CN111623872B - 一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置 - Google Patents
一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置，包括：主承力框、激光合束系统、匀光系统和准直系统；其中，激光合束系统包括：定标光源单元组合、分色片组合、反射镜、分束镜和支撑立板；匀光系统包括：积分球和光阑；准直系统包括：反射镜一、反射镜二和滤光片；定标光源单元组合发出的不同定标波长光源通过分色片组合、反射镜和分束镜进行光路合束得到合束光路，最终照入匀光系统；积分球对合束光路进行匀光处理后并通过光阑入射到准直系统；滤光片对匀光处理后的合束光路的光强进行衰减得到衰减光，衰减光依次经过反射镜一和反射镜二准直后发射出去。本发明实现了光栅光谱仪的星上光谱定标和仪器线形函数监测。
Description
技术领域
本发明属于光谱定标技术领域，尤其涉及一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置。
背景技术
星上光谱定标是光谱仪类载荷数据定量化应用的基础。除了选用外界定标源(大气吸收线、太阳弗朗和费线)进行星上光谱定标外，越来越多的载荷选用内部定标源进行星上光谱定标。因为内部定标源可以在地面进行仿真测试，而且在轨定标时不需要卫星轨道和姿态的配合，较为方便。
MODIS选用积分球光源、滤光轮、单色仪系统和卡塞格林扩束装置组成光谱辐射定标装置。但单色仪系统的缺点是结构复杂，需要增加在轨遥感仪器体积重量，对可靠性要求较高。
EnMAP选用卤钨灯+稀土掺杂元素积分球作为内部定标源，宽谱段成像仪则选用了卤钨灯+掺杂镨钕元素漫射玻璃作为内定标光源。这2个载荷都选用了稀土掺杂元素来产生光谱定标时的光谱吸收特性，可达到较高的光谱定标精度，但吸收特性的波长是固定的，光谱仪的光谱范围需要去找寻相对应的有吸收特性波长的稀土元素，定标精度受谱线的分布位置和带宽限制。
TOPOMI选用大气吸收线进行星上光谱定标，内定标单元中包含了一个激光二极管和漫反射板对一个较关注的波长进行仪器线形函数监测。激光二极管的波长精度较高，而且可以对波长进行选择。但一个激光二极管只能对应一个波长，无法进行星上光谱定标。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术存在的不足，提供了一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置，该装置选用多个不同波长的可调谐激光二极管作为内定标光源，通过激光合束系统、匀光系统和准直系统，实现了光栅光谱仪的星上光谱定标和仪器线形函数监测。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置，包括：主承力框、激光合束系统、匀光系统和准直系统；其中，激光合束系统包括：定标光源单元组合、分色片组合、反射镜、分束镜和支撑立板；匀光系统包括：积分球和光阑；准直系统包括：反射镜一、反射镜二和滤光片；其中，激光合束系统中的定标光源单元组合、分色片组合、反射镜和分束镜均设置于支撑立板上；匀光系统中的光阑用螺钉设置于积分球上；支撑立板、积分球、反射镜一、反射镜二和滤光片均设置于主承力框上；激光合束系统中的定标光源单元组合发出的不同定标波长光源通过分色片组合、反射镜和分束镜进行光路合束得到合束光路，最终照入匀光系统；匀光系统中的积分球对合束光路进行匀光处理后并通过光阑入射到准直系统；准直系统中的滤光片对匀光处理后的合束光路的光强进行衰减得到衰减光，衰减光依次经过反射镜一和反射镜二准直后发射出去。