CN213516868U - 一种非对称空间外差干涉仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对利用630nm氧原子红线进行大气风场探测技术，提出了一种非对称空间外差干涉仪系统，解决了传统的空间外差干涉仪存在对于中高层大气风场的探测的灵敏度降低、光谱分辨率变差的技术问题。本实用新型干涉仪系统包括沿光路依次设置的前置光学组件、非对称空间外差干涉仪、条纹成像装置和探测器。其中，非对称空间外差干涉仪包括分束棱镜、两个视场展宽棱镜和两个闪耀光栅，闪耀光栅和视场展宽棱镜的后表面平行，且干涉仪两臂的闪耀光栅与视场展宽棱镜的间隔相等。在Littrow波长为630.96nm，并给定Littrow角、棱镜材料、干涉仪视场角的条件下，优化得到视场展宽棱镜顶角α均为12.56°，视场展宽棱镜与分束棱镜的夹角γ均为6.792°。

Description

一种非对称空间外差干涉仪系统

技术领域

本实用新型涉及一种光谱探测技术中所使用的干涉仪系统，具体涉及一种利用630nm氧原子红线进行大气风场探测的非对称空间外差干涉仪系统。

背景技术

大气风场是中高层大气的一个重要参量，大气风场的测量对于研究大气的活动规律、太阳活动过程中各大气层之间的耦合情况、提高数值天气预报的准确性，以及航空航天保障等方面都具有非常重要的意义。

现有的大气风场探测技术主要包括法布里-珀罗干涉大气风场探测技术、迈克尔逊干涉大气风场探测技术以及空间外差干涉大气风场探测技术等。法布里-珀罗干涉大气风场探测技术具有高光谱分辨率、灵敏度高等特点，但其干涉仪视场小、通量低，对法布里-珀罗标准具的精度要求极高。迈克尔逊干涉大气风场探测技术需要移动动镜进行步进扫描，系统一次只能对一条谱线进行探测，降低了仪器的使用效率。

空间外差干涉大气风场探测技术无移动部件，具有较高的光谱分辨率、高通量、高稳定性等特点。但因传统空间外差干涉大气风场探测技术的大气风场探测目标源，依然选择的是大气层中自然存在的目标源，而对于中高层大气风场的探测，这些探测目标源的强度往往较弱，因而容易导致其探测的灵敏度降低、光谱分辨率变差；另外，此类干涉仪的体积较大，加工装配难度较高。

发明内容

本实用新型针对传统的空间外差干涉仪存在对于中高层大气风场的探测，容易导致探测的灵敏度降低、光谱分辨率变差的技术问题，而提出了一种非对称空间外差干涉仪系统，可以实现对目标源的高光谱分辨率和高灵敏度的多普勒频移探测。

本实用新型的技术思路是：干涉法大气风场探测目标源选择的是大气层中自然存在的目标源，例如气辉和极光。对于中高层大气风场的探测，常用的是可见光波段的气辉，研究发现630nm氧原子气辉红线在可见光波段的辐射强度较高，辐射峰值高度在250km左右，可以作为探测的目标谱线。利用空间外差干涉仪，可以通过630nm氧原子红线的多普勒频移量反演出中高层大气风场的运动速度。

为解决上述技术问题、完成上述技术思路，本实用新型所采用的技术方案是：

一种非对称空间外差干涉仪系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置光学组件1、非对称空间外差干涉仪、条纹成像装置7和探测器8；

所述的前置光学组件1用于收集波长为630nm的氧原子红线气辉光，并形成入射光束；

所述非对称空间外差干涉仪包括分束棱镜2、第一视场展宽棱镜3、第一闪耀光栅4、第二视场展宽棱镜5以及第二闪耀光栅6；

所述分束棱镜2用于将入射光束分为透射光束和反射光束；

所述第一视场展宽棱镜3与第一闪耀光栅4依次设置于分束棱镜2的反射光路上，组成非对称空间外差干涉仪的一臂；

所述第二视场展宽棱镜5与第二闪耀光栅6依次设置于分束棱镜2的透射光路上，组成非对称空间外差干涉仪的另一臂；

所述第一闪耀光栅4表面与第一视场展宽棱镜3的后表面平行；

所述第二闪耀光栅6表面与第二视场展宽棱镜5的后表面平行；

所述第一闪耀光栅4表面与第一视场展宽棱镜3后表面的距离和第二闪耀光栅6表面与第二视场展宽棱镜5后表面的距离相等；

所述非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量Δd通过改变分束棱镜2的中心到第一视场展宽棱镜3的光束传输距离及第一视场展宽棱镜3的厚度获得，或者，通过改变从分束棱镜2的中心到第二视场展宽棱镜5的光束传输距离及第二视场展宽棱镜5的厚度获得；

