CN113484848A - 一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置及方法，包括视场光阑、非球面准直反射镜、光栅、第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜、第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑，所述视场光阑、非球面准直反射镜、光栅、第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜、第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑分别固定于固定安装板上，所述视场光阑与非球面准直反射镜相对设置，且位于所述非球面准直反射镜前面固定安装有微孔光阑，所述非球面准直反射镜焦点位置与光栅对应，所述光栅底部固定设有光栅固定架，所述光栅与所述第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜对应。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境遥感监测技术领域，特别涉及一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置及方法。
背景技术
大气成分环境激光雷达通常基于差分吸收技术原理，系统向大气中发射两个波长非常接近的激光束，其中一束激光的波长位于待测气体吸收强的位置，而另一束波长位于待测气体吸收较弱或无吸收的位置，气体分子和气溶胶对两束激光的消光系数和后向散射作用基本相同，可根据两个波长的回波信号确定共同路径上的待测气体分子浓度，激光器发射λ1、λ2和λ3激光，这三个紫外激光束激光经扩束、准直后垂直发射到大气中，与大气气溶胶发生Mie散射和与大气分子发生Rayleigh散射，其后向散射光被接收望远镜所接收。望远镜接收后的通过分光系统进行分光，将不同波长的激光分光后，通过光电倍增管进行光电转换，最后由采集卡采集数据保存在计算机中，通过软件处理获取待测气体浓度。
然而传统分光系统采用分光镜分光法，即通过在基片上镀膜制作分光镜，一个分光镜无法分离出三个波长，分离出三个波长需要要两个分光镜，三个波长最小波长差为几十纳米，波长之间干扰不可忽视，另外，由于太阳光干扰，必须安装窄带干涉滤光片，将干扰光滤除。带宽小于1nm的窄带滤光片多数依赖于进口，且价格昂贵。
基于以上因素，本申请人为了提高谱分辨率，同时大大降低成本，提出一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置及方法，来解决上述所提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，包括视场光阑、非球面准直反射镜、光栅、第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜、第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑，所述视场光阑、非球面准直反射镜、光栅、第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜、第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑分别固定于固定安装板上；
所述视场光阑与非球面准直反射镜相对设置，且位于所述非球面准直反射镜前面固定安装有微孔光阑；
所述非球面准直反射镜焦点位置与光栅对应，所述光栅底部固定设有光栅固定架；
所述光栅与所述第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜对应；
所述第一微孔光阑后对应设置有偏振棱镜，偏振棱镜固定于固定板上，且偏振棱镜后固定设有第三探测器，所述第三探测器固定于固定板上，位于所述偏振棱镜上方对应设有第四探测器，第四探测器固定于固定板上；
所述第一微孔光阑后安装准直透镜，准直透镜位于第一微孔光阑与偏振棱镜之间，准直透镜焦点位置与第一微孔光阑中心重合。
进一步地，所述微孔光阑中心开设有微孔，所述非球面准直反射镜的焦点位置与微孔光阑中心重合。
进一步地，所述非球面准直反射镜为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面准直反射镜准直后与入射光成一定角度反射到光栅上。
进一步地，所述第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜反射的光信号聚到第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑中心；
