CN111426380B - 用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮及方法，所述滤光片轮包括轮盘(1)，所述轮盘(1)上设置四个圆孔和通孔(2)；四个圆孔中，第一个圆孔中安装LBH带通滤光片与石英晶体滤光片的组合滤光片，第二个圆孔中安装LBH带通滤光片，第三个圆孔中安装135.6nm带通滤光片，第四个圆孔中安装石英晶体滤光片。本发明既保证仪器的高灵敏度，又保证白天数据不饱和，同时实现带外杂散光的抑制及消除。
Description
技术领域
本发明涉及用于星载远紫外波段探测领域，尤其涉及小型化高灵敏度真空紫外探测仪带外杂散光差分测量方法。
背景技术
远紫外波段(1000A-2000A)光学遥感是在卫星上获得空间环境参数如O、N2、 O2等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、电离层电子密度TEC、电子密度廓线、等离子体含量、大气温度廓线、太阳EUV流量、能量粒子沉降等信息的重要探测技术，也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。远紫外波段辐射在地面上无法探测，因此对远紫外波段进行探测是卫星上光学遥感探测的独有探测手段。星载远紫外光学遥感仪器包括成像仪、成像光谱仪及光度计三种探测方式，光度计是小型化高灵敏度探测的代表性仪器，该类载荷所占卫星资源小，灵敏度高，对于探测小尺度、微弱信号变化是非常有优势的。
如图1所示，带外长波的辐射强度比远紫外波段探测信号波段辐射强度高9个量级，因此远紫外波段探测时需要考虑带外，特别是长波辐射(2000A以上)的影响。
从原理上分析，采用CsI作为光阴极的探测器不会对200nm以上的光辐射有响应。CsI是一种良好的发射体，其禁带宽度为6.0eV，电子亲和势为0.5eV。截止波长在200nm左右，熔点为651℃，具有“日盲性”，即采用CsI阴极的探测器可是实现对200nm以上长波杂散光的抑制。但由于制作材料及制作工艺的影响，通常的CsI 阴极探测器还会对200nm以上的光辐射有响应，目前国际上最好CsI阴极量子效率如图2所示，通常的CsI阴极探测器量子效率如图3所示。
由此可见，实际应用中CsI阴极探测器并不能完全抑制200nm以上光辐射，特别是当长波辐射强的时候，阴极抑制不充分，势必将对远紫外波段的探测数据产生较大影响。
要实现远紫外波段的探测，同时抑制长波杂散光的影响，通常采用的方式是利用光栅进行分光，配以CsI阴极的光电探测器，即采用光栅光谱仪的方法实现远紫外波段探测，同时对长波杂散光有较强的抑制，配合CsI阴极探测器，使得长波杂散光与信号光的的抑制达到10-2。美国DMSP系列卫星上的SSUSI仪器、TIMED卫星上的GUVI仪器等均由于采用光栅光谱仪设计方式抑制杂散光，但采用这种探测方式，仪器的灵敏度会大大降低，以GUVI为例，该仪器探测波段覆盖1150A-1900A, 仪器空间分辨率为0.155°×0.85°，光谱分辨率为11A(中心)-36A(边缘)，在1356A 处，仪器的灵敏度为0.115counts/s/R/pixel,即每1Rayleigh(1Rayleigh＝80000photons/s/cm2/sr)入射光在仪器每像素上，仪器输出计数为 0.115counts。
高灵敏度的远紫外光度计的探测仪器研究主要以中国台湾COSMIC卫星上的电离层光度计(TIP,Tiny Ionospheric Photometer)为代表，该仪器测量波段是1356A和1400A-1900A，其中1400A-1900A波段仅在白天探测，1356A波段是全天候观测，仪器为空间分辨率为3.6°×3.6°。TIP夜间高灵敏度设计理念是利用夜间探测波段辐射谱线简单，夜气辉辐射特性如图4所示。
根据夜气辉辐射特性，测量1356A辐射，仅需要对130.4nm、121.6nm短波辐射及240nm以上的长波辐射进行抑制。COSMIC TIP设计时利用加热SrF2晶体至100℃，实现对1304A及以下波段的截至，利用日本滨松公司的R7511型CsI阴极光电倍增管实现对200nm以上辐射的抑制。因此夜间探测时，采用这种处理方法可以获得 1356A气辉辐射探测。白天则是通过2mm厚的BaF2晶体窗口，实现对1400A及以上波段的探测，135.6nm的探测则是通过通孔测量，数据处理时减去BaF2小孔测量的LBH带的结果，最后获得135.6nm的辐射。TIP设计了挡板轮，轮上有4个位置： 2个全开孔(缺省位置)、全闭合、1个带BaF2滤光片的小孔，利用电机驱动挡板轮到达相应的位置，实现对探测目标的检测，TIP采用这种方式保证了仪器高的灵敏度，这一点仪器开机后立即体现；但随之而来的是仪器白天探测结果饱和，夜间探测受月光散射影响导致数据误差大。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮及方法，解决了由于探测器带外抑制比不够，导致高灵敏度光度计带外杂散光对探测数据造成的影响，既保证仪器的高灵敏度，又保证白天数据不饱和，同时实现带外杂散光的抑制及消除。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮，所述滤光片轮包括轮盘1，所述轮盘1上设置四个圆孔和通孔2；
四个圆孔中，第一个圆孔中安装LBH带通滤光片与石英晶体滤光片的组合滤光片，第二个圆孔中安装LBH带通滤光片，第三个圆孔中安装135.6nm带通滤光片，第四个圆孔中安装石英晶体滤光片。
本发明中，采用压片将滤光片固定安装在圆孔中。
一种基于上述滤光片轮的远紫外波段带外杂散光差分测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
1)将大气辐射通过反射光学原件反射到达滤光片轮；