所述条纹成像装置7用于将非对称空间外差干涉仪定域面的干涉条纹成像到探测器8上。

进一步地，所述非对称空间外差干涉仪的Littrow波长为630.96nm；所述第一视场展宽棱镜3与所述第二视场展宽棱镜5的顶角α均为12.56°；所述第一视场展宽棱镜3与分束棱镜2的夹角以及所述第二视场展宽棱镜5与分束棱镜2的夹角γ均为6.792°；所述第一闪耀光栅4与第二闪耀光栅6的Littrow角θ_L均为16.495°。在该参数下，非对称空间外差干涉仪系统可以实现高光谱分辨率和高灵敏度的大气风场探测。

进一步地，所述非对称空间外差干涉仪的入射光束孔径角θ满足：4.5°≤θ≤6°，可以在干涉图像调制度较好的同时，也能有较高的集光率。

进一步地，所述第一闪耀光栅4与第二闪耀光栅6的刻线密度均为900lp/mm。

进一步地，为了得到较好的干涉图像的调制度所述非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量Δd取值为16mm。

进一步地，所述分束棱镜2是镀有半反半透膜的分束元件。

进一步地，为了保证系统的高分辨率，所述探测器8分辨率为2048×2048，像元大小为11μm。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型非对称空间外差干涉仪系统采用的非对称空间外差干涉仪采用视场展宽棱镜，减小了轴外光线与轴上光线产生干涉条纹的差异，极大的提高了干涉仪的视场极限，增加了干涉仪的光通量，进一步提高了光谱分辨率，增加了探测的灵敏度。

2)本实用新型中改变视场展宽棱镜的厚度以及视场展宽棱镜与分束棱镜之间的间隔来增加两臂的非对称量，同时保证光栅与视场展宽棱镜的间隔相等，能在满足干涉仪性能要求的同时，减小干涉仪的体积与加工装配的难度。

3)本实用新型非对称空间外差干涉仪系统在32℃和真空的工作条件下，以及探测器2048采样*11μm像元条件下干涉图条纹数为67，经反演计算得到的光谱分辨率高达0.375cm^-1。

附图说明

图1为本实用新型非对称空间外差干涉仪系统的光学结构示意图；

图2为本实用新型实施例中非对称空间外差干涉仪光路示意图，其中，为入射光束孔径角，即边缘光线与光轴的夹角；α为视场展宽棱镜的顶角，γ为视场展宽棱镜与分束棱镜的夹角，ω为闪耀光栅与视场展宽棱镜的夹角；

图3为图2中闪耀光栅处的光路放大图，θ_L为光轴与闪耀光栅法线的夹角，即Littrow角。

附图标记说明：

1-前置光学组件，2-分束棱镜，3-第一视场展宽棱镜，4-第一闪耀光栅，5-第二视场展宽棱镜，6-第二闪耀光栅，7-条纹成像装置，8-探测器。

具体实施方式

本实用新型非对称空间外差干涉仪系统可以实现对目标源的高光谱分辨率和高灵敏度的多普勒频移探测，利用630nm氧原子红线的多普勒频移量反演出中高层大气风场的运动速度。非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量可以获得较大的光程差，而由于风速引起的气辉谱线的频移量改变非常小，具有大光程差的干涉仪可以测量频移产生干涉条纹的微小变化量。

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型中的非对称空间外差干涉仪在传统的空间外差干涉仪的基础上，增加了其中一臂的非对称量。现有的改变非对称量的方法主要有以下几种：仅改变其中一臂的视场展宽棱镜的厚度、仅改变视场展宽棱镜与分束棱镜之间的间隔、仅改变光栅与视场展宽棱镜的间隔。本实用新型中采用改变视场展宽棱镜的厚度以及视场展宽棱镜与分束棱镜之间的间隔来增加两臂的非对称量，同时保证光栅与视场展宽棱镜的间隔相等，能够在满足干涉仪性能要求的同时，减小干涉仪的体积与加工装配的难度。

