專利名稱：利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)探測領(lǐng)域，特別是一種利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星 下點大氣的方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星(或航天器)有效載荷對地進(jìn)行大氣環(huán)境探測主要有天底觀測方式、太陽/ 月亮等掩星觀測方式和地球臨邊觀測方式。天底觀測方式具有高空間覆蓋范圍(衛(wèi)星/航 天器每天繞地球運行若干周)；掩星觀測方式具有高垂直分辨率(約Ikm 3km)；而臨邊觀 測方式具有獨特的優(yōu)勢，集傳統(tǒng)天底觀測的高空間覆蓋率和掩星觀測的高垂直分辨率、高 觀測精度于一身。在衛(wèi)星(或航天器)高度上觀測的大氣紫外臨邊散射光譜對大氣密度、 大氣臭氧、氣溶膠及其他微量氣體的密度和垂直分布極為敏感，可以同時遙感整層大氣密 度和臭氧等的三維分布。國外設(shè)計的紫外波段大氣臨邊觀測儀器多為光譜儀或成像光譜儀結(jié)構(gòu)。如歐空局 1995 年發(fā)射的 Hie Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)，2002 年發(fā)射的 Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY(SCIAMACHY), 美 國 2003 年的 Limb Ozone Retrieval Experiment (LORE), ShuttleOzone Limb Sounding Experiment(SOLSE)，以及最新的 The Ozone MappingProfiler Suite (OMPS)。以上儀器只 能對大氣的特定臨邊方向進(jìn)行觀測，觀測區(qū)域有限，無法同時對大氣進(jìn)行大范圍、高分辨率 的綜合探測，進(jìn)而無法提供精確的大氣全方位、多時空信息。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的就在于提供一種利用全 向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法，可以有效解決觀察范圍有限、無法同 時對大氣進(jìn)行大范圍、高分辨率的綜合探測的問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和 星下點大氣的方法，具體步驟如下1)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡的側(cè)面將大氣中的光線反射至全向成像系 統(tǒng)的窄帶濾波片后經(jīng)窄帶濾波片過濾，獲得紫外波段光線；2)步驟1)所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得環(huán)形 光斑圖像；3)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡的上底面將大氣中的光線通過N棱錐反射鏡 中心軸直接折射進(jìn)入全向成像系統(tǒng)內(nèi)的窄帶濾波片后經(jīng)窄帶濾波片過濾獲得紫外波段光 線.
一入 ，4)步驟幻所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得圓形 光斑圖像；5)根據(jù)步驟i)和步驟4)獲得的環(huán)形光斑圖像和圓形光斑圖像，實現(xiàn)地球臨邊和星下點的大氣探測。本發(fā)明通過使用紫外全向成像系統(tǒng)在空間對地球星下點與臨邊大氣同時探測，實 現(xiàn)在紫外波段對大氣進(jìn)行大范圍、高分辨率探測，提供精確的大氣全方位、多時空信息。


圖1是本發(fā)明方法使用的全成像儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、N棱錐反射鏡，2、窄帶濾波片，3、寬波段紫外透鏡組，4、C⑶探測器，5、步 進(jìn)電機，6、電子學(xué)系統(tǒng)，7、濾光片輪。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明。由圖1所示，利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法，其特征 在于，具體步驟如下1)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡⑴的側(cè)面將大氣中的光線反射至全向成像 系統(tǒng)的窄帶濾波片(2)后經(jīng)窄帶濾波片(2)過濾，獲得紫外波段光線；2)步驟1)所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得環(huán)形 光斑圖像；3)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡(1)的上底面將大氣中的光線通過N棱錐反 射鏡(1)中心軸直接折射進(jìn)入全向成像系統(tǒng)內(nèi)的窄帶濾波片( 后經(jīng)窄帶濾波片( 過濾 獲得紫外波段光線；4)步驟幻所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得圓形 光斑圖像；5)根據(jù)步驟2、和步驟4)獲得的環(huán)形光斑圖像和圓形光斑圖像，實現(xiàn)地球臨邊和 星下點的大氣探測。 