静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪

摘要

一种静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪，由起偏器、偏振分束器、全反射镜、宽场玻璃、λ/4波板、四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器及四分区CCD组成。起偏器设于主光轴方向上，分束器位于起偏器后，其偏振分束膜与主光轴方向成45°角设置，两个全反射镜在宽场玻璃后，分别设在偏振分束器的反射光和透射光方向上，在反射镜前设有λ/4波板，在分束器出射光方向上依次设有λ/4波板、四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD，四分区检偏器的四个偏振分区位相依次相差π/4。与现有技术相比，本发明的显著特点是静态(无运动部件)、宽场、消色差、消温差，可实现高层大气风场干涉图四强度同时、实时和多方向全方位探测。

说明书

技术领域

本发明内容属于光学遥感仪器、计算机图像处理、精密机械等交 叉学科技术领域，涉及一种用于对高层大气(80～300km)速度场、温 度场、压力场和粒子辐射率等进行被动式遥感探测的装置。

背景技术

国际上对高层大气被动式探测的基础性研究始于20世纪中期。 起初是对被探测源—气辉或极光的产生机理、谱线多普勒频移和展 宽、大气辐射区温度及热动力学特性等问题进行了长期和深入的探 讨；自20世纪80年代起，本领域已相继开始对利用极光的两条主要 谱线(557.7nm的绿线和630.0nm的红线)的干涉图进行四强度探测来 确定高层大气风场的速度、温度的原理及利用仪器探测的方案、仪器 装置的研制等工程性问题进行深入的研究，并且取得了突破性的进 展。法布里—珀罗干涉仪和迈克耳逊干涉仪这两种主要的光学仪器迄 今已被广泛用于地基或空基对大气风速和温度的测量。

法布里—珀罗干涉仪由于具有高的灵敏度、光程差对温度的有 限依赖性以及结构较为简单的优点而延用至今；迈克耳逊干涉仪则 由于其具有较大视场的基本优点，更加适合于行星大气层扩展光源 的研究。大视场的优点也带来了高的信噪比，这更利于大气的测量， 因此当今本技术领域预研的装置大多都是基于迈克耳逊干涉仪原理 的探测装置。目前国际上在被动式大气风场遥感探测领域处于领先 水平和代表性的工作为由加拿大空间署、法国国家空间中心和美国 航空航天局(NASA)合作开展的大气风场探测项目—星载风成像干涉 仪。这一项目最早由法国开始研究，由于经费问题，后与加拿大合 作。在NASA的支持下，1991年9月12日，这一合作项目取得了突 破性进展，风成像干涉仪(WINDII)被搭载于上层大气研究卫星(UARS) 上用于探测卫星覆盖范围的大气风场，所探测光源谱线波长分别为 557.7nm和630.0nm的绿光与红光极光谱线。从迄今传回地球的百 余万张图像中，人们已获得了大量的高层大气的有关信息。它的测 量原理是运用光学多普勒干涉技术来确定大气中携带的辐射粒子 (原子和分子)气辉辐射线波长的微小飘移来测量风速、温度和粒子 的辐射率。风成像干涉仪的主体是温度补偿的含有步进动镜的广角 迈克耳逊干涉仪，其在卫星轨道上测量风速可达到的精度为10m/s， 2005年WINDII已经退役。近年来，美国、加拿大、法国科学家开 始研制用于近红外、中红外区探测风场装置—同温层风场输运干 涉仪(SWIFT)，预计2010年发射并进行探测试验，除此之外，人们 也还考虑到这种装置在感兴趣的紫外、热红外区域的应用，但还涉 及到许多实际的挑战性困难。

目前国际上研制的风成像干涉仪如WINDII、SWIFT、ERWIN等仪 器均采用动镜扫描方式，探测时需要动镜步进四次，分别采集同一 个目标不同时刻的四个干涉强度值，由于在此过程中风场已发生变 化，而测量中却近似认为风场不变，所以造成测量误差较大；另一 方面因为现行仪器中均含有运动部件(动镜)，在很大程度上影响了 仪器的稳定性和测量结果，极不适合航天、航空遥感探测。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供 一种结构合理、性能可靠、操作方便，可实现高层大气风场目标静 态、实时、同时探测的静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪。

