一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统

摘要

本发明公开了一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统。扫描镜系统包括扫摆镜；前置望远成像系统包括主镜、次镜和第三反射镜，其中在次镜前端设置有孔径光阑；Offner光谱成像系统包括入射狭缝、滤光片、退偏器、第一凹面反射镜、凸面光栅、第二凹面反射镜和面阵探测器；扫摆镜通过扫描将基于地球同步轨道所探测的天底信息引入前置望远成像系统，并聚焦到入射狭缝处。探测目标物光谱信息由Offner光谱成像系统，经过滤光、退偏、折转后，反射到第一凹面反射镜，再经凸面光栅分光至第二凹面反射镜，最后聚焦到面阵探测器上，从而完成高光谱、空间分辨率探测。

说明书

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体是基于地球同步轨道，通过高分辨率光谱成像获取对天底观测的散射光谱，反演出所观测区域大气痕量气体成分如NO

背景技术

影响大气环境的根源是污染物的排放，天气变化过程在污染过程的演变中起着重要作用。准确的空气质量预报依赖天气预报的准确性和污染物时空分布的精确定量监测。目前监测中存在的问题是，对污染物的监测主要手段为常规地基观测或地基遥测，无法满足空气质量预报以及了解污染物跨区域输送过程的需求。太阳同步轨道卫星能监测全球污染物的分布和变化，扩大了空间覆盖，但每天最多2次的观测频次不能满足预报与实时监测的需求。基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪可以实现每小时一次的观测频率，主要用于探测臭氧及气溶胶前体物SO

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统，将差分吸收光谱技术、离轴三反望远成像技术、Offner光谱成像技术相结合。将扫描镜系统、前置望远成像系统结合起来，通过狭缝与Offner成像光谱仪组成差分吸收光谱仪的光学系统，来实现基于地球同步轨道的宽谱段、高光谱、空间分辨率探测技术，解决了基于地球同步轨道观测空间分辨率偏低、紫外光谱信息信号偏弱、以及高精度的扫摆技术等问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统：

所述的光学系统包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统；

所述扫描镜系统包括窗口(1)、扫摆镜(2)；基于地球同步轨道探测天底目标物信息经窗口(1)，通过扫摆镜(2)将波长为300nm-500nm的地物光谱信息引入到前置望远成像系统；

所述前置望远成像系统包括：主镜(3)、孔径光阑(4)、次镜(5)和第三反射镜(6)；所述前置望远成像系统中，扫摆镜(2)出射后的探测光反射到主镜(3)，经过孔径光阑(4)入射到次镜(5)，再反射至第三反射镜(6)，最后成像到入射狭缝(7)处；

其中所述Offner光谱成像系统，与前置望远成像系统探测谱段300-500nm匹配，形成单独的光谱探测通道，具体包括入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)、平面折转镜(10)、第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)、第二凹面反射镜(13)以及面阵探测器(14)；

当前置望远成像系统将光谱探测波段300-500nm的光信息聚焦成像到入射狭缝(7)处，目标光信息依次经过入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)，然后经过平面折转镜(10)实现光路转折，入射到第一凹面反射镜(11)，经凸面光栅(12)色散分光后，再通过第二凹面反射镜(13)，最后聚焦成像到面阵探测器(14)。

进一步的，所述光学系统的光谱探测波段为300nm-500nm，在Offner光谱成像系统中，设置第一凹面反射镜(11)、凸面光栅(12)和第二凹面反射镜(13)三个元件的位置，使其成像符合罗兰圆，第一凹面反射镜(11)和第二凹面反射镜(13)按凸面光栅(12)呈上下对称分布，第一凹面反射镜(11)和第二凹面反射镜(13)的曲率半径相同或相差预定阈值以内。

进一步的，所述前置望远成像系统设计为离轴三反望远镜，包括三块非球面反射镜；其中主镜(3)、次镜(5)和第三反射镜(6)均采用二次曲面设计；通过对孔径光阑(4)进行预定的倾斜，实现无中心遮拦；设置孔径光阑(4)位于次镜(5)上，中心视场倾斜，光阑(4)不离轴。