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，所述定标光源单元组合包括第一定标光源单元、第二定标光源单元、第三定标光源单元、第四定标光源单元、第五定标光源单元、第六定标光源单元、第七定标光源单元和第八定标光源单元；所述分色片组合包括第一分色片、第二分色片、第三分色片、第四分色片、第五分色片和第六分色片；其中，第一定标光源单元的出射光通过第一分色片反射和分束镜透射，完成合束；第二定标光源单元的出射光通过第二分色片反射、反射镜反射和分束镜反射，完成合束；第三定标光源单元的出射光通过第三分色片反射、第一分色片透射和分束镜透射，完成合束；第四定标光源单元的出射光通过第四分色片反射、第二分色片透射、反射镜反射和分束镜反射，完成合束；第五定标光源单元的出射光通过第五分色片反射、第三分色片透射、第一分色片透射和分束镜透射，完成合束；第六定标光源单元的出射光通过第六分色片反射、第四分色片透射、第二分色片透射、反射镜反射和分束镜反射，完成合束；第七定标光源单元的出射光通过第五分色片透射、第三分色片透射、第一分色片透射和分束镜透射，完成合束；第八定标光源单元的出射光通过第六分色片透射、第四分色片透射、第二分色片透射、反射镜反射和分束镜反射，完成合束；最终实现个不同定标波长光源的合束。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，第一定标光源单元、第二定标光源单元、第三定标光源单元、第四定标光源单元、第五定标光源单元、第六定标光源单元、第七定标光源单元和第八定标光源单元的结构一样，均包括：可调谐激光二极管、准直镜、衰减片和电路板及电子学组件；其中，所述电路板及电子学组件与所述可调谐激光二极管相连接；可调谐激光二极管发出的光依次经过准直镜和衰减片后进入分色片组合；其中，每个可调谐激光二极管发出的光的波长各不相同。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，所述可调谐激光二极管包括半导体制冷器和测温传感器，通过电流对其温度进行调节；定标时，电路板及电子学组件通过电流改变可调谐激光二极管的温度，在其波长名义值±1nm的波长范围内进行波长扫描，从而提高该波长处的仪器线形函数精度。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，所述滤光片对于不同波长的透过率不同；所述的衰减片对可调谐激光二极管能量进行衰减；两者组合设计，实现各定标波长光源的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，所述积分球的材料为黄铜，所述积分球的内表面镀金。
上述光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置中，所述光阑的材料为黄铜，所述积分球的内表面镀金。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过选用不同波长的可调谐激光二极管作为光谱定标光源，可以对需要定标的波长进行选择；相比于单色仪系统，结构简单；相比于普通激光二极管，定标时通过在其波长名义值附近进行小范围的波长扫描，可提高该波长处的仪器线形函数精度；
(2)本发明通过激光合束系统，将多个定标光路进行合束；可根据光谱仪的谱段范围自行选择定标光源的波长和数量，从而满足光谱定标精度；
(3)本发明通过光学设计，实现定标光学系统的出瞳与光谱仪光学系统的入瞳相匹配，定标光源出射光的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内，最终可实现全口径、全视场、全谱段的星上光谱定标和仪器线形函数监测。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置的结构图；
图2为本发明的激光合束系统的一个结构图；
图3为本发明的激光合束系统的另一个结构图；
图4为本发明的匀光系统和准直系统结构图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明的光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置的结构图；图2为本发明的激光合束系统的一个结构图。如图1和图2所示，该光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置包括主承力框1、激光合束系统2、匀光系统3和准直系统4；其中，
激光合束系统2包括：定标光源单元组合21、分色片组合22、反射镜23、分束镜24和支撑立板25；匀光系统3包括：积分球31和光阑32；准直系统4包括：反射镜一41、反射镜二42和滤光片43；其中，