为实现上述发明目的而研制的静态宽场实时多方向探测偏振风 成像干涉仪是一种利用光的偏振特性并基于光的多普勒频移和成像 光谱技术原理的可用于高层(80～300km)和中、低层大气速度、温度、 压强和粒子辐射率探测的新型光学遥感仪器。该装置由起偏器、偏 振分束器(PBS)、全反射镜、反射臂宽场玻璃、透射臂宽场玻璃、λ /4波板、四面角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器及四分区CCD组成， 其中：起偏器垂直设置在入射光线的主光轴方向上，偏振分束器(PBS) 沿主光轴方向位于起偏器后方，由两块三角劈型玻璃块以及夹置于 两三角劈型玻璃块间的偏振分束膜构成，其偏振分束膜以与主光轴 方向成45°角设置，两个全反射镜在两臂宽场玻璃后，分别设在偏 振分束器的反射光和透射光方向(即干涉仪的反射臂和透射臂方向) 上，在两个全反射镜与宽场玻璃之间(两个全反射镜前)各设有一块 λ/4波板，在偏振分束器的出射光方向上依次设有λ/4波板、四面 角锥棱镜、成像镜、四分区检偏器和四分区CCD，四分区检偏器的 四个偏振分区位相依次相差π/4。实际探测时，入射光线经起偏器 后形成的线偏振光在偏振分束器的分束膜上将被分解为两个振动方 向相互正交的线偏振光s分量和p分量，分别进入反射臂和透射臂， 通过两臂的宽场玻璃至两个前部设有λ/4波板的全反射镜上，由于 λ/4波板的作用，反射臂的s分量光经反射在返回时将变为p分量 光，透射臂的p分量光经反射在返回时将变为s分量光，继而两束 光再射出偏振分束器PBS并经过λ/4波板后，经四面角锥棱镜分束 后再通过成像镜至静止的四分区偏振片，透射的线偏振光分别汇聚 到四分区CCD的对应位置发生偏振光的干涉，形成干涉图，通过“四 强度”探测法就可以在一个周期内(即一个条纹上)光程差按λ/4递 增(位相差按π/4递增)测得四个强度值，即可反演出高层大气风场 的速度场、温度场和压力场，从而获知高层大气速度、温度、压强 和粒子辐射率等相关信息。

本发明所述的技术方案与目前国际上美、加、法三国科学家研制 的搭载于上层大气研究卫星上的WINDII和即将于2010年发射的 SWIFT等均具有动镜扫描、四强度依次分别探测(不同时探测)结构方 式的风成像干涉仪相比，其显著特点是静态(无运动部件)，可实现干 涉图四强度一次同时、实时测量，并可实现宽场、消色散、温度补偿 及多方向全方位探测，具有结构合理、性能可靠、操作方便等优点， 特别适合大气快速变化目标的探测，也极大地提高了高层大气风场的 探测效率和精度。

附图说明

图1为本发明所述静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪 的平面原理示意图。

图2为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图3为偏振分束器的示意图。

图4为四分区检偏器的四分区透振方向(偏振方向)图。

图5为该探测装置的宽场消色差消温差原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的内容做进一步说明，但本发 明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

本发明所述的静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪由起 偏器1、偏振分束器2、反射臂宽场玻璃3、4、透射臂宽场玻璃7、 空气隙8、三块λ/4波板5、9、11、全反射平面镜6、10、四面角锥 棱镜12、成像镜13、静态四分区检偏器14以及四分区CCD15组成(图 1、图2)。设置在主光轴方向上的起偏器1由消光比10e-3的偏振片 构成，其偏振化方向与竖直方向和水平方向分别成45度角。偏振分 束器2沿入射光线主光轴方向位于起偏器1后，由两块三角劈型玻璃 块2.1、2.2以及夹置于两三角劈型玻璃块间的偏振分束膜2.3构成， 分束器的偏振分束膜平面2.3以45°倾角设置在入射光轴方向上(图 3)。两个前方设有λ/4波板5、9的全反射镜6、10分别设在PBS的 反射和透射光方向上。在偏振分束器2反射光方向全反射镜6与偏振 分束器2间设有两块宽场玻璃3、4，在偏振分束器2透射光方向全 反射镜10与偏振分束器2间设有一块宽场玻璃7，该宽场玻璃7与 λ/4波板9间辟有一层空气隙8，从而可实现大视场、宽谱段、温度 补偿和适合大气探测的显著功能。在偏振分束器2的出射光方向上依 次设有λ/4波板11、四面角锥棱镜12、成像镜13、四分区检偏器 14和四分区CCD15，四分区检偏器14的四个偏振分区位相依次相差 π/4(图4)。

本发明所述静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪的基本 工作原理为：当光线入射到起偏器1时，将成为一束偏振化方向与竖 直和水平方向成π/4的线偏振光，该线偏振光在偏振分束器2的分 束膜2.3上将被分解为两个振动方向相互正交的线偏振光s分量和p 分量。s光振动方向垂直于纸面，p光振动方向平行于纸面，并分别被 反射和透射入干涉仪的两臂宽场玻璃中。由于两臂的末端分别设置λ /4波板5和9，其光轴位于λ/4波板平面内，且与水平方向和竖直 方向分别成45°角，λ/4波板后设置平面反射镜，因此反射臂的s 光经反射在返回时将变为p光，透射臂的p光经反射在返回时将变为 s光(为了更好的表现光线偏振方向的改变，此处有意的将反射光线 做了横向的偏移处理)；最后两束光再经过两臂宽场玻璃到达偏振分 束器2，从偏振分束器2出射的两束线偏振光传播方向相同(振动方 向正交)，经过λ/4波板11后由四面角锥棱镜12分束至成像镜13， 进而再通过静止的四分区偏振片透射后在四分区CCD15的相应区域 内发生干涉，形成干涉图，通过同时测量四分区CCD各分区内风场干 涉图的四个强度值即可反演出风场的速度、温度、压强和粒子辐射率 等相关信息。

