一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置

摘要

本发明公开一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置。通过在恒星跟踪平台的望远镜前镜盖设计多个通光孔，在镜盖与望远镜之间安装多个光楔与通光孔一一对应，在望远镜后依次安装多个不同波长的滤光片，光阑和电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)，光阑包括多个通道，并且滤光片、光阑通道与光楔也一一对应，恒星光束通过通光孔后分为多条光束，每条光束依次通过光楔，进入望远镜，通过滤光片、光阑通道，最后到达CCD靶面，成像为光斑；通过测量在CCD靶面成像的各个光斑亮度计算对应波长的整层大气透过率。采用本发明的测量装置，提高了成像质量，有效抑制了背景噪声，提高了尤其是白天测量时的成像信噪比，实现了多波长昼夜整层大气透过率实时测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置。

背景技术

光穿过整层大气时会因大气的吸收、散射等作用而衰减，其传输效率即整层大气透过率，是反映大气辐射传输特性的重要参数，对激光传输、激光通信、激光雷达和大气辐射、大气环境监测、光学遥感等问题的研究具有重要意义。

目前大气透过率可以利用专业软件(如MODTRAN、CART等)通过仿真，利用数值计算的方法求解得到，得到的大气透过率很大程度上受限于软件大气模式的准确度，并且软件的大气模式一般与大气的实际状态不一致，因此采用该方法得到的大气透过率准确性低、实时性差。

相比于数值模式计算，进行直接测量是得到整层大气透过率最直接且最有效的途径。目前直接测量整层大气透过率的装置：大多针对白天时段，以太阳为目标光源进行测量；也有少数装置是以恒星为目标光源进行测量，但因白天测量信噪比不好等原因，一般针对夜晚时段。因此，都存在测量不连续，无法昼夜实时测量大气透过率，致使大气透过率测量实时性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置，以解决现有测量方法中无法连续对昼夜整层大气透过率进行测量，从而导致大气透过率测量实时性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置，所述装置包括：恒星跟踪平台，镜盖，N个光楔，N个滤光片，光阑和电荷耦合元件，N为正整数；

所述恒星跟踪平台包括望远镜，用于实时跟踪恒星进行测量；

所述望远镜前安装所述镜盖，所述镜盖包括N个通光孔；

所述N个光楔位于所述镜盖与所述望远镜之间，所述镜盖的N个通光孔与所述N个光楔一一对应，所述光楔用于将通过所述N个通光孔的N条光束向背离光楔分布中心的方向偏折，所述光楔分布中心为所述N个光楔组成的平面图形的几何中心；

所述N个滤光片安装于所述望远镜之后，位于所述望远镜的焦平面之前，用于对经过所述N个光楔进入所述望远镜的N条光束进行滤光；

所述光阑位于所述N个滤光片之后，所述光阑包括N个通道，所述N个通道与所述N个滤光片一一对应，所述N个通道用于分别传输经过所述N个滤光片的N条光束；

所述电荷耦合元件安装于所述光阑之后，所述电荷耦合元件的接收靶面与所述望远镜的焦平面重合；

所述恒星的光束通过所述镜盖的N个通光孔，分为N条光束，每一条光束的传播路径为：通过一个所述光楔后进入所述望远镜，然后依次通过一个所述滤光片、所述光阑的一个通道，最后到达所述电荷耦合元件的接收靶面，成像为一个光斑；所述N条光束在传播过程中经过的所述光楔、所述滤光片、所述光阑的通道各不相同。

可选的，所述N个滤光片为窄带滤光片。

可选的，所述装置还包括：

所述N个滤光片与所述电荷耦合元件之间安装有N个衰减片，所述N个衰减片与所述N个滤光片一一对应，所述N个衰减片的透过率与在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度值成反比，所述N个光斑为未安装所述N个衰减片时，经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑。

可选的，所述N个通光孔的直径大小与在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度成反比，所述N个光斑为当所述N个通光孔直径相同时，经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑。