激光合束系统2中的定标光源单元组合21、分色片组合22、反射镜23和分束镜24均设置于支撑立板25上；匀光系统3中的光阑32用螺钉设置于积分球31上；支撑立板25、积分球31、反射镜一41、反射镜二42和滤光片43均设置于主承力框1上；
激光合束系统2中的定标光源单元组合21发出的不同定标波长光源通过分色片组合22、反射镜23和分束镜24进行光路合束得到合束光路，最终照入匀光系统3；匀光系统3中的积分球31对合束光路进行匀光处理后并通过光阑32入射到准直系统4；准直系统4中的滤光片43对匀光处理后的合束光路的光强进行衰减得到衰减光，衰减光依次经过反射镜一41和反射镜二42准直后发射出去。
在已知光谱仪光学系统设计的前提下，进行定标光路光学系统设计，从而完成该装置设计。可调谐激光二极管2101通过电路板及电子学组件2104进行控制，前面配置准直镜2102和衰减片2103，共同组成定标光源单元组合21。不同的定标光源单元组合21发射出不同定标波长的光源，通过分色片组合22、反射镜23、分束镜24后得到合束光路，照入匀光系统3；匀光系统3中的积分球31对合束光路进行匀光处理，通过与光谱仪光学系统入瞳尺寸和形状相匹配的光阑32后得到匀光光路，照入准直系统4；准直系统4中的滤光片43对匀光光路中各定标波长光强进行衰减，使其均满足光谱仪的动态范围；反射镜一41和反射镜二42对匀光光路进行准直，照入光谱仪光学系统入瞳。通过光学设计，使得定标光路光学系统的出瞳与光谱仪光学系统的入瞳相匹配，定标光源的出射光的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内，最终实现全口径、全视场、全谱段的星上光谱定标和仪器线形函数监测。
如图3所示，定标光源单元组合21包括第一定标光源单元211、第二定标光源单元212、第三定标光源单元213、第四定标光源单元214、第五定标光源单元215、第六定标光源单元216、第七定标光源单元217和第八定标光源单元218；
所述分色片组合22包括第一分色片221、第二分色片222、第三分色片223、第四分色片224、第五分色片225和第六分色片226；其中，
第一定标光源单元211的出射光通过第一分色片221反射和分束镜24透射，完成合束；第二定标光源单元212的出射光通过第二分色片222反射、反射镜23反射和分束镜24反射，完成合束；第三定标光源单元213的出射光通过第三分色片223反射、第一分色片221透射和分束镜24透射，完成合束；第四定标光源单元214的出射光通过第四分色片224反射、第二分色片222透射、反射镜23反射和分束镜24反射，完成合束；第五定标光源单元215的出射光通过第五分色片225反射、第三分色片223透射、第一分色片221透射和分束镜24透射，完成合束；第六定标光源单元216的出射光通过第六分色片226反射、第四分色片224透射、第二分色片222透射、反射镜23反射和分束镜24反射，完成合束；第七定标光源单元217的出射光通过第五分色片225透射、第三分色片223透射、第一分色片221透射和分束镜24透射，完成合束；第八定标光源单元218的出射光通过第六分色片226透射、第四分色片224透射、第二分色片222透射、反射镜23反射和分束镜24反射，完成合束；最终实现8个不同定标波长光源的合束。
如图3所示，第一定标光源单元211、第二定标光源单元212、第三定标光源单元213、第四定标光源单元214、第五定标光源单元215、第六定标光源单元216、第七定标光源单元217和第八定标光源单元218的结构一样，均包括：可调谐激光二极管2101、准直镜2102、衰减片2103和电路板及电子学组件2104；其中，所述电路板及电子学组件2104与所述可调谐激光二极管2101相连接；可调谐激光二极管2101发出的光依次经过准直镜2102和衰减片2103后进入分色片组合22；其中，每个可调谐激光二极管2101发出的光的波长各不相同。
如图4所示，积分球31、光阑32材料为黄铜，装配完成后内表面镀金，出口处光谱辐亮度满足一定均匀性要求。光阑32开口尺寸通过设计，与光谱仪入瞳相匹配。匀光系统通过积分球31的底座装调、安装在主承力框上。滤光片43对各定标波长光强进行衰减，使其均满足光谱仪的动态范围。反射镜一41、反射镜二42进行组合设计，对合束、匀光后的定标光线进行准直，最终照亮光谱仪的入瞳。滤光片43、反射镜一41、反射镜二42各自分别进行进行装框注胶，再将组件分别装配到主承力框上。
