一种昼气辉温度光度计及其探测气辉光谱强度和温度的方法

摘要

本发明提供一种昼气辉温度光度计及其探测气辉光谱强度和温度的方法，该昼气辉温度光度计以阶梯光栅和窄带干涉滤光片有机结合作为核心器件，利用高分辨率光谱法和转动谱线测温法对高层大气中昼气辉的发光强度及温度进行同时探测。昼气辉温度光度计包括依次设置的四个部分：导光系统、望远系统、分光系统和成像系统。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种昼气辉温度光度计，以及其探测气辉光谱强度和温度的方 法，属高层大气探测技术领域。

背景技术:

利用全天时自然发光的气辉作为光源来被动遥感探测大气特性（温度、风速、 发光强度、微量粒子密度和丰度）是研究高层大气物理学的主要手段。

对于夜气辉的发光强度及温度的探测较为成熟。通常采用转动谱线测温法， 它借助由窄带干涉滤光片及光电倍增管或CCD(Charge Coupled Device)组成的 光度计来实现，温度的探测精度达1K，同时能获取发光成分的体发射率信息及 动力学特征。具有代表性的仪器有加拿大York大学的R.H.Wiens等人1989 年研制的MORTI（Mesopause Oxygen Rotational Temperature Imager），以及 1997年对该仪器进行改进后的SATI（Spectral Airglow Temperature Imager）。 日本K.Shiokawa等人2007年研制了具备12个通道及更高探测灵敏度的同类仪 器。中国中科院空间科学与应用研究中心也于1996年成功地研制了一台倾斜滤 光片光度计探测曙暮气辉和夜气辉。

对于昼气辉的发光强度及温度的探测尚有一定的局限性。由于白天日光的强 度比气辉发射强度大出几个量级，如果仪器不够灵敏，则昼气辉的信号就被淹没 在日光中。目前，国际上通常借助高分辨率的光谱仪器，对日光及晴空分别进行 拍摄，从两次拍摄的对比结果中提取昼气辉的发光信息。具有代表性的仪器有印 度的Narayanan等人利用一个FP标准具（Fabry–Perot etalon）耦合一个新 型的掩光系统同时获取日光和晴空光谱信息，从而反演出昼气辉的发光强度信 息。美国的Pallamraju等人于2002年和2012年分别研制了单通道的地基高分 辨率成像光谱仪（HIRISE:a ground-based high-resolution imaging  spectrograph using echelle grating）以及多通道成像光谱仪（MISE:a  multiwavelength imaging spectrograph using echelle grating），均利用了 一块阶梯光栅对目标光源进行衍射分光，获取精细的光谱信息来反演昼气辉的发 光强度信息。国内对于昼气辉的探测尚处于起步阶段。

因此，虽然夜气辉探测仪器能够同时探测气辉的发光强度和温度，但由于较 低的光谱分辨能力，不能够用于昼气辉的探测；而昼气辉探测仪器尽管具备很高 的光谱分辨能力，但不能够探测气辉的温度这一重要的参数。

发明内容：

本发明的目的是提供一种昼气辉温度光度计，将阶梯光栅和窄带干涉滤光 片有机结合作为核心器件，利用高分辨率光谱法和转动谱线测温法对高层大气 中昼气辉的发光强度及温度进行同时探测。

本发明的另一目的是利用上述的昼气辉温度光度计，探测高层大气昼气辉 的光谱强度和温度的方法，显著提高仪器效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种昼气辉温度光度计，包括依次设置的四个部分：导光系统、望远系统、 分光系统、成像系统和外壳，其中，导光系统由指向镜1和精密旋转平台2组成， 指向镜1被固定在精密旋转平台2上；望远系统依次由光学窗口3、望远镜头4 和可调节机械狭缝5组成；分光系统依次由平面反射镜A6、凹面反射镜A7、窄 带干涉滤光片8、微角度步进电机9和阶梯光栅10构成，其中平面反射镜A6与 凹面反射镜A7相对放置，同时阶梯光栅10与凹面反射镜A7也相对放置；窄带 干涉滤光片8与微角度步进电机9组成滤光单元固定在凹面反射镜A7与阶梯光 栅10之间；成像系统由凹面反射镜B11、平面反射镜B12和面阵CCD探测器13 组成，凹面反射镜B11与阶梯光栅10相对放置，凹面反射镜B11和平面反射镜 B12也相对放置，平面反射镜B12与面阵CCD探测器13相对且等高放置。