所述第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜固定于反射镜架的固定孔内,反射镜架底部固定设有反射镜座，反射镜座与固定板螺装连接。
进一步地，所述第二微孔光阑、第三微孔光阑后对应设置有第一探测器、第二探测器。
进一步地，所述视场光阑设置于微调整架上，且微调整架通过螺装连接于调整支架上，所述微调整架的上端及侧面上设置有调节旋钮。
一种用于环境监测激光雷达高光谱分光方法，所述视场光阑与非球面准直反射镜对应，视场光阑中心开有微孔，用于接收激光雷达接收望远镜聚焦后的回波信号，非球面准直反射镜的焦点位置与视场光阑中心重合，非球面反射镜为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面反射镜准直后与入射光成一定角度反射到光栅上，λ1、λ2和λ3波长的光经光栅衍射分光，以不同的角度被反射到第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜上，非球面聚焦镜的焦距为f，非球面聚焦反射镜的焦点处安装第一微孔光阑、第二微孔光阑、第三微孔光阑，微孔光阑直径为Φ；
不同波长光信号经光栅衍射角由以下公式决定：
d(sinβ+sinθ)＝mλ (1)
d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次；
波长为λ1、λ2和λ3光信号经第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜后，分别被会聚到第三微孔光阑、第二微孔光阑、第一微孔光阑中心，λ1、λ2光信号通过第三微孔光阑、第二微孔光阑后被第一探测器、第二探测器接收；
第一微孔光阑后安装准直透镜，准直透镜焦点位置与第一微孔光阑中心重合，波长为λ3光信号通过第一微孔光阑后，经过偏振分光棱镜，p波透射到第三探测器，s波经反射到第四探测器，用于偏振探测；
系统对各波长的带宽为：
Δλ＝d(sinβ+sinθλ1)-d(sinβ+sinθλ2)＝d(sinθλ1-sinθλ2) (2)
式中θλ1、θλ2光栅对相邻波长的衍射角；
微孔光阑半径对非球面聚焦透镜张角为α＝Φ/2f，此张角代表了以中心波长为λ的衍射角两个边缘的变化范围，分别为θλ+Φ/2f与θλ-Φ/2f，带入公式(2)得到
Δλ＝d[sin(θλ+Φ/2f)-sin(θλ-Φ/2f)] (3)
如果系统光栅常数为d为1/2400mm，入射角β为10度，非球面聚焦镜焦距为600mm，微孔光阑直径为0.3mm，波长为266nm，带入公式(1)与(3)，可得光谱带宽为0.18nm。
进一步地，所述光栅上的光栅刻槽方向与子午面平行，准直光经光栅分光后，不同波长的光反射角度不同，λ1、λ2和λ3波长光分别入射到第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、第三聚焦反射镜上，其中λ1＜λ2＜λ3。
进一步地，所述λ1、λ2和λ3波长的光信号分别通过小孔进入第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器；
所述第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器为光电倍增管探测器，λ1和λ2波长信号直接进入第一探测器、第二探测器的光敏面，λ3光进入准直透镜。
进一步地，所述准直透镜由石英玻璃制成，双面镀紫外增透膜，准直后到达偏振棱镜；
所述偏振分光棱镜由偏硼酸钡晶体制成，λ3波长激光P波与S波分别被偏振分光棱镜透射及反射，分别被探测器接收。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：系统光栅常数为d为1/2400mm，入射角β为10度，非球面聚焦镜焦距为600mm，微孔光阑直径为0.3mm，波长为266nm，带入公式(1)与(3)，可得光谱带宽为0.18nm。
该系统光谱带宽很窄，大大提高了接收信号的光谱纯度，有效的抑制了阳光噪声，提高了系统的测量精度，该发明具有较高的光谱分辨率，同时成本大大降低。
附图说明
图1是本发明整体光路示意图；
图2是本发明反射镜架主视图；
图3是本发明反射镜架侧视图；
图4是本发明反射镜架俯视图；
图5是本发明调整支架俯视图；
图6是本发明调整支架与微调整架连接示意图。
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做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。