进一步的，扫摆镜(2)对天底观测的东西方向进行扫摆，将天底探测的光信息引入前置望远成像系统，扫摆镜(2)具体材料选用碳化硅或者铍镜。

进一步的，前置望远成像系统设计满足以下要求：①具有像方远心结构；②与后端Offner光谱成像系统的凸面光栅分光系统数值孔径匹配。

进一步的，所述的入射狭缝(7)、滤光片(8)、退偏器(9)依次设置在一个组件上，滤光片镀带通滤光膜，退偏器的厚度控制在1～2㎜，不影响空间分辨率探测。

进一步的，所述第一凹面反射镜、(11)、第二凹面反射镜(13)、均采用ULE光学玻璃、分别镀金属介质膜，用于提升光学效率。

其中，所述光学系统的扫描镜系统针对天底观测东西方向进行摆扫，南北方向凝视成像。将探测的光信息引入前置望远成像系统，优选的，扫摆镜具体材料选用碳化硅，并做轻量化处理。

优选的，所述光学系统的前置望远成像系统采用三块非球面反射镜设计，其中主镜采用双曲面设计、次镜和第三反射镜采用椭球面设计。通过对孔径光阑合适的倾斜，实现无中心遮拦，同时具有分辨率高、体积小、平像场等优点。这里设置孔径光阑位于次镜上，中心视场倾斜，光阑不离轴。离轴三反望远系统的镜片材料为热膨胀系数超低的材料组成，这里用的微晶玻璃或者ULE材料。前置望远成像系统镜片均镀金属介质膜实现紫外可见波段的高效反射。

其中，所述光学系统的Offner光谱成像系统中在入射狭缝后端设置了退偏器，主要实现系统对入射光的偏振不敏感，这里考虑到前置望远系统的成像质量，尽可能的减小退偏器的中心厚度，控制在(1～2)㎜。Offner成像光谱仪中凹面反射镜可以是一只，也可以是两只，且具有不同的曲率半径。本发明是按两只设计。凸面光栅可以是凸面的Rowland光栅，也可以是凸面的像差校正光栅。这些具体参数将依光学系统相关要求所作像差校正状况而定。凸面光栅Offner结构成像光谱仪在空间和光谱方向都有较好的分辨率，广泛地被用于低色散、大视场的图像分光仪中。这里，选用衍射的-1级用来成像。

所述扫描镜系统通过一维摆扫将天底的观测信息引入仪器(南北方向凝视，东西方向摆扫)，系统主要是扫摆镜组件构成。所述前置望远成像系统主要包括离轴三反望远镜、孔径光阑。探测目标物的光经过扫摆镜、离轴三反望远镜通过独立的光谱通道(300-500)nm，聚焦到后端Offner光谱仪入射狭缝处。通过控制离轴三反望远镜的曲率半径，主镜、次镜及第三反射镜之间的间距和角度，以及主镜、次镜和第三反射镜的非球面系数来优化进入Offner成像光谱仪入射狭缝处的像质。探测光谱信息的光从Offner光谱成像系统的入射狭缝进入，通过滤光片和退偏器后经平面折转镜折转后，再第一凹面反射镜反射到凸面光栅分光后，再经第二凹面反射镜聚焦到面阵探测器上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的光学系统传递函数(MTF)高。本发明利用扫摆镜将光信息引入仪器内部，通过前置望远成像系统，结合Offner成像光谱仪进行光谱成像探测。本发明的光学系统具有较强的集光能力。由于带宽及探测器像元接收的能量弱，在系统性能和仪器体积、质量符合技术要求的前提下，尽量加大光学系统的相对孔径来提高光学系统的能量收集能力。本发明在一定的空间频率范围内具有良好的分辨率和对比度，从而提高系统的探测分辨率，保证测量的准确性。基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统在一定视场范围内，在探测的(300-500)nm波段内均能取得良好的光谱分辨率和空间分辨率。

(2)本发明的光学系统具有较高的信噪比。在地球同步轨道相同条件下其接收到的能量比低轨弱三千多倍，大气痕量气体的反演对仪器信噪比又提出了较高的要求。Offner光谱成像系统是基于凸面光栅分光系统，它是本发明光学系统的核心部分，直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱，对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说，具有较高的信噪比是至关重要的，而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪音。这里的光谱仪采用了Offner分光系统，Offner光谱成像系统实现高光通量、全息光栅高衍射效率，并且具有高光谱、高空间分辨率特点。前置望远成像系统的小F数(F#＝3)设计也确保了光学系统的高信噪比得以实现。