该昼气辉温度光度计还设有外壳14，以上四个部分被固定在外壳14中。

从所述可调节机械狭缝5到凹面反射镜A7反射点的距离与从阶梯光栅10 中心点到凹面反射镜A7反射点的距离相等，均为凹面反射镜A7的焦距；从凹面 反射镜B11反射点到阶梯光栅10中心点的距离与从凹面反射镜B11反射点到面 阵CCD探测器13的距离相等，均为凹面反射镜B11的焦距。

阶梯光栅10的入射角为60°～70°。

窄带干涉滤光片8安装微角度步进电机9输出轴上；窄带干涉滤光片8半高 宽在0.2～0.8nm之间，有效通光孔径为48mm，最大微旋转角度为15°。

一种昼气辉温度光度计探测气辉光谱强度和温度的方法，该方法包括以下步 骤：

1）太阳方向的拍摄：

(a)控制精密旋转平台2将指向镜1转动至太阳方向，调整窄带干涉滤光片 8入射面法线与光轴平行，对面阵CCD探测器13选取曝光时间（0.1～5s不等， 根据当日天气状况而定），进行一次拍摄，获取第一幅光谱图像；

(b)控制指向镜1保持太阳方向的位置不变，通过微角度步进电机9将窄带 干涉滤光片8的法线转动至与光轴成5°的夹角，保持面阵CCD探测器13的曝 光时间与步骤1）（a）中的相同（同样曝光时间），进行第二次拍摄，获取第二 幅光谱图像；随后分别将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成10°和15° 的夹角，重复上述步骤，进行第三次和第四次拍摄，获取第三幅和第四幅光谱图 像；

(c)将四次拍摄的光谱图像中未感光的区域删除，将第一幅光谱图像末端与 第二幅光谱图像前端拼接，第二幅与第三幅、第三幅与第四幅之间采用同样的拼 接方式，最终将四副光谱图像融合为一幅代表太阳方向的完整光谱图；

2）天空背景方向的拍摄：

(a)控制精密旋转平台2将指向镜1转动180°至太阳相反方向，调整窄带 干涉滤光片8入射面法线与光轴平行，对面阵CCD探测器13选取曝光时间 （0.1～5s不等，根据当日天气状况而定），进行一次拍摄，获取光谱图像；

(b)控制指向镜1保持天空背景方向的位置不变，通过微角度步进电机9 将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成5°的夹角，保持面阵CCD探测器13 的曝光时间与步骤2）（a）中的相同（同样曝光时间），进行第二次拍摄，获取 第二幅光谱图像；随后分别将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成10°和 15°的夹角，重复上述步骤，进行第三次和第四次拍摄，获取第三幅和第四幅光 谱图像；

(c)将四次拍摄的光谱图像中未感光的区域删除，将第一幅光谱图像末端与 第二幅光谱图像前端拼接，第二幅与第三幅、第三幅与第四幅之间采用同样的拼 接方式，最终将四副光谱图像融合为一幅代表天空背景方向的完整光谱图；

3）将步骤1(c)和步骤2(c)的两幅完整光谱图之间的对应像素一一进行相 减计算，得到的差值光谱图像即为所要探测的昼气辉谱线的光谱强度；从 HITRAN08分子光谱数据库可导出发光强度与温度的变化关系，温度分辨率为1K， 因此，利用上述差值光谱图像与HITRAN08分子光谱数据库的曲线进行最小二乘 拟合，当理论曲线与实际探测曲线差值最小时，便可唯一确定温度，即为本发明 所需要探测的气辉温度。