2)利用滤光片轮上不同滤光片，分别测量总大气辐射和带外辐射，通过数据处理，利用测量的总大气辐射值减去带外辐射值，从而获得信号值。
进一步地，步骤2)具体包括如下步骤：
测量夜间气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到通孔，测量包括135.6nm气辉辐射和部分190nm以上的月光、地球散射光的辐射信号；测量完毕后滤光片轮转到石英晶体滤光片的位置，利用石英晶体滤光片测量190nm以上的月光及地球散射光辐射；测量完成，在进行数据处理时将通孔位置测量的信号减去石英晶体滤光片的位置测量的信号，得到夜间135.6nm的气辉；
测量白天气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到135.6nm带通滤光片的位置，测量135.6nm辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度；测量完成后转到LBH 带通滤光片的位置，测量LBH带辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度；测量完成后，转到LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置，通过LBH带滤光片和石英晶体滤光片叠加测量，获得190nm以上太阳后向散射辐射强度；
测量完成，在进行数据处理时将135.6nm带通滤光片的位置测量的数据减去 LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，得到剔除太阳后向散射后135.6nm的辐射强度；将LBH带通滤光片的位置测量的数据减去LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，获得LBH带的辐射强度。
本发明提供新的滤光片组合设计及滤光片轮，包括：石英晶体滤光片、135.6nm 带通滤光片(透射式)、LBH带通滤光片(透射式)、LBH带通滤光片与石英晶体滤光片的组合滤光片、轮盘。本发明的测量通道包括夜间总辐射、夜间杂散光、白天 135.6nm通道、白天LBH通道、白天杂散光通道5个通道。滤光片轮转动到不同位置对应不同探测通道，分别实现夜间辐射探测、夜间杂散光探测、白天135.6nm探测、白天LBH带探测、白天杂散光探测，经过滤光片轮对应滤光片滤光后的光辐射到达探测器，被光电倍增管接收，并输出计数。
本发明中，石英晶体滤光片，厚度1mm，直径为15mm，对180nm以上光透过，可用于测量夜间带外杂散光；
135.6nm带通滤光片，滤光片厚度1mm，直径为15mm，基底材料为MgF2晶体，晶体片表面镀多层膜，实现对135.6nm波段透过，同时对其他波段抑制。滤光片带宽15nm，200nm以上长波抑制比至少105个量级，其透过率如图6所示。
LBH带通滤光片，滤光片厚度1mm，直径为15mm，基底材料为BaF2晶体，晶体片表面镀多层膜，实现对LBH波段(145nm-180nm)透过，同时对其他波段抑制。滤光片带宽20nm，200nm以上长波抑制比至少105个量级，其透过率如图7所示。
带通式滤光片与石英晶体组合滤光片包括1片LBH带通滤光片和一片石英晶体滤光片，LBH带通滤光片厚度为1mm，直径为15mm；石英晶体滤光片厚度为1mm，直径15mm，两种滤光片结合使用，可以在保证测量通过带通滤光片后仍然残留的 180nm以上的杂散光，其透过率如图8所示。
滤光片轮设计有5个放置滤光片的圆形孔槽，滤光片轮材料为铝，滤光片放置圆形孔槽内，外部加上压片，压片通过螺钉固定滤光片轮盘上。
本发明中，真空紫外带通滤光片对190nm-250nm透过率与信号波段透过率比，至少降低103以上，250nm以上透过率与信号波段透过率比，至少降低105。
本发明测量时在保证测量不饱和的基础上，即测量包含信号的总大气辐射，也测量带外杂散光，将总大气辐射强度减去带外杂散光，在保证高灵敏度的基础上获得所需测量的气辉辐射。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
本发明的差分测量方法，保证了仪器的测量灵敏度，在同时测量道信号和杂散光后，采用单独通道测量出杂散光强度，通过差分处理可以获得信号值。该种测量方法对于小型化高灵敏度探测仪器非常有效。
附图说明
图1地球反射强度随光谱分布图；
图2 WSO探测器量子效率；
图3日本滨松公司CsI阴极探测器量子效率；
图4夜间紫外辐射光谱分布情况；
图5为本发明差分测量滤光片轮的结构示意图；
附图标记：
1、滤光片轮；2、通孔；3、石英晶体滤光片；4、LBH带通滤光片；5、压片； 6、LBH带通滤光片；7、135.6nm带通滤光片；8、石英晶体滤光片；
图6为135.6nm带通滤光片透过率结果；
图7为LBH带带通滤光片透过率结果；
图8为LBH带带通滤光片与SiO2晶体窗口组合透过率结果；
图9为未经过差分处理时夜间135.6nm通道(通孔)测量结果；
图10为夜间杂散光通道(SiO2晶体窗口)测量结果；
图11为差分处理后夜间135.6nm测量结果；
图12为未经过差分处理时白天LBH带通道测量结果；
图13为白天杂散光通道(LBH带通滤光片+SiO2晶体窗口)测量结果；
图14为差分处理后白天LBH带测量结果。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
本发明应用的对象是中科院空间中心研制的电离层光度计，仪器通过其前置抛物面反射镜将100-800km高度大气辐射反射进入仪器内部，经过1片0.5mm厚的真空紫外级别BaF2晶体窗口滤除130nm以下的短波辐射，再经滤光片轮，通过控制滤光片轮的转动，使得不同波段的光顺序通过，最后汇聚到CsI阴极的光电倍增管上。