在该干涉仪的反射臂和透射臂上设置的宽场玻璃3、4、7可实 现宽场、消色差、消温差(温度补偿)和适合大气探测的显著功能， 其消色差消温差的原理如下所述。

参见图5，在干涉仪反射臂上的光程为：

P₁＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃)   (1)

上式中n₁、n₂、n₃分别为分束器2和宽场玻璃3、4的折射率， d₁、d₂、d₃分别是分束器2、宽场玻璃3、4的厚度，θ₁、θ₂、θ₃光 线进入分束器、宽场玻璃(补偿介质)3、4的后的折射角。

在探测装置透射臂上的光程为：

P₂＝2(n₁d₁cosθ₁+n₃d₃cosθ₃+n₄d₄cosθ₄)  (2)

上式中n₁、n₄、n₅分别为分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的 折射率，d₁、d₄、d₅分别是分束器2、宽场玻璃7和空气隙8的厚 度，θ₁、θ₄、θ₅光线进入分束器2、宽场玻璃7和空气隙8后的折 射角。

所以系统的光程差为：

Δ＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃)

-2(n₁d₁cosθ₁+n₄d₄cosθ₄+n₅d₅cosθ₅)

＝2(n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃-n₄d₄cosθ₄-n₅d₅cosθ₅)

即：

Δ＝2(n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃-n₄d₄cosθ₄-n₅d₅cosθ₅)

令上式角标从i开始，在探测装置反射臂的介质的厚度为正， 在探测装置透射臂上的介质的厚度为负，则可得：

Δ＝2(n₁d₁cosθ₁+n₂d₂cosθ₂+n₃d₃cosθ₃+n₄d₄cosθ₄)      (3)

对上式进行展开，并带入初始条件可得：

$\Delta =2(n_1{d}_1+n_2{d}_2+n_3{d}_3+n_4{d}_4)-{\sin }^{2}i(\frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4})$

                                     (4)

$-\frac{{\sin }^{4}i}{4}(\frac{d_1}{{n_1}^3}+\frac{d_2}{{n_2}^3}+\frac{d_3}{{n_3}^3}+\frac{d_4}{{n_4}^3})-···$

上式中i为光线进入分束器的入射角。

所以可得基准光程差为：

Δ₀＝2(n₁d₁+n₂d₂+n₃d₃+n₄d₄)      (5)

宽场条件为：

$\frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4}{|}_{\lambda ={\lambda }_0}=0---\left(6\right)$

消色差条件为：

$\frac{d_1}{{n_1}^2}\frac{{\partial n}_1}{\partial \lambda }+\frac{d_2}{{n_2}^2}\frac{{\partial n}_2}{\partial \lambda }+\frac{d_3}{{n_3}^2}\frac{{\partial n}_3}{\partial \lambda }+\frac{d_4}{{n_4}^2}\frac{{\partial n}_4}{\partial \lambda }=0---\left(7\right)$

消温差条件为：

d₁(n₁α₁+β₁)+d₂(n₂α₂+β₂)+d₃(n₃α₃+β₃)+d₄(n₄α₄+β₄)＝0         (8)

联立(5)、(6)、(7)、(8)可得：

$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_0=2(n_1{d}_1+n_2{d}_2+n_3{d}_3+n_4{d}_4)\\ \frac{d_1}{n_1}+\frac{d_2}{n_2}+\frac{d_3}{n_3}+\frac{d_4}{n_4}{|}_{\lambda ={\lambda }_0}=0\\ \frac{d_1}{{n_1}^2}\frac{{\partial n}_1}{\partial \lambda }+\frac{d_2}{{n_2}^2}\frac{{\partial n}_2}{\partial \lambda }+\frac{d_3}{{n_3}^2}\frac{{\partial n}_3}{\partial \lambda }+\frac{d_4}{{n_4}^2}\frac{{\partial n}_4}{\partial \lambda }=0\\ d_1(n_1{\alpha }_1+{\beta }_1)+d_2(n_2{\alpha }_2+{\beta }_2)+d_3(n_3{\alpha }_3+{\beta }_3)+d_4(n_4{\alpha }_4+{\beta }_4)=0\end{array}\right)---\left(9\right)$

由上所述可知，方程组(9)中只有介质(包括玻璃和空气隙)的厚度是 未知变量，方程组有四个方程，四个未知量，理论上可以解出未知变 量，即介质的厚度，且得到的结果可以完全满足(8)式，即消温差的 要求，从而使系统满足大视场、消色差和温度补偿的条件。