本发明的有益效果如下：

1.将一块阶梯光栅和窄带干涉滤光片耦合，同时获取昼气辉的高分辨率光 谱和转动谱线强度比值的信息，实现对高层大气中昼气辉的光谱强度及温度的 同时探测。

2.采用转动谱线测温法，较之常用的多普勒展宽法而言，具备更高的探测 精度和可靠性。

3.系统均采用反射式光路，与透射式光路相比，具备更高的光能利用率及 热稳定性，更低的色散率，更小的相差，从而使得仪器空间更加紧凑，有很高 的抗震性和重复可靠性。

附图说明

图1是本发明的昼气辉温度光度计的结构示意图；

图中，1.指向镜，2.精密旋转平台，3.光学窗口，4.望远镜头，5.可调节 机械狭缝，6.平面反射镜A，7.凹面反射镜A，8.窄带干涉滤光片，9.微角度步 进电机，10.阶梯光栅，11.凹面反射镜B，12.平面反射镜B，13.面阵CCD探测 器，14.外壳，15-光轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的昼气辉温度光度计的结构是，图中的结构描述顺序沿 着光轴自上而下，包括五个主体部分：导光系统、望远系统、分光系统、成像系 统和外壳。其中，导光系统由指向镜1和精密旋转平台2组成，指向镜1被固定 在精密旋转平台2上，可以在垂直方向进行0-90°的旋转，而在水平方向则能 进行0-360°全方位旋转；望远系统依次由光学窗口3、望远镜头4和可调节机 械狭缝5组成，能够将昼气辉发出的光汇聚至仪器；分光系统依次由平面反射镜 A6、凹面反射镜A7、窄带干涉滤光片8、微角度步进电机9和阶梯光栅10构成， 其中平面反射镜A6的作用是折叠光路，其与水平面呈45度角并与凹面反射镜 A7相对放置，同时阶梯光栅10与凹面反射镜A7也相对放置，这种结构可以使 仪器空间更加紧凑，窄带干涉滤光片8与微角度步进电机9组成滤光单元固定在 凹面反射镜A7与阶梯光栅10之间；成像系统由凹面反射镜B11、平面反射镜B12 和面阵CCD探测器13组成，凹面反射镜B11与阶梯光栅10相对放置，凹面反射 镜B11和平面反射镜B12也为相对放置，平面反射镜B12与面阵CCD探测器13 相对且等高放置；所有器件被固定在外壳14中，构成坚实且紧凑的光路结构。

从可调节机械狭缝5到凹面反射镜A7反射点的距离与从阶梯光栅10中心点 到凹面反射镜A7反射点的距离相等，均为凹面反射镜A7的焦距；从凹面反射镜 B11反射点到阶梯光栅10中心点的距离与从凹面反射镜B11反射点到面阵CCD 探测器13的距离相等，均为凹面反射镜B11的焦距。

阶梯光栅10是本发明仪器的一个关键器件，由窄带干涉滤光片8出射的光 线到达阶梯光栅10上的入射角为60°至70°；窄带干涉滤光片8与微角度步进 电机9组成滤光单元是本发明仪器的另一个关键器件，滤光片半高宽在0.2至 0.8nm之间，有效通光孔径为48mm，最大微旋转角度为15°，其作用为改变窄 带干涉滤光片的法线与光轴的夹角，从而滤出不同波长段的谱线。

以下是本发明同时对高层大气中昼气辉的光谱强度及温度的探测方法，利用 上述的昼气辉温度光度计，从探测光路、探测原理、探测步骤三个方面进行详细 说明：

本发明的探测方法，探测光路为：参照图1，来自高层大气昼气辉光源的入 射光被指向镜1和光学窗口3导入望远镜头4，然后被望远镜头4汇聚在放置于 镜头焦点处的可调节机械狭缝5上，出射的发散光经过平面反射镜6的转折后到 达凹面反射镜A上被准直，随后被准直的平行光需要经过窄带干涉滤光片8的滤 光作用，携带少量的混合光谱信息以较大入射角（60°至70°）进入阶梯光栅 10，在阶梯光栅10的衍射作用下，多束携带不同光谱信息的平行光以不同的角 度入射至凹面反射镜B11，再一次变成汇聚光并经过平面反射镜12的作用成像 在面阵CCD探测器13的靶面上，最终记录下数据信息。

本发明探测方法，探测原理主要是借助阶梯光栅的高光谱分辨能力和窄带干 涉滤光片中心波长随角度变化的特性来实现的。常规的光栅都是通过增加每毫米 刻线数来提高线色散率和分辨率，而阶梯光栅则是利用较大的衍射角来获得高衍 射级次，通过增加两刻线间距离的方法研制而成，因此光栅刻线数目较少，具有 角色散率大、分辨率高等突出优点。由光栅方程可知：

nλ＝d(sinα+sinβ)     （1）

其中，n为衍射级次，λ为波长，d是相邻两条刻线的间距，α和β分别为入 射角和衍射角。对（1）式两端求导可得角色散率dβ/dλ：

dβ/dλ＝n/(dcosβ)     （2）

然后将（1）式和（2）式结合可得：

dβ/dλ＝(sinα+sinβ)/(λcosβ)     （3）

从（3）式中可以看出在给定波长λ的情况下，角色散率仅跟入射角α和衍射 角β有关系，当入射角α和衍射角β都很大时，角色散率也会相应地被提高， 这即是阶梯光栅高色散特性的原因所在，本发明也利用了这一点。但是，阶梯光 栅也有一个明显的缺点，即当角色散率dβ/dλ增大以后，在有限面积的探测器 靶面上所呈现的光谱范围就会大大的被缩短，这不利于对宽波段光源的探测。而 气辉的温度恰恰需要探测一个甚至多个振转能带的多条谱线的强度比值，一般所 需的光谱跨度要达到5-10nm以上，而阶梯光栅为了保证10^-2量级的分辨率使得 光谱范围一般仅为1nm左右。针对这一矛盾，本发明将利用窄带干涉滤光片的特 性与阶梯光栅的优势相结合，达到探测更宽波段的目的。窄带干涉滤光片通常是 基于法布里波罗干涉的原理，其透过率公式可表示为：