(3)本发明的前置望远成像系统采用离轴三反望远镜，具体设置为视场离轴方式，将光阑放在次镜上，类似于经典的Cooke三片式系统，结构较对称，易于装调，具有更强的像差校正能力，视场大，成像质量好，并且易实现像方远心结构形式，与Offner光谱成像系统的光瞳匹配。离轴三反望远镜系统继承了同轴三反系统的自由变量，而且额外增加了反射镜的倾斜和偏心，能够在满足系统结构要求的同时，对像差进行较好校正。在优化过程中，首先利用光学设计软件对同轴三反系统进行优化达到理想像质，再把各个镜面的倾斜和偏心设置为变量进行人机交互式优化，逐渐使光路避开遮拦，达到系统技术指标要求。通过光阑离轴避开遮拦，利用主镜的非球面化来校正球差、彗差和像散，并扩大视场，利用第三镜的非球面化和倾斜进行像差平衡。

(4)本发明具有良好的杂光抑制性能。扫摆镜前端加窗口保护玻璃(熔融石英材料)，一方面起到前置望远成像系统防污染，另一方面窗口表面镀宽带滤光膜；同时在Offner成像光谱仪入射狭缝处加置滤光片，镀滤光膜控制带外光谱进入光谱仪内部。光谱仪的光栅采用凸面光栅，进行像散校正同时具有无鬼线、信噪比提升特点。

(5)本发明中前置望远成像系统和Offner光谱成像系统里的反射镜用结构性能和热性能较好的微晶玻璃材料(Zerodur)或ULE玻璃材料，表面镀介质膜，确保镜片(300-500)nm光谱范围都有98％以上的反射率。

附图说明

图1为本发明的基于地球同步轨道观测的差分吸收光谱仪光学系统示意图；

图2为本发明的Offner成像光谱仪光学系统示意图；

图3为本发明的入射狭缝、滤光片及退偏器的组件示意图；

图4为本发明实施例所述系统各波长点列图；(a)为波长300nm；(b)为波长400nm；(c)为波长500nm；

图5为本发明实施例的系统Offner成像光谱仪在各波长下的MTF曲线图；(a)为波长300nm；(b)为波长400nm；(c)为波长500nm。

图中：1为窗口，2为扫摆镜，3为主镜，4为孔径光阑，5为次镜，6为第三反射镜，7为入射狭缝，8为滤光片，9为退偏器，10为平面折转镜，11为第一凹面反射镜，12为凸面光栅，13为第二凹面反射镜，14为面阵探测器。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明是一种基于空间测量的光谱仪光学系统，在紫外/可见波段具有较高的辐射测量准确性和光谱测量稳定性，测量经过地球大气或表面反射、散射的太阳光辐射。通过对天底测量的散射光，采用差分吸收光谱算法，既可以从较窄的特征吸收线中反演出全球/区域痕量气体成分如NO

本发明基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪采用南北方向面阵凝视探测，东西方向扫摆镜进行扫描探测，光谱仪像平面上的面阵探测器将沿着行提供所需要的南北方向的空间分辨率和对南北方向的覆盖，所需要的光谱分辨率将沿着CCD的列提供，东西方向的覆盖的空间分辨率是通过扫摆镜对地球圆面的东西扫描而实现的。

基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪是一种“图像和光谱的合一”的光学遥感仪器，它利用入射狭缝将前置望远成像系统和Offner光谱成像系统结合在一起，能够提供景物连续的光谱图像。针对紫外/可见波段(300-500nm)进行高光谱探测，地球同步轨道差分吸收光谱仪采用色散型分光方式。在色散型高光谱成像仪中，狭缝一方面与望远系统配合获得确定的地面空间分辨率,另一方面与光谱仪系统、面阵探测器配合获得确定的光谱分辨率。

基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪光学系统的技术方案综合考虑应用需求，对卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合权衡，优选光学结构，确定仪器参数。

