空间遥感大气痕量气体临边探测仪设计与研究

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求,设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成,工作波段为380~570 nm.在工作波段内,点列图半径的均方根值均小于9 μm,校正了像散,整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg,体积420×350×200 mm³,空间像元分辨力0.6 km,光谱分辨力0.86 nm,各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验,外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对,二者具有很好的一致性,表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好,满足大气痕量气体探测的应用要求.     

柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术研究

传统Czerny-Turner光谱仪系统中,像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题,提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散,能够提高系统像质,在具有良好工艺性的同时,保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明,柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400～800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能,为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。     

近红外宽波段下的Czerny-Turner结构复合方法消像散设计

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足,提出了一种复合方法校正像散,即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时,加入柱镜,利用柱镜的相反像散变化趋势,进一步补偿光学系统的剩余像散,推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法,设计了1个近红外900~1700nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明,全波段全视场均方根(RMS)值均小于14μm,调制传递函数(MTF)达到0.7以上,全波段的光谱分辨率为1.5nm。保证了在高光谱分辨率的情况下,实现了近红外800nm宽波段像散的同时校正,避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计,对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。     

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪光学设计

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪是一种新型空间光学遥感器,根据宽波段、大动态范围、小型化的要求,提出了利用随波段衰减滤光片调节入射信号的强度,实现宽波段大动态范围临边成像光谱同时探测的新方法。采用离轴抛物面望远镜和离轴非球面光谱成像系统,设计了一个棱镜色散型宽波段临边臭氧廓线探测仪光学系统,工作波段290~1000 nm、视场1.4°×0.032°、焦距80 mm,相对孔径1/6。利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了优化设计和性能评价,结果表明,成像点弥散斑半径的均方根值最大为6.2 mm,小于探测器像元尺寸的1/2,在290 nm处,光谱分辨率0.9 nm,在1000 nm处,光谱分辨率22 nm,均满足设计指标要求。临边臭氧廓线探测仪全系统不同波长的光学传递函数在特征频率7.4 lp/mm处大于0.82,设计结果满足成像质量要求,且具有体积小、质量轻的特点,适合空间遥感应用。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

宽波段高分辨率改进型Czerny-Turner成像光谱仪研究

主要针对Czerny-Turner结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。Czerny-Turner结构主要存在的像差为像散。为了获得了该结构的完善消像散条件,对其进行了理论分析和结构改进。系统的基本结构不变,仍由球面准直镜,平面光栅和球面聚焦镜组成,但在聚焦镜后添加了一个带楔角的柱面镜,该柱面镜解决了子午方向和弧矢方向上存在大像散差的问题,使系统可以在较宽的波段上实现较高的分辨率,同时元件制作成本大大降低。设计了一个工作在可见光波段(380~760 nm)的改进型成像光谱系统,并对设计理论进行了验证。例子成功设计了数值孔径0.05,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.59的高分辨率成像光谱仪光学系统。这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。     

消像散Czerny-Turner光谱成像系统的设计

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散,为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较,在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下,分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件,推导出子午和弧矢焦长的表达式,并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外,分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件,并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散,将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件,结构简单、加工成本低、易于装调,最具推广价值。     

基于平板波导的小型红外光栅光谱仪光学设计

为实现红外光谱仪器的小型化,通过分析现有小型光谱仪,提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。在平板波导光谱仪中,光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播,看起来像是整个光学系统被压扁了。在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小,从而显著减小光学系统的尺寸。该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、波导结构设计。先根据像差理论设计Czerny-Turner结构,目标是保证光谱分辨率及校正像差;然后根据几何光学理论设计波导结构,包括平板波导和两个柱面透镜,目标是压缩光束并校正像散;最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化,以获得最优的光学系统。据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪,工作波段为8~12 μm,数值孔径为0.22,采用线阵探测器。通过Zemax软件对结果进行分析和评价,表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm,工作波段内光谱分辨率达到80 nm,满足设计指标要求。证明了该优化设计方法是可行的,所得系统尺寸小、性能高。     

星载天底/临边大气紫外全景探测仪光学设计

星载紫外全景探测仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据天底和临边同时探测的研究目标,提出了一种天底视场和临边视场共像面的全新紫外全景探测仪光学系统结构,设计了一个中心波长360nm、带宽20nm、中心视场10°、环形视场360°×(70.31°~72.71°)、焦距5mm、相对孔径1/3.3的全景探测仪光学系统.利用光学系统的畸变增加边缘视场的能量,同时利用光阑像差产生的有效像差渐晕来提高边缘视场的像面照度,边缘视场的相对照度达到98%以上.将天底视场光路和临边视场光路建立多重结构,利用ZEMXA-EE软件的多重结构优化功能同时优化设计天底视场光路和临边视场光路,设计结果表明,天底和临边视场的光学传递函数均大于0.6@38.5lp/mm,满足设计指标要求,且体积和质量小,适合空间应用.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1μW.以CH4为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH4分子3028.751cm-1 v3基频吸收线作为分析谱线,10cm光程的检测限为0.8ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2~3.7 μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1 μW.以CH₄为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH₄分子3 028.751 cm^-1 v₃基频吸收线作为分析谱线,10 cm光程的检测限为0.8 ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。