图1-6所示，一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，包括视场光阑1、非球面准直反射镜2、光栅3、第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6、第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9，所述视场光阑1、非球面准直反射镜2、光栅3、第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6、第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9分别固定于固定安装板上；
所述视场光阑1与非球面准直反射镜2相对设置，且位于所述非球面准直反射镜2前面固定安装有微孔光阑；
所述非球面准直反射镜2焦点位置与光栅3对应，所述光栅3底部固定设有光栅固定架10；
所述光栅固定架10由立板及圆形底座组成，且立板及圆形底座一体成型，所述圆形底座上对称开有腰形孔，用于与固定板螺装配合，位于立板上固定有光栅3。
所述光栅3与所述第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6对应；
所述第一微孔光阑7后对应设置有偏振棱镜14，偏振棱镜14固定于固定板上，且偏振棱镜14后固定设有第三探测器15，所述第三探测器15固定于固定板上，位于所述偏振棱镜14上方对应设有第四探测器16，第四探测器16固定于固定板上；
所述第一微孔光阑后安装准直透镜，准直透镜位于第一微孔光阑与偏振棱镜之间，准直透镜焦点位置与第一微孔光阑中心重合。
为了保证视场光阑与非球面准直反射镜2的光反射重合，本发明进一步优选的技术方案为，所述微孔光阑中心开设有微孔，所述非球面准直反射镜2的焦点位置与微孔光阑中心重合。
所述视场光阑中心设有小孔，用于滤除视场外杂散光，望远镜接收信号经视场光阑后到达非球面准直反射镜2。
为了保证在使用状态下通过非球面准直反射镜2将入射光投射到光栅3上，本发明进一步优选的技术方案为，所述非球面准直反射镜2为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面准直反射镜2准直后与入射光成一定角度反射到光栅3上。
所述非球面准直反射镜2为离轴非球面抛物面反射镜，反射面镀高反射介质膜，信号光经非球面准直反射镜2后，准直光达到光栅3上。
所述第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6反射的光信号聚到第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9中心；
所述第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6固定于反射镜架19的固定孔内,反射镜架19底部固定设有反射镜座20，反射镜座20与固定板螺装连接。
所述反射镜架19上固定开有与第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6相匹配的固定孔，第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6卡接于固定孔内，所述反射镜架19上端对称设置有凸出的螺栓固定头用于把合反射镜架19。
所述反射镜座20上固定开有对称的腰形孔，通过设置腰形孔能够对反射镜座20进行微调整(反射镜座20与固定板螺装配合固定)。
所述第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6由离轴非球面反射镜构成，反射面镀高反射介质膜，三波长光分别被聚焦到第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9上。
所述第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9上同样设置了与所述视场光阑1相同的微调整架及微调支架，便于从整体调整角度及在X、Y方向上做微调整。
所述第二微孔光阑8、第三微孔光阑9后对应设置有第一探测器11、第二探测器12。
为了便于调整视场光阑1的角度，本发明进一步优选的技术方案为，所述视场光阑1设置于微调整架18上，且微调整架18通过螺装连接于调整支架17上，所述微调整架18的上端及侧面上设置有调节旋钮。
通过微调支架18上端面及侧端上设置的可活动的调节旋钮，能够根据需要对视场光阑1在X、Y方向进行微调。
所述调整支架17底面的与固定板配合的平台上固定开有腰型孔，便于根据需要做调整，从整体调节调整支架17的角度。