为设计一种航天上轻量化的高分辨率成像光谱仪，本发明优选了前置望远成像系统和基于凸面光栅的Offner光谱成像系统。沿狭缝方向的探测目标条带经前置望远系统成像在狭缝上，后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并被探测器接收。通过对空间水平方向连续扫摆获得目标的成像数据立方，对目标进行空间分析和成分识别。

凸面光栅分光系统是载荷的核心部分，直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱，对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说，具有较高的信噪比是至关重要的，而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪声。Offner分光系统具有相对孔径大、固有像差小、成像质量高以及系统集光本领高的特点。

为了与Offner光谱成像系统的光瞳相匹配，前置望远系统必须具有像方远心的结构，且宽波段范围内系统的分辨力较高。成像光谱仪的空间分辨率是由前置光学系统来决定的，根据不同的应用目的选择不同的前置光学系统，因所测波段主要为紫外波段，受紫外玻璃材料限制，本发明优先考虑反射式结构。反射式望远镜适用宽谱段，但难以实现大视场，这里是通过增加运动扫摆机构获得相对大的视场和孔径。

基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪光学系统由扫描镜系统、前置望远成像系统、Offner光谱成像系统组成。目标物反射光通过扫摆镜，经前置望远成像系统聚焦到光谱仪入射狭缝，目标物所成的条带像，发出光线经过Offner光谱成像系统后在垂直条带方向光谱色散，并会聚成像在探测器光敏面。光敏面的行向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱波段的像；光敏面的列向垂直于狭缝是色散方向，称光谱维，每一列光敏面元上是地物条带的一个空间采样视场(像元)光谱色散像。光信号经过探测器进行光电转换，由信号处理电路进行放大、直流恢复、滤波，经过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。

根据本发明的实施例，进行具体设计，如图1、2所示，基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪光学系统包括扫描镜系统、前置望远成像系统和Offner光谱成像系统；扫描镜系统包括窗口1、扫摆镜2；基于地球同步轨道探测信息光经窗口1，通过扫摆镜2扫描后进入前置望远成像系统。前置望远成像系统具体包括：主镜3、孔径光阑4、次镜5和第三反射镜6。所述前置望远成像系统中，扫摆镜2出射的探测光反射到主镜3，经过孔径光阑4入射到次镜5后，反射至第三反射镜6，最后聚焦到入射狭缝7处，并形成(300-500)nm光谱探测通道。所述Offner光谱成像系统具体包括入射狭缝7、滤光片8、退偏器9、平面折转镜10、第一凹面反射镜11、凸面光栅12、第二凹面反射镜13、面阵探测器14。目标物为(300-500)nm波段的光从前置望远成像系统聚焦到入射狭缝7处，经过滤光片8进行滤光，后由退偏器9完成退偏后，经平面折转镜10，将光信息反射至第一凹面反射镜11，再反射至凸面光栅12形成色散分光，后经第二凹面反射镜13反射，最终聚焦至面阵探测器14上。

根据本发明的一个实施例，前置望远成像系统的主镜3、次镜5、第三反射镜6通过设计优化确定其二次非球面系数分别为：主镜3K(conic)＝-3、次镜5K(conic)＝0.46、第三反射镜6K(conic)＝0.22。入射狭缝7尺寸：12mm×40μm。面阵探测器14的像元尺寸13×13μm、探测面积13.3×13.3mm、像素大小1024×1024pixels。

本发明采用基于面阵探测器的成像光谱仪作为散射光信号收集单元，面阵探测器的一维为光谱维，覆盖(300-500)nm的谱段；另一维为空间维，覆盖一定宽度(这里是地球南北方向)的条形区域，通过一次扫摆获取区域信息。载荷获取的为紫外到可见波段的高分辨率光谱信息，后期通过待测污染气体各自的“指纹”吸收，利用差分吸收光谱算法实现大气光谱测量，同时，扫描镜系统通过扫描完成地球东西方向区域的信息采集工作，最终实现全区域的大气痕量气体的测量。