整个定标装置装配完成后，与光谱仪一起进行整机测试。在真空罐低温真空环境中进行定标装置的地面定标，通过数据采集、高斯拟合、多项式拟合等步骤，即可完成星上光谱定标及仪器线形函数监测的地面模拟。
可调谐激光二极管2101波长可根据光谱仪的谱段范围自行选择，并通过激光合束系统2进行多个单色光谱合并，以满足光谱仪的工作光谱范围和光谱定标精度需要。
分色片组合22可分别对不同波长的光实现透射或反射；所述的分束镜24可对混合波长的光实现一半能量反射、一半能量透射；在选择了可调谐激光二极管2101波长、数量后，设计分色片组合22、反射镜23、分束镜24的光谱特性，设置定标光源单元组合21、分色片组合22、反射镜23、分束镜24的位置关系，实现多个单色定标光谱合并。
可调谐激光二极管2101，内部集成半导体制冷器和测温传感器，可通过电流对其温度进行调节；定标时，电路板及电子学组件2104通过电流改变可调谐激光二极管2101温度，在其波长名义值附近进行小范围(±1nm左右，因波长名义值不同略有变化)的波长扫描，从而提高该波长处的仪器线形函数精度。
滤光片43对于不同波长的透过率不同；所述的衰减片2103对相对应的可调谐激光二极管2101能量进行衰减；两者组合设计，实现定标光源的各波长出射光的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内。
积分球31、光阑32材料为黄铜，装配完成后内表面镀金，出口处光谱辐亮度满足一定均匀性要求。
本发明通过选用不同波长的可调谐激光二极管作为光谱定标光源，可以对需要定标的波长进行选择；相比于单色仪系统，结构简单；相比于普通激光二极管，定标时通过在其名义波长值附近进行小范围的波长扫描，可提高该波长处的仪器线形函数精度；本发明通过激光合束系统，将多个定标光路进行合束；可根据光谱仪的谱段范围自行选择定标光源的波长和数量，从而满足光谱定标精度；本发明通过光学设计，实现定标光学系统的出瞳与光谱仪光学系统的入瞳相匹配，定标光源出射光的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内，最终可实现全口径、全视场、全谱段的星上光谱定标和仪器线形函数监测。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种光栅光谱仪星上光谱定标及仪器线形函数监测装置，其特征在于包括：主承力框(1)、激光合束系统(2)、匀光系统(3)和准直系统(4)；其中，
激光合束系统(2)包括：定标光源单元组合(21)、分色片组合(22)、反射镜(23)、分束镜(24)和支撑立板(25)；匀光系统(3)包括：积分球(31)和光阑(32)；准直系统(4)包括：反射镜一(41)、反射镜二(42)和滤光片(43)；其中，
激光合束系统(2)中的定标光源单元组合(21)、分色片组合(22)、反射镜(23)和分束镜(24)均设置于支撑立板(25)上；匀光系统(3)中的光阑(32)用螺钉设置于积分球(31)上；支撑立板(25)、积分球(31)、反射镜一(41)、反射镜二(42)和滤光片(43)均设置于主承力框(1)上；
激光合束系统(2)中的定标光源单元组合(21)发出的不同定标波长光源通过分色片组合(22)、反射镜(23)和分束镜(24)进行光路合束得到合束光路，最终照入匀光系统(3)；匀光系统(3)中的积分球(31)对合束光路进行匀光处理后并通过光阑(32)入射到准直系统(4)；准直系统(4)中的滤光片(43)对匀光处理后的合束光路的光强进行衰减得到衰减光，衰减光依次经过反射镜一(41)和反射镜二(42)准直后发射出去；
所述定标光源单元组合(21)包括第一定标光源单元(211)、第二定标光源单元(212)、第三定标光源单元(213)、第四定标光源单元(214)、第五定标光源单元(215)、第六定标光源单元(216)、第七定标光源单元(217)和第八定标光源单元(218)；
所述分色片组合(22)包括第一分色片(221)、第二分色片(222)、第三分色片(223)、第四分色片(224)、第五分色片(225)和第六分色片(226)；其中，