${\tau }_f(\lambda ,\theta )=\frac{{\tau }_c}{1+{[\frac{2(\lambda -{\lambda }_c)}{{\mathrm{\Delta \lambda }}_c}+\frac{\lambda }{{\mathrm{\Delta \lambda }}_c}\frac{{\theta }^2}{n_e^2}]}^2}---\left(4\right)$

其中，τ_f为透过率，τ_c为峰值透过率，λ_c为正入射时的中心波长，θ为光束 的入射角，n_e为干涉滤光片的有效折射率，Δλ_c为中心波长透过半高宽。一旦 选定滤光片，那么它的λ_c、n_e、τ_c、Δλ_c均为已知量，那么通过（4）式可以 推知，随着入射角度的变化，透过率廓线的半高宽会增加，同时中心波长向短波 方向移动。而这一透过率廓线整体随入射角变化而向短波方向移动的特性恰好能 够弥补阶梯光栅探测谱段较窄的缺点，这也是本发明昼气辉温度光度计的最基本 的探测原理。

本发明探测方法，探测步骤为：

1.太阳方向的拍摄：

(a)控制精密旋转平台2将指向镜1转动至太阳方向，调整窄带干涉滤光片 8入射面法线与光轴平行，对面阵CCD探测器13选取曝光时间（0.1～5s不等， 根据当日天气状况而定），进行一次拍摄，获取第一幅光谱图像；

(b)控制指向镜1保持朝向太阳方向的位置不变，通过微角度步进电机9 将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成5°的夹角，保持面阵CCD探测器13 的曝光时间与步骤1）（a）中的相同（同样曝光时间），进行第二次拍摄，获取 第二幅光谱图像；随后分别将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成10°和 15°的夹角，重复上述步骤，进行第三次和第四次拍摄，获取第三幅和第四幅光 谱图像；

(c)将四次拍摄的光谱图像通过平场、去噪、归一化等处理后，删除图像中 未感光的区域，将第一幅光谱图像末端与第二幅光谱图像前端拼接，第二幅与第 三幅、第三幅与第四幅之间采用同样的拼接方式，最终将四副光谱图像融合为一 幅代表太阳方向的完整光谱图；

2.天空背景方向的拍摄：

(a)控制精密旋转平台2将指向镜1转动180°至太阳相反方向，即天空背 景方向，调整窄带干涉滤光片8入射面法线与光轴平行，对面阵CCD探测器13 选取曝光时间（0.1～5s不等，根据当日天气状况而定），进行一次拍摄，获取光 谱图像；

(b)控制指向镜1保持天空背景方向的位置不变，通过微角度步进电机9 将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成5°的夹角，保持面阵CCD探测器13 的曝光时间与步骤2）（a）中的相同（同样曝光时间），进行第二次拍摄，获取 第二幅光谱图像；随后分别将窄带干涉滤光片8的法线转动至与光轴成10°和 15°的夹角，重复上述步骤，进行第三次和第四次拍摄，获取第三幅和第四幅光 谱图像；

(c)将四次拍摄的光谱图像通过平场、去噪、归一化等处理后，删除图像中 未感光的区域，将第一幅光谱图像末端与第二幅光谱图像前端拼接，第二幅与第 三幅、第三幅与第四幅之间采用同样的拼接方式，最终将四副光谱图像融合为一 幅代表天空背景方向的完整光谱图；

3.将步骤1(c)和步骤2(c)的两幅完整光谱图之间的对应像素一一进行相 减计算，得到的差值光谱图像即为所要探测的昼气辉谱线的光谱强度；从 HITRAN08分子光谱数据库可导出发光强度与温度的变化关系，温度分辨率为1K， 因此，利用上述差值光谱图像与HITRAN08分子光谱数据库的曲线进行最小二乘 拟合，当理论曲线与实际探测曲线差值最小时，便可唯一确定温度，即为本发明 所需要探测的气辉温度。