基于地球同步轨道的的差分吸收光谱仪光学系统主要由扫描镜系统、前置望远成像系统和后端Offner光谱成像系统三部分组成，三个系统可分离，分别设计、制造、装调，然后合并联调，同时设计时可以实现前置望远成像系统的光学像差在后端的Offner光谱成像系统得到补偿。整个光学系统联调时，无论是在子系统还是整合系统光学最佳成像、聚焦、倾斜补偿都应该满足。经过凸面光栅成像光谱仪前端望远成像系统和分光系统的初步设计，分别得到了初始结构。为了提高成像光谱仪的成像质量就必须将后两个初始结构进行一体化设计，将前端望远成像系统和后端光谱分光系统结合起来，作为一个整体系统进行光学系统的优化，在优化的过程中，合理分配两个系统的像差，最终提高整体系统的成像质量。

为了与Offner光谱成像系统的光瞳相匹配，前置望远成像光学系统必须具有像方远心的结构，宽波段范围内系统的分辨力较高，为了满足信噪比的要求，系统还要有较大的相对孔径。前置望远成像系统是实现差分吸收光谱仪高空间分辨率的关键部分，为了满足一定视场角、高分辨、无偏振效应等技术要求。紫外到可见光波段的前置导入光学系统，采用反射系统是最可行且经济的方案。

如图2所示，本发明Offner光谱成像系统中包括入射狭缝7、滤光片8、退偏器9、平面折转镜10、第一凹面反射镜11、凸面光栅12、第二凹面反射镜13、面阵探测器14。从入射狭缝7入射后，经滤光片8、退偏器9、平面折转镜10后，具有一定发散角的探测目标(300-500)nm，准直入射到第一凹面反射镜11，反射到凸面光栅12上，使从它衍射的光束返回到第二凹面反射镜13，再聚焦到面阵探测器14上。前置望远成像聚焦到狭缝7的条带像，被成像到入射狭缝上方的面阵探测器14上。本发明中的凸面光栅12是Offner成像光谱仪的关键核心器件。基于凸面光栅的Offner成像光谱仪在空间、光谱方向都有较好的分辨率，广泛地被用于低色散、大视场的图像光谱仪中。这里的凸面光栅都是根据通道特点单独设计技术参数，如条纹密度等，为了光学系统获得较高光学效率，尽可能达到较高的衍射效率。通常衍射的-1级被用来成像。当光栅的条纹数增加，较长的波长的衍射光经凹面反射镜的第二次反射后被凸面光栅阻挡，故光栅的色散不能过大。根据本发明的实施例，优选的，凸面光栅设计刻划线为400lines/mm、入射角度为15.7°、闪耀角度为4.2°±0.1°，衍射效率≥45％。

如图3所示，本发明前置望远成像系统聚焦到后端Offner光谱仪入射狭缝处，依次经过入射狭缝7、滤光片8、退偏器9，经平面折转镜10反射后端光路中。这里的滤光片主要起到抑制带外杂散光、退偏器完成系统退偏功能，平面折转镜实现光路折转，为适应整星卫星平台的空间合理布局。

如图4(a)、(b)、(c)所示为本系统各波长点列图，在探测波段(300-500)nm范围内取代表性波长300nm、400nm、500nm得出的均方根值，其中(a)为波长300nm；(b)为波长400nm；(c)为波长500nm；图中均方根值RMS均在1个像元(13μm)以内，能满足系统空间分辨率探测要求。

如图5(a)、(b)、(c)所示为本系统各波长MTF曲线图(Diffraction MTF)，Offner成像光谱仪在300nm、400nm、500nm下的MTF图，(a)为波长300nm；(b)为波长400nm；(c)为波长500nm；图中T方向代表光谱维方向，S方向代表空间维方向，根据CCD像元(13μm)大小，可计算在一定空间频率(38.5L/mm)下的光强分辨对比度。从图上看出MTF数值≥0.68，证明系统具有良好的成像质量，满足使用要求。图中，横坐标为空间频率(Spatial Frequency incycles per mm)，纵坐标为调制光学传递函数OTF值(Modulus of the OTF)。

本发明利采用扫摆镜引入地球同步轨道探测光信息，通过前置望远成像，结合Offner光谱成像系统进行探测。整体光学系统具有较高的空间分辨率和光谱分辨率。Offner光谱成像性能优异，尤其是空间分辨率有较大提升，实现了(300-500)nm宽谱段探测的高光谱分辨率和空间分辨率的要求，特别适合航天的高轨探测技术应用。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。