第一定标光源单元(211)的出射光通过第一分色片(221)反射和分束镜(24)透射，完成合束；第二定标光源单元(212)的出射光通过第二分色片(222)反射、反射镜(23)反射和分束镜(24)反射，完成合束；第三定标光源单元(213)的出射光通过第三分色片(223)反射、第一分色片(221)透射和分束镜(24)透射，完成合束；第四定标光源单元(214)的出射光通过第四分色片(224)反射、第二分色片(222)透射、反射镜(23)反射和分束镜(24)反射，完成合束；第五定标光源单元(215)的出射光通过第五分色片(225)反射、第三分色片(223)透射、第一分色片(221)透射和分束镜(24)透射，完成合束；第六定标光源单元(216)的出射光通过第六分色片(226)反射、第四分色片(224)透射、第二分色片(222)透射、反射镜(23)反射和分束镜(24)反射，完成合束；第七定标光源单元(217)的出射光通过第五分色片(225)透射、第三分色片(223)透射、第一分色片(221)透射和分束镜(24)透射，完成合束；第八定标光源单元(218)的出射光通过第六分色片(226)透射、第四分色片(224)透射、第二分色片(222)透射、反射镜(23)反射和分束镜(24)反射，完成合束；最终实现8个不同定标波长光源的合束；
第一定标光源单元(211)、第二定标光源单元(212)、第三定标光源单元(213)、第四定标光源单元(214)、第五定标光源单元(215)、第六定标光源单元(216)、第七定标光源单元(217)和第八定标光源单元(218)的结构一样，均包括：可调谐激光二极管(2101)、准直镜(2102)、衰减片(2103)和电路板及电子学组件(2104)；其中，所述电路板及电子学组件(2104)与所述可调谐激光二极管(2101)相连接；可调谐激光二极管(2101)发出的光依次经过准直镜(2102)和衰减片(2103)后进入分色片组合(22)；其中，每个可调谐激光二极管(2101)发出的光的波长各不相同；
所述可调谐激光二极管(2101)包括半导体制冷器和测温传感器，通过电流对其温度进行调节；定标时，电路板及电子学组件(2104)通过电流改变可调谐激光二极管(2101)的温度，在其波长名义值±1nm的波长范围内进行波长扫描，从而提高该波长处的仪器线形函数精度；
所述滤光片(43)对于不同波长的透过率不同；所述的衰减片(2103)对可调谐激光二极管(2101)能量进行衰减；两者组合设计，实现各定标波长光源的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内；
所述积分球(31)的材料为黄铜，所述积分球(31)的内表面镀金；
所述光阑(32)的材料为黄铜，所述积分球(31)的内表面镀金；
在已知光谱仪光学系统设计的前提下，进行定标光路光学系统设计，从而完成该装置设计；可调谐激光二极管(2101)通过电路板及电子学组件(2104)进行控制，前面配置准直镜(2102)和衰减片(2103)，共同组成定标光源单元组合(21)；不同的定标光源单元组合(21)发射出不同定标波长的光源，通过分色片组合(22)、反射镜(23)、分束镜(24)后得到合束光路，照入匀光系统(3)；匀光系统(3)中的积分球(31)对合束光路进行匀光处理，通过与光谱仪光学系统入瞳尺寸和形状相匹配的光阑(32)后得到匀光光路，照入准直系统(4)；准直系统(4)中的滤光片(43)对匀光光路中各定标波长光强进行衰减，使其均满足光谱仪的动态范围；反射镜一(41)和反射镜二(42)对匀光光路进行准直，照入光谱仪光学系统入瞳；通过光学设计，使得定标光路光学系统的出瞳与光谱仪光学系统的入瞳相匹配，定标光源的出射光的光谱辐亮度均在光谱仪的动态范围内，最终实现全口径、全视场、全谱段的星上光谱定标和仪器线形函数监测；
光阑(32)开口尺寸通过设计，与光谱仪入瞳相匹配；匀光系统通过积分球(31)的底座装调、安装在主承力框上；滤光片(43)对各定标波长光强进行衰减，使其均满足光谱仪的动态范围；反射镜一(41)、反射镜二(42)进行组合设计，对合束、匀光后的定标光线进行准直，最终照亮光谱仪的入瞳；滤光片(43)、反射镜一(41)、反射镜二(42)各自分别进行进行装框注胶，再将组件分别装配到主承力框上。
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