在系统奈奎斯特频率16.7lp/mm处，系统的MTF曲线接近衍射极限，满足像质要求。
参见图4a及图4b，条纹成像镜头在低温真空(160K，0atm)下的点列图和MTF曲线表明调焦之后的系统在低温真空环境下成像质量良好。
参见图5a及图5b，长波红外多普勒差分干涉仪全系统仿真得到在常温常压和低温真空条件下的干涉条纹。
参见图6a及图6b，由图4a及图4b的干涉条纹可以计算得到常温常压和低温真空两种条件下的条纹调制度，均在0.99以上。
综上，本发明通过对前置镜头、干涉仪、条纹成像镜头的光学设计实现了长波红外多普勒差分干涉仪的光学全系统搭建，仿真得到的在工作条件下的干涉条纹调制度能够满足数据反演的精度要求，为后续的大气风速和臭氧浓度反演提供了计算仿真模型。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (9)
1.一种长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：沿光路依次设置前置镜头(1)、干涉仪(2)、条纹成像镜头(3)和探测器；
所述前置镜头(1)沿光路依次同光轴设置第一孔径光阑(101)、第一前置透镜(102)、滤光片(103)、视场光阑(104)和第二前置透镜(105)，第一孔径光阑(101)位于前置镜头(1)的第一个表面；所述第一前置透镜(102)为双凸正透镜，第二前置透镜(105)为凹面向视场光阑(104)的弯月正透镜，滤光片(103)的光焦度为零；
所述干涉仪(2)包括分束板(203)、补偿板(204)、第一视场展宽棱镜(202)、第二视场展宽棱镜(205)、第一光栅(201)和第二光栅(206)；第一视场展宽棱镜(202)与第一光栅(201)形成第一光学单元，第二视场展宽棱镜(205)与第二光栅(206)形成第二光学单元，分束板(203)与补偿板(204)平行放置形成分束单元，第一光学单元与第二光学单元分别位于分束单元的两路出射光路中；
所述条纹成像镜头(3)沿光路依次同光轴设置第一成像透镜(301)、第二成像透镜(302)和第三成像透镜(303)；所述第一成像透镜(301)为双凸正透镜，第二成像透镜(302)为弯月负透镜，第三成像透镜(303)为弯月正透镜；
平行光线依次经过前置镜头、干涉仪、条纹成像镜头后，在探测器焦平面形成干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：第一前置透镜(102)、第二前置透镜(105)及滤光片(103)的材料均为锗；
上述第一孔径光阑(101)和第一前置透镜(102)的间隔为13.5±0.2mm，第一前置透镜(102)和滤光片(103)的间隔为12.7±0.2mm，滤光片(103)和视场光阑(104)的间隔为6±0.2mm，视场光阑(104)和第二前置透镜(105)的间隔为60.8±0.2mm。
3.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：所述滤光片的中心波长为8781.5nm，滤光片FWHM为127nm。
4.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：所述分束板(203)与补偿板(204)为硒化锌玻璃平板；第一视场展宽棱镜(202)和第二视场展宽棱镜(205)结构相同均为前后表面成一定角度的棱镜，材料为硒化锌；第一光栅(201)和第二光栅(206)结构相同，其刻线密度为150线/mm，闪耀角为41.588°。
5.根据权利要求4所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：
所述条纹成像镜头还包括第二孔径光阑(304)，所述第二孔径光阑(304)置于探测器冷屏(305)处。
6.根据权利要求5所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：第一成像透镜(301)、第二成像透镜(302)及第三成像透镜(303)的材料均为锗；
所述第一成像透镜(301)和第二成像透镜(302)的间隔为33.5±0.03mm，第二成像透镜(302)和第三成像透镜(303)的间隔为41.8±0.03mm，第三成像透镜(303)和探测器窗口的距离为20±0.03mm。
7.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：所述前置镜头(1)为开普勒式无焦系统；所述条纹成像镜头(3)F/#为2，放大率β＝-0.28。
8.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：所述前置镜头(1)和分束板(203)的间隔为60±0.2mm；补偿板(204)和条纹成像镜头(3)之间的间隔可调，常温常压时，补偿板(204)和条纹成像镜头(3)的间隔为60±0.2mm。
9.根据权利要求1所述的长波红外多普勒差分干涉仪，其特征在于：所述探测器为科学级CCD相机，其光谱范围为8～10μm，像元大小为30μm，面阵大小为320×256，工作温度为-40℃～+71℃。
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| 大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述;冯玉涛;李娟;赵增亮;原晓斌;余涛;付建国;武魁军;郝雄波;傅;孙剑;王爽;;上海航天(03);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109870426A (zh) | 2019-06-11 |
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