一种多波长昼夜整层大气透过率实时测量方法，所述方法包括：

调节恒星跟踪平台，使得所述恒星跟踪平台的望远镜实时跟踪恒星；所述恒星跟踪平台包括望远镜，用于实时跟踪恒星进行测量；所述望远镜前安装镜盖，所述镜盖包括N个通光孔，N为正整数；所述镜盖与所述望远镜之间还包括N个光楔，所述镜盖的N个通光孔与所述N个光楔一一对应，所述光楔用于将通过所述N个通光孔的N条光束向背离光楔分布中心的方向偏折，所述光楔分布中心为所述N个光楔组成的平面图形的几何中心；所述望远镜之后还包括N个滤光片，所述N个滤光片位于所述望远镜的焦平面之前，用于对经过所述N个光楔进入所述望远镜的N条光束进行滤光；所述N个滤光片之后包括光阑，所述光阑包括N个通道，所述N个通道与所述N个滤光片一一对应，所述N个通道用于分别传输经过所述N个滤光片的N条光束；所述光阑之后安装有电荷耦合元件，所述电荷耦合元件的接收靶面与所述望远镜的焦平面重合；恒星的光束通过所述镜盖的N个通光孔，分为N条光束，每一条光束的传播路径为：通过一个所述光楔后进入所述望远镜，然后依次通过一个所述滤光片、所述光阑的一个通道，最后到达所述电荷耦合元件的接收靶面，成像为一个光斑；所述N条光束传播过程中经过的所述光楔、所述滤光片、所述光阑的通道各不相同；

获取所述电荷耦合元件的接收靶面上N个光斑的亮度，N为正整数，所述N个光斑为光束依次经过所述镜盖的N个通光孔，N个光楔，望远镜，N个滤光片，光阑的N个通道，到达所述电荷耦合元件接收靶面的N个光斑；

根据所述N个光斑的亮度，获取所述N个光斑对应的N个波长光束的整层大气透过率。

可选的，所述调节恒星跟踪平台，使得所述恒星跟踪平台的望远镜实时跟踪恒星，之后还包括：

获取黑体辐射和恒星色温；

根据所述黑体辐射和恒星色温，获取所述恒星的光谱辐射曲线，所述光谱辐射曲线为所述恒星光束的不同波长值与对应的强度值的关系曲线；

获取所述电荷耦合元件的光谱响应曲线，所述光谱响应曲线为所述电荷耦合元件对接收光束的响应强度随光束波长变化的关系曲线；

获取所述N个滤光片的透过率；

根据所述光谱辐射曲线、所述光谱响应曲线和所述N个滤光片的透过率，获得经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度值；

根据所述N个光斑的亮度值，对应在所述N个滤光片与所述电荷耦合元件之间安装N个衰减片，所述N个衰减片与所述N个滤光片一一对应，所述衰减片的透过率与所述N个光斑的亮度值成反比，用于减小经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度之差。

可选的，所述调节恒星跟踪平台，使得所述恒星跟踪平台的望远镜实时跟踪恒星，之后还包括：

获取黑体辐射和恒星色温；

根据所述黑体辐射和恒星色温，获取所述恒星的光谱辐射曲线，所述光谱辐射曲线为所述恒星光束的不同波长值与对应的强度值的关系曲线；

获取所述电荷耦合元件的光谱响应曲线，所述光谱响应曲线为所述电荷耦合元件对接收光束的响应强度随光束波长变化的关系曲线；

获取所述N个滤光片的透过率；

根据所述光谱辐射曲线、所述光谱响应曲线和所述N个滤光片的透过率，获得当所述N个通光孔直径相同时，经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在所述电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度值；