所述视场光阑中心设有微孔，用于接收激光雷达接收望远镜聚焦后的回波信号，非球面准直反射镜2的焦点位置与微孔光阑中心重合，非球面准直反射镜2为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面准直反射镜2准直后与入射光成一定角度反射到光栅3上，266nm、289nm、316nm波长的光经光栅3衍射分光，以不同的角度被反射到第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6上，第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6的焦距为f，第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6的焦点处安装第一微孔光阑7、第二微孔光阑8、第三微孔光阑9，微孔光阑直径为Φ。
不同波长光信号经光栅衍射角由以下公式决定：
d(sinβ+sinθ)＝mλ (1)
d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次。
波长为266nm、289nm、316nm光信号经第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6后，分别被会聚到微孔光阑第三微孔光阑9、第二微孔光阑8、第一微孔光阑7中心，266nm与289nm光信号通过第三微孔光阑9、第二微孔光阑8后被第一探测器11、第二探测器12接收。
第一微孔光阑7后安装准直透镜13，准直透镜13焦点位置与第一微孔光阑7中心重合，波长为316nm光信号通过第一微孔光阑7后，经过偏振分光棱镜，p波透射到第三探测器15，s波经反射到第四探测器16，用于偏振探测。
系统对各波长的带宽为：
Δλ＝d(sinβ+sinθλ1)-d(sinβ+sinθλ2)＝d(sinθλ1-sinθλ2) (2)
式中θλ1、θλ2光栅对相邻波长的衍射角。
在本发明中，所述视场光阑(微孔光阑)半径对非球面聚焦透镜张角为α＝Φ/2f，此张角代表了以中心波长为λ的衍射角两个边缘的变化范围，分别为θλ+Φ/2f与θλ-Φ/2f，带入公式(2)得到
Δλ＝d[sin(θλ+Φ/2f)-sin(θλ-Φ/2f)] (3)
如果光栅常数为d为1/2400mm，入射角β为10度，非球面聚焦镜焦距为600mm，微孔光阑直径为0.3mm，波长为266nm，带入公式1与3，可得光谱带宽为0.18nm。
所述光栅3上的光栅刻槽方向与子午面平行，准直光经光栅3分光后，不同波长的光反射角度不同，λ1、λ2和λ3(266nm、289nm、316nm)波长光分别入射到第一聚焦反射镜4、第二聚焦反射镜5、第三聚焦反射镜6上，其中λ1＜λ2＜λ3。
所述λ1、λ2和λ3(266nm、289nm、316nm)波长的光信号分别通过小孔进入第一探测器11、第二探测器12、第三探测器15、第四探测器16；
所述第一探测器11、第二探测器12、第三探测器15、第四探测器16为光电倍增管探测器，λ1和λ2波长信号直接进入第一探测器11、第二探测器12的光敏面，用与微弱信号探测，λ3光进入准直透镜13。
所述准直透镜13由石英玻璃制成，双面镀紫外增透膜，准直后到达偏振棱镜；
所述偏振分光棱镜由偏硼酸钡晶体制成，λ3波长激光P波与S波分别被偏振分光棱镜透射及反射，分别被探测器接收。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，其特征在于：包括视场光阑(1)、非球面准直反射镜(2)、光栅(3)、第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)、第一微孔光阑(7)、第二微孔光阑(8)、第三微孔光阑(9)，所述视场光阑(1)、非球面准直反射镜(2)、光栅(3)、第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)、第一微孔光阑(7)、第二微孔光阑(8)、第三微孔光阑(9)分别固定于固定安装板上；
所述视场光阑(1)与非球面准直反射镜(2)相对设置，所述视场光阑(1)中心开设有微孔，所述非球面准直反射镜(2)的焦点位置与所述视场光阑(1)中心重合；
所述非球面准直反射镜(2)焦点位置与光栅(3)对应，所述光栅(3)底部固定设有光栅固定架(10)；
所述光栅(3)与所述第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)对应；
所述第一微孔光阑(7)后对应设置有偏振棱镜(14)，偏振棱镜(14)固定于固定板上，且偏振棱镜(14)后固定设有第三探测器(15)，所述第三探测器(15)固定于固定板上，位于所述偏振棱镜(14)上方对应设有第四探测器(16)，第四探测器(16)固定于固定板上；
所述第一微孔光阑(7)后安装准直透镜(13)，准直透镜(13)位于第一微孔光阑(7)与偏振棱镜(14)之间，准直透镜(13)焦点位置与第一微孔光阑(7)中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，其特征在于：所述非球面准直反射镜(2)为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面准直反射镜(2)准直后与入射光成一定角度反射到光栅(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，其特征在于：所述第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)反射的光信号聚到第一微孔光阑(7)、第二微孔光阑(8)、第三微孔光阑(9)中心；