所述的圓形光斑圖像和環(huán)形光斑圖像的中心重合。所說的全向成像系統(tǒng)包括兩個紫外寬波段成像儀、窄帶濾光片2、濾光片輪7和步 進(jìn)電機5，所說的紫外寬波段成像儀包括N棱錐反射鏡1、寬波段紫外透鏡組3、CXD探測器 4和電子學(xué)系統(tǒng)6，N棱錐反射鏡1前面依次放置寬波段紫外透鏡組3、(XD探測器4和電子 學(xué)系統(tǒng)6，CXD探測器4與電子學(xué)系統(tǒng)6相連，窄帶濾光片2放置在寬波段紫外透鏡組3和 N棱錐反射鏡1之間，步進(jìn)電機5放置在兩個紫外寬波段成像儀之間，濾光片輪7裝在步進(jìn) 電機5上，窄帶濾光片2裝在濾光片輪7上。所說的N棱錐反射鏡1的棱邊數(shù)為整數(shù)N，整數(shù)N的范圍為1 < N < 50。所說的N棱錐反射鏡1的銳角底角α范圍為50° ( α ^83.5°，鈍角底角β 范圍為96. 5° ( β彡130°，N棱錐反射鏡1的鈍角底面接近窄帶濾光片2。所說的窄帶濾光片2為3對。所說的窄帶濾波片2以濾光片輪7的中心軸為對稱軸對稱分布。所說的CXD探測器4、寬波段紫外透鏡組3、窄帶濾波片2和N棱錐反射鏡1的中 心軸在同一條直線上。所說的窄帶濾光片2與寬波段紫外透鏡組3之間的距離D范圍是7mm彡D彡13mm。
所說的窄帶濾光片2與N棱錐反射鏡1之間的距離d的范圍是40mm彡d彡46mm。本發(fā)明中的N棱錐反射鏡1將半視場69° 75°壓縮為12° 18°，經(jīng)濾光片 2后通過寬波段紫外透鏡組3成像，在CXD探測器4上成一環(huán)形圖像；星下點10°視場角內(nèi) 的場景經(jīng)窄帶濾光片2后，經(jīng)寬波段紫外透鏡組3直接成像，在CXD探測器4中心位置成一 圓斑像。窄帶濾光片2由步進(jìn)電機5控制，實現(xiàn)一對波長同時探測。通過高性能的窄帶濾光片2實現(xiàn)探測波長信號測量。大氣反演技術(shù)通常對幾對波 長信號同時進(jìn)行探測，利用測量信號反演大氣成分的分布，比如窄帶濾光片2的波長
與為一對，340nm與360nm為一對。本發(fā)明中的CXD探測器4為E2V公司生產(chǎn)的航天級紫外增強型47_20，可適應(yīng) 空間環(huán)境；寬波段紫外透鏡3組采用熔石英與氟化鈣材料，系統(tǒng)焦距為20mm，工作波段為 265nm 380nm，環(huán)形視場空間角分辨率為0. 075° ；所述的步進(jìn)電機5為防冷焊、固體潤滑 軸承直流無刷電機。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清晰，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行 進(jìn)一步說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。本發(fā)明中的138° 150°大氣輻射由N棱錐形反射鏡1反射，經(jīng)窄帶濾光片2將 工作范圍外的光譜濾掉后進(jìn)入寬波段紫外透鏡組3成像在CXD探測器4上；星下點大氣輻 射經(jīng)N棱錐反射鏡1中心開孔進(jìn)入寬波段紫外透鏡組3成像在CXD探測器4上。濾光片式雙波段小型紫外全向成像儀系統(tǒng)給出360°視場下，臨邊方向視場角 138° 150°范圍的地球紫外臨邊像，空間分辨率3km，光譜分辨率20nm。在全向成像儀的 像面、即CXD探測器4窗口上，138° 150°地球臨邊像和10°星下點大氣成環(huán)形和中心 圓斑像。圓環(huán)像徑向強度變化反映了地球臨邊輻射亮度隨高度變化，中心亮斑反映了星下 點10°視角內(nèi)大氣輻射亮度分布。為了同時獲得星下點10°視角內(nèi)大氣輻射和138° 150°范圍的地球紫外臨邊 像，采用一般的光學(xué)系統(tǒng)難以達(dá)到，因此利用一個N棱錐反射鏡1和寬波段紫外成像儀組 成一個折反式廣角物鏡光學(xué)成像單元，N棱錐反射鏡1面數(shù)選擇6。六棱錐反射鏡錐角為 47. 2°。在寬波段紫外透鏡組3前加窄帶濾光片保證系統(tǒng)工作的波段。窄帶濾光片2與寬 波段紫外透鏡組3距離為10mm，與N棱錐反射鏡1距離為43mm，窄帶濾光片2等級為成像 型，雜光抑制為0. 1%。濾光片式雙波段小型紫外全向成像儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用一臺步進(jìn)電機驅(qū)動，使 用多個波長對測量，體積為350mm(長)X200mm(寬)X200mm(高)?？傊亓康陀赹g。所述的濾光片輪7將M對濾光片對稱分布，由步進(jìn)電機5驅(qū)動。測量時，每對窄帶 濾光片2位于紫外寬波段成像儀前，實現(xiàn)兩組波長同時探測。改變?yōu)V光片輪7的位置，實現(xiàn) 下一對波長同時探測；本發(fā)明通過使用高性能窄帶濾光片和紫外寬波段成像儀，可實現(xiàn)星下與臨邊同時 探測，實現(xiàn)在紫外波段對大氣進(jìn)行大范圍、高分辨率探測，適用于中層大氣/臨近空間的高 時空覆蓋探測需要。