根据所述N个光斑的亮度值，对应设计所述镜盖的N个通光孔的直径，所述N个通光孔的直径大小与所述N个光斑的亮度值成反比，用于调节不同波长光束的通光量，减小经过所述N个通光孔、所述N个滤光片的N条光束在电荷耦合元件靶面成像的N个光斑的亮度之差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明装置以恒星跟踪平台为基础，以恒星作为目标光源，能够昼夜不间断跟踪恒星进行实时测量；窄带滤光片后置于靠近焦平面的位置，不仅可以减小所需窄带滤光片的尺寸，而且可以减小窄带滤光片带来的系统成像像差，提高成像质量；采用光楔分光和窄带滤光片滤光的组合方式，可以根据需要同时测量多波长的整层大气透过率；在窄带滤光片与电荷耦合元件之间安装对应数量通道的光阑，有效抑制了背景噪声，提高了尤其是白天测量时的成像信噪比。通过以上手段，实现了多波长昼夜整层大气透过率实时测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置结构图；

图2为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置整体外观图；

图3为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置中镜盖示意图；

图4为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置中光阑示意图；

图5为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量方法流程图。

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。

本发明的目的是提供一种多波长整层大气透过率实时测量装置，以解决现有测量方法中无法连续对昼夜整层大气透过率进行测量，从而导致大气透过率测量实时性差的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置结构图。如图1所示，恒星跟踪平台101前安装有含多个通光孔的镜盖102，通光孔个数按照实际需求而设计，镜盖102与恒星跟踪平台101之间安装有多个光楔103，光楔个数与镜盖102的通光孔个数相同，且一一对应，使得光束通过镜盖102分为多条光束，每条光束分别通过一个对应的光楔发生偏折，光楔103的安装方向以通过光楔的的光束均背离光楔分布中心(光楔分布中心为多个光楔组成的平面图像的几何中心)的方向偏折为准，光楔103作用是将通过镜盖102通光孔的多条光束偏折，使得多条光束之间距离增大，在焦平面成像为多个光斑，避免在焦平面聚合。

恒星跟踪平台101后面安装有滤光片104，滤光片104个数为多个，与光楔103个数相同，且一一对应，使得通过光楔103的多条光束进入望远镜后，每条光束分别通过一个滤光片进行滤光。滤光片104通过滤光片安装筒105安装固定。滤光片104可以采用窄带滤光片，使通过各滤光片的光束可以认为是单一波长的光束。滤光片104安装平面的前后位置需要根据相关光学系统参数(望远镜焦距、光楔楔角、光楔分布、滤光片尺寸等)来确定，且其分布要与光楔103的分布对应，使穿过光楔103的多条光束分别经过对应的滤光片104的中心。

在滤光片104后安装带通道的光阑106，光阑106的通道与滤光片104-一对应，使得通过滤光片104的多条光束通过光阑106的多个通道分别传播。光阑106后面安装有电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)1011，CCD1011的靶面与恒星跟踪平台101中望远镜的焦平面重合，使得经过各组光楔103和滤光片104的多条光束分别在CCD靶面上清晰成像，之后通过标定CCD1011测量各波长光斑的亮度值，即可计算得到多条光束对应波长的整层大气透过率。通过跟踪软件，可实现多波长整层大气透过率的连续测量。多通道光阑106起到抑制天空背景的作用，能够显著提高成像信噪比，有利于白天观测。

为了减少组件的占用空间，本发明采用两段光阑，如图1所示，光阑106和光阑1010，分别安装在直角棱镜109前、后的两段光路中。光束从直角棱镜109的直角面入射至斜面上，经过全反射由另一直角面射出，将光阑1010和采集CCD1011的安装方向改为横向安装，能够减少对望远镜后部空间的占用，在结构上允许望远镜有更高的仰角而不与恒星跟踪平台干涉。直角棱镜109通过直角棱镜安装架107和直角棱镜压板108固定，光阑106、光阑1010和CCD1011均由直角棱镜安装架107固定。装置安装后的外观图如图2所示。