下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。
实施例1
如图5所示，一种用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮，所述滤光片轮包括轮盘1，所述轮盘1上设置四个圆孔和通孔2；
四个圆孔中，第一个圆孔中安装LBH带通滤光片4与石英晶体滤光片3的组合滤光片，第二个圆孔中安装LBH带通滤光片6，第三个圆孔中安装135.6nm带通滤光片7，第四个圆孔中安装石英晶体滤光片8。
本发明中，采用压片5将滤光片固定安装在圆孔中。
实施例2
一种基于上述滤光片轮的远紫外波段带外杂散光差分测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
1)将大气辐射通过反射光学原件反射到达滤光片轮；
2)利用滤光片轮上不同滤光片，分别测量总大气辐射和带外辐射，通过数据处理，利用测量的总大气辐射值减去带外辐射值，从而获得信号值。
进一步地，步骤2)具体包括如下步骤：
测量夜间气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到通孔，测量包括135.6nm气辉辐射和部分190nm以上的月光、地球散射光的辐射信号(如图9所示)；测量完毕后滤光片轮转到石英晶体滤光片的位置，利用石英晶体滤光片测量190nm以上的月光及地球散射光辐射(测量结果如图10所示)；测量完成，在进行数据处理时将通孔位置测量的信号减去石英晶体滤光片的位置测量的信号，得到夜间135.6nm的气辉 (测量结果如图11所示)；
测量白天气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到135.6nm带通滤光片的位置，测量135.6nm辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度；测量完成后转到LBH 带通滤光片的位置，测量LBH带辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度(测量结果如图12所示)；测量完成后，转到LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置，通过LBH带滤光片和石英晶体滤光片叠加测量，获得190nm以上太阳后向散射辐射强度(测量结果如图13所示)；
测量完成，在进行数据处理时将135.6nm带通滤光片的位置测量的数据减去 LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，得到剔除太阳后向散射后135.6nm的辐射强度；将LBH带通滤光片的位置测量的数据减去LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，获得LBH带的辐射强度(测量结果如图14所示)。
本发明公开了一种采用差分测量方法，实现对高灵敏度远紫外波段探测中带外(190nm以上)杂散光去除。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种远紫外波段带外杂散光差分测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
1)将大气辐射通过反射光学元件反射到达滤光片轮；
2)测量夜间气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到通孔，测量包括135.6nm气辉辐射和部分190nm以上的月光、地球散射光的辐射信号；测量完毕后滤光片轮转到石英晶体滤光片的位置，利用石英晶体滤光片测量190nm以上的月光及地球散射光辐射；测量完成，在进行数据处理时将通孔位置测量的信号减去石英晶体滤光片的位置测量的信号，得到夜间135.6nm的气辉；
测量白天气辉时，首先将滤光片轮工作区域转到135.6nm带通滤光片的位置，测量135.6nm辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度；测量完成后转到LBH带通滤光片的位置，测量LBH带辐射及190nm以上太阳后向散射的总辐射强度；测量完成后，转到LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置，通过LBH带滤光片和石英晶体滤光片叠加测量，获得190nm以上太阳后向散射辐射强度；
测量完成，在进行数据处理时将135.6nm带通滤光片的位置测量的数据减去LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，得到剔除太阳后向散射后135.6nm的辐射强度；将LBH带通滤光片的位置测量的数据减去LBH带通滤光片和石英晶体滤光片的组合位置测量的数据，获得LBH带的辐射强度；
所述滤光片轮包括轮盘(1)，所述轮盘(1)上设置四个圆孔和通孔(2)；
四个圆孔中，第一个圆孔中安装LBH带通滤光片与石英晶体滤光片的组合滤光片，第二个圆孔中安装LBH带通滤光片，第三个圆孔中安装135.6nm带通滤光片，第四个圆孔中安装石英晶体滤光片。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，采用压片将滤光片固定安装在圆孔中。
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2019
- 2019-01-10 CN CN201910023026.0A patent/CN111426380B/zh active Active
Patent Citations (5)
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