所述第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)固定于反射镜架(19)的固定孔内,反射镜架(19)底部固定设有反射镜座(20)，反射镜座(20)与固定板螺钉连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，其特征在于：所述第二微孔光阑(8)、第三微孔光阑(9)后对应设置有第一探测器(11)、第二探测器(12)。
5.根据权利要求1所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光装置，其特征在于：所述视场光阑(1)设置于微调整架(18)上，且微调整架(18)通过螺钉连接于调整支架(17)上，所述微调整架(18)的上端及侧面上设置有调节旋钮。
6.根据权利要求1-5所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光方法，其特征在于：所述视场光阑(1)与非球面准直反射镜(2)对应，视场光阑(1)中心开有微孔，用于接收激光雷达接收望远镜聚焦后的回波信号，非球面准直反射镜(2)的焦点位置与所述视场光阑(1)中心重合，非球面反射镜为离轴抛物面反射镜，入射光经非球面反射镜准直后与入射光成一定角度反射到光栅(3)上，λ1、λ2和λ3波长的光经光栅(3)衍射分光，以不同的角度被反射到第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)上，非球面聚焦镜的焦距为f，非球面聚焦反射镜的焦点处安装第一微孔光阑(7)、第二微孔光阑(8)、第三微孔光阑(9)；
波长为λ1、λ2和λ3光信号经第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)后，分别被会聚到第三微孔光阑(9)、第二微孔光阑(8)、第一微孔光阑(7)中心，λ1、λ2光信号通过第三微孔光阑(9)、第二微孔光阑(8)后被第一探测器(11)、第二探测器(12)接收；
第一微孔光阑(7)后安装准直透镜(13)，准直透镜(13)焦点位置与第一微孔光阑(7)中心重合，波长为λ3光信号通过第一微孔光阑(7)后，经过偏振分光棱镜，p波透射到第三探测器(15)，s波经反射到第四探测器(16)，用于偏振探测；
系统对各波长的带宽为：
Δλ＝d(sinβ+sinθλ1)-d(sinβ+sinθλ2)＝d(sinθλ1-sinθλ2) (2)
式中θλ1、θλ2光栅对相邻波长的衍射角；
微孔光阑半径对非球面聚焦透镜张角为α＝Φ/2f，此张角代表了以中心波长为λ的衍射角两个边缘的变化范围，分别为θλ+Φ/2f与θλ-Φ/2f，带入公式(2)得到
Δλ＝d[sin(θλ+Φ/2f)-sin(θλ-Φ/2f)] (3)
如果系统光栅常数为d为1/2400mm，入射角β为10度，非球面聚焦镜焦距为600mm，微孔光阑直径为0.3mm，波长为266nm，带入公式(1)与(3)，可得光谱带宽为0.18nm。
7.根据权利要求6所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光方法，其特征在于：所述光栅(3)上的光栅刻槽方向与子午面平行，准直光经光栅(3)分光后，不同波长的光反射角度不同，λ1、λ2和λ3波长光分别入射到第一聚焦反射镜(4)、第二聚焦反射镜(5)、第三聚焦反射镜(6)上，其中λ1＜λ2＜λ3。
8.根据权利要求7所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光方法，其特征在于：所述λ1、λ2和λ3波长的光信号分别通过小孔进入第一探测器(11)、第二探测器(12)、第三探测器(15)、第四探测器(16)；
所述第一探测器(11)、第二探测器(12)、第三探测器(15)、第四探测器(16)为光电倍增管探测器，λ1和λ2波长信号直接进入第一探测器(11)、第二探测器(12)的光敏面，用与微弱信号探测，λ3光进入准直透镜(13)。
9.根据权利要求8所述的一种用于环境监测激光雷达高光谱分光方法，其特征在于：所述准直透镜(13)由石英玻璃制成，双面镀紫外增透膜，准直后到达偏振棱镜；
所述偏振分光棱镜由偏硼酸钡晶体制成，λ3波长激光P波与S波分别被偏振分光棱镜透射及反射，分别被探测器接收。
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