權(quán)利要求
1.利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法，其特征在于，具體步驟 如下1)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡(1)的側(cè)面將大氣中的光線反射至全向成像系統(tǒng) 的窄帶濾波片(2)后經(jīng)窄帶濾波片(2)過濾，獲得紫外波段光線；2)步驟1)所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得環(huán)形光斑 圖像；3)利用全向成像系統(tǒng)的N棱錐反射鏡(1)的上底面將大氣中的光線通過N棱錐反射鏡 (1)中心軸直接折射進(jìn)入全向成像系統(tǒng)內(nèi)的窄帶濾波片( 后經(jīng)窄帶濾波片( 過濾獲得 紫外波段光線；4)步驟3)所述的紫外波段光線入射至全向成像系統(tǒng)的光學(xué)成像單元，獲得圓形光斑 圖像；5)根據(jù)步驟幻和步驟4)獲得的環(huán)形光斑圖像和圓形光斑圖像，實現(xiàn)地球臨邊和星下 點的大氣探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所述的圓形光斑圖像和環(huán)形光斑圖像的中心重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的全向成像系統(tǒng)包括兩個紫外寬波段成像儀、窄帶濾光片O)、濾光片輪 (7)和步進(jìn)電機(5)，所說的紫外寬波段成像儀包括N棱錐反射鏡(1)、寬波段紫外透鏡組 (3)、CCD探測器(4)和電子學(xué)系統(tǒng)(6)，N棱錐反射鏡(1)前面依次放置寬波段紫外透鏡組 (3)、CCD探測器(4)和電子學(xué)系統(tǒng)(6)，CCD探測器(4)與電子學(xué)系統(tǒng)(6)相連，窄帶濾光 片( 放置在寬波段紫外透鏡組C3)和N棱錐反射鏡(1)之間，步進(jìn)電機( 放置在兩個 紫外寬波段成像儀之間，濾光片輪(7)裝在步進(jìn)電機( 上，窄帶濾光片( 裝在濾光片輪 (7)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的N棱錐反射鏡(1)的棱邊數(shù)為整數(shù)N，整數(shù)N的范圍為1 < N < 50。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的N棱錐反射鏡(1)的銳角底角α范圍為50° < α <83.5°，鈍角底 角β范圍為96. 5° ^ β ^ 130°，N棱錐反射鏡(1)的鈍角底面接近窄帶濾光片O)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的窄帶濾光片(2)為3對。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的窄帶濾波片O)以濾光片輪(7)的中心軸為對稱軸對稱分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法， 其特征在于，所說的CCD探測器G)、寬波段紫外透鏡組(3)、窄帶濾波片(2)和N棱錐反射 鏡(1)的中心軸在同一條直線上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方 法，其特征在于，所說的窄帶濾光片(2)與寬波段紫外透鏡組(3)之間的距離D范圍是 7mm ^ D ^ 13mm0
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法，其特征在于，所說的窄帶濾光片(2)與N棱錐反射鏡(1)之間的距離d的范圍是 40mm ^ d ^ 46mm 0
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)探測領(lǐng)域，特別是一種利用全向成像系統(tǒng)同時探測地球臨邊和星下點大氣的方法。本方法通過全向成像系統(tǒng)內(nèi)部的N棱錐反射鏡將光線反射或折射進(jìn)入，并在窄帶濾波片的過濾下在全向成像系統(tǒng)內(nèi)部的光學(xué)成像單元上形成紫外波段光線的環(huán)形光斑和圓形光斑。本發(fā)明通過使用紫外全向成像系統(tǒng)在空間對地球星下點與臨邊大氣同時探測，實現(xiàn)在紫外波段對大氣進(jìn)行大范圍、高分辨率探測，提供精確的大氣全方位、多時空信息。
文檔編號G01W1/00GK102135632SQ201010615490
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者呂達(dá)仁, 曲藝, 林冠宇, 王淑榮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所