恒星的光束通过镜盖102，分为多条光束，每条光束经过光楔103发生背离分布中心(光楔组成的平面图形的几何中心)的偏折，进入望远镜，然后通过滤光片104过滤为多条单一波长的光束，通过光阑106抑制天空背景，最后到达CCD1011成像，在其靶面成像为光斑。由于镜盖的通光孔、光楔、滤光片、光阑通道一一对应，所以通过镜盖102分为多条光束的每条光束传播过程中经过的光楔、滤光片、光阑通道各不相同。

图3为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置中镜盖示意图，镜盖包括第一通光孔301、第二通光孔302、第三通光孔303、第四通光孔304。

由于恒星辐射的强度有很大的光谱差异，尤其是大气透过率测量中较为关心的几种波长的辐射强度有量级的差别。因此若不加处理直接探测星光各光谱的强度，在CCD靶面成像的光斑亮度会差距很大，可能导致有的波长的光斑已强至饱和，有的波长的光斑还弱至无法辨别，这样会影响部分波长整层透过率测量的准确性，甚至测量不出数据。因此，通光孔的直径设计为：根据黑体辐射和恒星色温计算得到恒星的光谱辐射曲线，光谱辐射曲线为所述恒星光束的不同波长值与对应的强度值的关系曲线，利用CCD对各波长的光谱响应曲线(光谱响应曲线为所述电荷耦合元件对接收光束的响应强度随光束波长变化的关系曲线)、各波长窄带滤光片的透过率，计算得到各波长光线经过光学系统并引起CCD响应的强度值(各光斑亮度)，根据计算结果，望远镜前安装的镜盖上按比例开直径大小不同的通光孔，增大响应较弱(光斑亮度低)波长的光线进入望远镜的通光量，减小响应较强(光斑亮度高)波长的光线进入望远镜的通光量，最终使各波长光束在CCD靶面成像的光斑亮度尽量接近。

当镜盖的通光孔的直径设计为相同时，可以在各波长滤光片后部加装不同透过率的衰减片，衰减量根据各个波长的光线经过光学系统后引起CCD响应的强度关系计算得到，最终使各波长在CCD靶面成像的光斑亮度尽量接近。

图4为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量装置中光阑示意图，光阑包括第一通道401、第二通道402、第三通道403、第四通道404。每个通道与滤光片一一对应。

图5为本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量方法流程图。采用如图1所示的装置进行测量，如图5所示，测量方法包括：

步骤501：调节恒星跟踪平台，使恒星跟踪平台实时跟踪恒星，获得测量的数据；

步骤502：获得CCD靶面的光斑亮度。通过采用图1所示的装置，CCD靶面的光斑是清晰的，从而采用专业软件，计算各光斑的亮度。

步骤503：根据各光斑的亮度计算对应波长的大气透过率。具体计算时，首先标定得到标准亮度与大气透过率的对应关系，然后根据测得的各光斑的亮度值，便可得到不同波长的光斑对应的大气透过率。

本发明多波长昼夜整层大气透过率实时测量的具体实施例，采用如图1所示的装置结构，计算532nm、670nm、880nm、940nm四种波长对应的整层大气透过率：

高精度恒星跟踪平台，跟踪精度可达10"，能够昼夜跟踪星图库中存储的恒星进行光学测量，稳定性好。望远镜采用12"施密特-卡塞格林折返式望远镜，既有口径大、采光好的特点，又有高质量和高分辨率的成像性能。