参照图1，本实用新型提供一种非对称空间外差干涉仪系统设计，包括前置光学组件1、非对称空间外差干涉仪、条纹成像装置7与探测器8，其中，非对称空间外差干涉仪包括分束棱镜2、第一视场展宽棱镜3、第一闪耀光栅4、第二视场展宽棱镜5及第二闪耀光栅6。

该系统中，前置光学组件1后为分束棱镜2，分束棱镜2上侧依次为第一视场展宽棱镜3和第一闪耀光栅4、分束棱镜2右侧依次为第二视场展宽棱镜5和第二闪耀光栅6、分束棱镜2下侧依次为条纹成像装置7和探测器8。非对称空间外差干涉仪的分束棱镜2是镀有半反半透膜的分束元件。

本实用新型非对称空间外差干涉仪系统是以630nm氧原子气辉红线在可见光波段的气辉作为探测的目标谱线。前置光学组件1可以通过滤光片选出目标谱线。图2中，入射光束孔径角θ为入射光束的边缘光线与光轴的夹角，可更大程度地收集光能量，提高集光度，但也不是越大越好，它与干涉图的调制度有制约关系，因此选取入射光束孔径角θ的角度应保证在干涉图像调制度较好的同时，也能有较高的集光率。在本实用新型实施例中，采用非对称空间外差干涉仪系统的Littrow波长为630.96nm，选取入射光束孔径角θ大于等于4.5°且小于等于6°。

非对称空间外差干涉仪的第一闪耀光栅4与第二闪耀光栅6的转角均为5.025°，刻线密度均为900lp/mm。如图3所示，本实施例中第一闪耀光栅4和第二闪耀光栅6法线与光轴的夹角，即Littrow角θ_L均为16.495°，且第一闪耀光栅4和第二闪耀光栅6分别与第一视场展宽棱镜3和第二视场展宽棱镜5的后表面平行，即闪耀光栅与视场展宽棱镜的夹角ω为0°。

在中高层大气中，由于气辉发光粒子的随机热运动会导致辐射的谱线产生多普勒展宽效应，谱线宽度σ_D与气辉粒子所在的环境温度T的关系如下：

式中k是玻尔兹曼常数，T是环境温度，m是发光物质质量，σ₀是Littrow波数，c是光在真空中的速度。

非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量增加，其干涉仪的光程差也会增加，多普勒频移信号也会增大。但在光程差增大的同时，干涉图像的调制度会降低，干涉信号会减弱，影响大气风速的反演精度。非对称空间外差干涉仪两臂的最佳非对称量Δd可以表示为：

根据干涉仪的性能参数、目标谱线的波长、工作环境温度可以得到合适的非对称量，保证干涉图像的调制度与干涉仪的性能。

本实用新型中非对称空间外差干涉仪两臂的闪耀光栅和视场展宽棱镜的间隔相等，非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量Δd通过闪耀光栅表面和视场展宽棱镜后表面的间隔、视场展宽棱镜的厚度、材料折射率以及视场展宽棱镜表面与分束棱镜2中心的距离获得。为了可获得较好的光谱分辨率，本实施例中，Δd取值为16mm。

本实用新型非对称空间外差干涉仪系统的探测原理为：远处的被测光束通过前置光学组件1后，获得目标谱线的辐射强度信息，以平行光进入非对称空间外差干涉仪中，经过干涉仪的分束棱镜2分为两束光，干涉仪两臂的光束分别经视场展宽棱镜折射和闪耀光栅衍射后，再依次经过视场展宽棱镜和分束棱镜2，在干涉仪出口处形成Fizeau干涉条纹，经条纹成像装置7后成像在探测器8上。

非对称空间外差干涉仪出口处对应两出射波的相位差可以近似表示为：

其中，δ为两出射波的相位差，x为探测器8像元对应的干涉图采样位置，σ为工作波数，σ₀为Littrow波数，β为闪耀光栅色散主截面内的视场角，φ为垂直闪耀光栅色散主截面方向视场角，θ_L为闪耀光栅的Littrow角，n为视场展宽棱镜材料的折射率，γ为视场展宽棱镜与分束棱镜2的夹角，α为视场展宽棱镜的顶角。

本实施例中，视场展宽棱镜设计通过优化棱镜顶角减小轴外与轴上视场相位差的差异，实现增大视场的目的，利用数值归纳法，在给定Littrow角、棱镜材料、干涉仪视场角的前提下，优化棱镜顶角得到干涉仪两臂的视场展宽棱镜顶角α均为12.56°，视场展宽棱镜与分束棱镜2的夹角γ均为6.792°。

条纹成像装置7将干涉仪定域面的干涉条纹成像到探测器8上，探测器8为2048采样，像元大小为11μm。

在本实施例中，来自无穷远处目标发出的光经过前置光学组件1后，入射到分束棱镜2上被分为强度相等的两束相干光，两臂的光束经过第一视场展宽棱镜3和第二视场展宽棱镜5后分别到达第一闪耀光栅4和第二闪耀光栅6，经过闪耀光栅衍射后返回分束棱镜2，两出射光束的波面有一定夹角并在干涉仪定域面处形成干涉条纹，条纹成像装置7将定域面处的干涉条纹成像到探测器8上，在32℃和真空的工作环境下，干涉图条纹数为67，通过对干涉图信息进行反演计算后,得到干涉仪的光谱分辨率高达0.375cm^-1，可以实现高光谱分辨率和高灵敏度的大气风场探测。

Claims (7)

1.一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学组件(1)、非对称空间外差干涉仪、条纹成像装置(7)和探测器(8)；

所述的前置光学组件(1)用于收集波长为630nm的氧原子红线气辉光，并形成入射光束；

所述非对称空间外差干涉仪包括分束棱镜(2)、第一视场展宽棱镜(3)、第一闪耀光栅(4)、第二视场展宽棱镜(5)以及第二闪耀光栅(6)；

所述分束棱镜(2)用于将入射光束分为透射光束和反射光束；

所述第一视场展宽棱镜(3)与第一闪耀光栅(4)依次设置于分束棱镜(2)的反射光路上，组成非对称空间外差干涉仪的一臂；

所述第二视场展宽棱镜(5)与第二闪耀光栅(6)依次设置于分束棱镜(2)的透射光路上，组成非对称空间外差干涉仪的另一臂；

所述第一闪耀光栅(4)表面与第一视场展宽棱镜(3)的后表面平行；

所述第二闪耀光栅(6)表面与第二视场展宽棱镜(5)的后表面平行；

所述第一闪耀光栅(4)表面与第一视场展宽棱镜(3)后表面的距离和第二闪耀光栅(6)表面与第二视场展宽棱镜(5)后表面的距离相等；

所述非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量Δd通过改变分束棱镜(2)的中心到第一视场展宽棱镜(3)的光束传输距离及第一视场展宽棱镜(3)的厚度获得，或者，通过改变从分束棱镜(2)的中心到第二视场展宽棱镜(5)的光束传输距离及第二视场展宽棱镜(5)的厚度获得；

所述条纹成像装置(7)用于将非对称空间外差干涉仪定域面的干涉条纹成像到探测器(8)上。

2.根据权利要求1所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：

所述非对称空间外差干涉仪的Littrow波长为630.96nm；

所述第一视场展宽棱镜(3)与所述第二视场展宽棱镜(5)的顶角α均为12.56°；

所述第一视场展宽棱镜(3)与分束棱镜(2)的夹角以及所述第二视场展宽棱镜(5)与分束棱镜(2)的夹角γ均为6.792°；

所述第一闪耀光栅(4)与第二闪耀光栅(6)的Littrow角θ_L均为16.495°。

3.根据权利要求2所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：所述非对称空间外差干涉仪的入射光束孔径角θ满足：4.5°≤θ≤6°。

4.根据权利要求3所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：所述第一闪耀光栅(4)与第二闪耀光栅(6)的刻线密度均为900lp/mm。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：所述非对称空间外差干涉仪两臂的非对称量Δd的取值为16mm。

6.根据权利要求5所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：所述分束棱镜(2)是镀有半反半透膜的分束元件。

7.根据权利要求6所述的一种非对称空间外差干涉仪系统，其特征在于：所述探测器(8)分辨率为2048×2048，像元大小为11μm。

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