望远镜镜盖开有四个通光孔，根据黑体辐射和恒星色温计算得到恒星的光谱辐射曲线，光谱辐射曲线为恒星光束的不同波长值与对应的强度值的关系曲线，利用采集CCD的光谱响应曲线(采集CCD的光谱响应曲线为CCD对接收光束的响应强度随光束波长变化的关系曲线)、各波长窄带滤光片的透过率，计算得到恒星光源中四种波长(532nm、670nm、880nm、940nm)光线经过光学系统在采集CCD靶面成像的四个光斑亮度。为了使各波长在采集CCD靶面成像的光斑亮度尽量接近，对应设计通光孔的直径大小，光斑亮度值越大，通光孔直径越小；或者对应在滤光片后添加衰减片，光斑亮度值越大，衰减片的透过率越低。以设计通光孔直径为例，望远镜镜盖按如图3所示开有四个大小不同的通光孔(100mm、80mm、60mm、50mm)，越大的通光孔对应光斑亮度值越小的窄带滤光片。

光楔使光线通过光楔后发生偏折，在望远镜焦平面前成为多束有一定相互间距的光线、在望远镜焦平面(即CCD靶面)处成像为多个独立的光斑；直径105mm，为所选望远镜所容许安装的最大尺寸，尽量增大了响应较弱波长光线的通光量。

滤光片选取直径25.4mm的四种波长(532nm、670nm、880nm、940nm)的窄带滤光片，带宽均为10nm，使通过各滤光片的光线可以认为是单一波长的光线。

光阑分为前后两段，分别安装在直角棱镜前、后的两段光路中。光阑为四通道，每一通道均对应着一组光楔和窄带滤光片，即光线通过窄带滤光片后，每束单一波长的光线经过光阑的一条通道最终到达采集CCD靶面成像。光阑每通道均与其他通道隔开，有效抑制了尤其是白天的背景噪声，提高了成像信噪比，有利于白天观测。

在两段光阑之间安装一块30mm的直角棱镜，光线从直角面入射至斜面上，经过全反射由另一直角面射出，将第二段光阑和采集CCD的安装方向改为横向安装，能够减少对望远镜后部空间的占用，在结构上允许望远镜有更高的仰角(本实施例中望远镜能够转至垂直向上)而不与恒星跟踪平台干涉。

采集CCD选用AVT公司的GT1920CCD，对所要测量的四种波长(532nm、670nm、880nm、940nm)都有较为灵敏的响应；且测量靶面大，信噪比良好。

本实施例装置的一种具体实施方式如下：

(1)在高精度恒星跟踪平台的望远镜前安装四通光孔的镜盖，镜盖上的通光孔直径分别为100mm、80mm、60mm、50mm。在四个通光孔后分别安装四片光楔，光楔的安装方向以使通过光楔的光束均背离四片光楔分布中心偏折为准。

(2)利用望远镜尾部的螺纹，在望远镜内部合适位置安装532nm、670nm、880nm、940nm四种波长的窄带滤光片，每片窄带滤光片对应一个通光孔，其中，532nm窄带滤光片对应50mm通光孔，670nm窄带滤光片对应60mm通光孔，880nm窄带滤光片对应80nm通光孔，940nm窄带滤光片对应100mm通光孔。

(3)同样利用望远镜尾部的螺纹，在望远镜后部安装直角棱镜安装架，其上安装直角棱镜，使一直角面垂直于望远镜的光轴，另一直角面的法线指向采集CCD。在直角棱镜之前的光路上，利用直角棱镜安装架安装第一段光阑；在直角棱镜与采集CCD之间的光路上，利用直角棱镜安装架安装第二段光阑；光阑的每个通道都对应着一组光楔和窄带滤光片，作为通过该组光楔和窄带滤光片的光束的通光路径。

(4)在第二段光阑之后，将采集CCD安装在直角棱镜安装架上，确保四种波长在CCD靶面成像的光斑在CCD视场的中心位置。

测量时，首先操作高精度恒星跟踪平台使其处于对某一合适恒星的跟踪状态；调节采集的曝光时间和系统的焦距使采集CCD靶面成像的光斑清晰；采集CCD测量各波长成像光斑的亮度；根据标定的结果，计算即可得到四种波长的整层大气透过率。通过跟踪软件，可实现四波长昼夜整层大气透过率的实时测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。