专利名称：利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法
技术领域：
本发明涉及光学探测领域，特别是一种利用全向成像系统同时探测地球临边和星 下点大气的方法。
背景技术：
卫星(或航天器)有效载荷对地进行大气环境探测主要有天底观测方式、太阳/ 月亮等掩星观测方式和地球临边观测方式。天底观测方式具有高空间覆盖范围(卫星/航 天器每天绕地球运行若干周)；掩星观测方式具有高垂直分辨率(约Ikm 3km)；而临边观 测方式具有独特的优势，集传统天底观测的高空间覆盖率和掩星观测的高垂直分辨率、高 观测精度于一身。在卫星(或航天器)高度上观测的大气紫外临边散射光谱对大气密度、 大气臭氧、气溶胶及其他微量气体的密度和垂直分布极为敏感，可以同时遥感整层大气密 度和臭氧等的三维分布。国外设计的紫外波段大气临边观测仪器多为光谱仪或成像光谱仪结构。如欧空局 1995 年发射的 Hie Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)，2002 年发射的 Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY(SCIAMACHY), 美 国 2003 年的 Limb Ozone Retrieval Experiment (LORE), ShuttleOzone Limb Sounding Experiment(SOLSE)，以及最新的 The Ozone MappingProfiler Suite (OMPS)。以上仪器只 能对大气的特定临边方向进行观测，观测区域有限，无法同时对大气进行大范围、高分辨率 的综合探测，进而无法提供精确的大气全方位、多时空信息。
发明内容
针对上述情况，为了解决现有技术的缺陷，本发明的目的就在于提供一种利用全 向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，可以有效解决观察范围有限、无法同 时对大气进行大范围、高分辨率的综合探测的问题。本发明解决技术问题采用的技术方案是，利用全向成像系统同时探测地球临边和 星下点大气的方法，具体步骤如下1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜的侧面将大气中的光线反射至全向成像系 统的窄带滤波片后经窄带滤波片过滤，获得紫外波段光线；2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形 光斑图像；3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜的上底面将大气中的光线通过N棱锥反射镜 中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片后经窄带滤波片过滤获得紫外波段光 线.
一入 ，4)步骤幻所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形 光斑图像；5)根据步骤i)和步骤4)获得的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和星下点的大气探测。本发明通过使用紫外全向成像系统在空间对地球星下点与临边大气同时探测，实 现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，提供精确的大气全方位、多时空信息。
图1是本发明方法使用的全成像仪的结构示意图。图中，1、N棱锥反射镜，2、窄带滤波片，3、宽波段紫外透镜组，4、C⑶探测器，5、步 进电机，6、电子学系统，7、滤光片轮。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。由图1所示，利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征 在于，具体步骤如下1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜⑴的侧面将大气中的光线反射至全向成像 系统的窄带滤波片(2)后经窄带滤波片(2)过滤，获得紫外波段光线；2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形 光斑图像；3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜(1)的上底面将大气中的光线通过N棱锥反 射镜(1)中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片( 后经窄带滤波片( 过滤 获得紫外波段光线；4)步骤幻所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形 光斑图像；5)根据步骤2、和步骤4)获得的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和 星下点的大气探测。 所述的圆形光斑图像和环形光斑图像的中心重合。所说的全向成像系统包括两个紫外宽波段成像仪、窄带滤光片2、滤光片轮7和步 进电机5，所说的紫外宽波段成像仪包括N棱锥反射镜1、宽波段紫外透镜组3、CXD探测器 4和电子学系统6，N棱锥反射镜1前面依次放置宽波段紫外透镜组3、(XD探测器4和电子 学系统6，CXD探测器4与电子学系统6相连，窄带滤光片2放置在宽波段紫外透镜组3和 N棱锥反射镜1之间，步进电机5放置在两个紫外宽波段成像仪之间，滤光片轮7装在步进 电机5上，窄带滤光片2装在滤光片轮7上。所说的N棱锥反射镜1的棱边数为整数N，整数N的范围为1 < N < 50。所说的N棱锥反射镜1的锐角底角α范围为50° ( α ^83.5°，钝角底角β 范围为96. 5° ( β彡130°，N棱锥反射镜1的钝角底面接近窄带滤光片2。所说的窄带滤光片2为3对。所说的窄带滤波片2以滤光片轮7的中心轴为对称轴对称分布。所说的CXD探测器4、宽波段紫外透镜组3、窄带滤波片2和N棱锥反射镜1的中 心轴在同一条直线上。所说的窄带滤光片2与宽波段紫外透镜组3之间的距离D范围是7mm彡D彡13mm。
所说的窄带滤光片2与N棱锥反射镜1之间的距离d的范围是40mm彡d彡46mm。本发明中的N棱锥反射镜1将半视场69° 75°压缩为12° 18°，经滤光片 2后通过宽波段紫外透镜组3成像，在CXD探测器4上成一环形图像；星下点10°视场角内 的场景经窄带滤光片2后，经宽波段紫外透镜组3直接成像，在CXD探测器4中心位置成一 圆斑像。窄带滤光片2由步进电机5控制，实现一对波长同时探测。通过高性能的窄带滤光片2实现探测波长信号测量。大气反演技术通常对几对波 长信号同时进行探测，利用测量信号反演大气成分的分布，比如窄带滤光片2的波长
与为一对，340nm与360nm为一对。本发明中的CXD探测器4为E2V公司生产的航天级紫外增强型47_20，可适应 空间环境；宽波段紫外透镜3组采用熔石英与氟化钙材料，系统焦距为20mm，工作波段为 265nm 380nm，环形视场空间角分辨率为0. 075° ；所述的步进电机5为防冷焊、固体润滑 轴承直流无刷电机。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行 进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发 明。本发明中的138° 150°大气辐射由N棱锥形反射镜1反射，经窄带滤光片2将 工作范围外的光谱滤掉后进入宽波段紫外透镜组3成像在CXD探测器4上；星下点大气辐 射经N棱锥反射镜1中心开孔进入宽波段紫外透镜组3成像在CXD探测器4上。滤光片式双波段小型紫外全向成像仪系统给出360°视场下，临边方向视场角 138° 150°范围的地球紫外临边像，空间分辨率3km，光谱分辨率20nm。在全向成像仪的 像面、即CXD探测器4窗口上，138° 150°地球临边像和10°星下点大气成环形和中心 圆斑像。圆环像径向强度变化反映了地球临边辐射亮度随高度变化，中心亮斑反映了星下 点10°视角内大气辐射亮度分布。为了同时获得星下点10°视角内大气辐射和138° 150°范围的地球紫外临边 像，采用一般的光学系统难以达到，因此利用一个N棱锥反射镜1和宽波段紫外成像仪组 成一个折反式广角物镜光学成像单元，N棱锥反射镜1面数选择6。六棱锥反射镜锥角为 47. 2°。在宽波段紫外透镜组3前加窄带滤光片保证系统工作的波段。窄带滤光片2与宽 波段紫外透镜组3距离为10mm，与N棱锥反射镜1距离为43mm，窄带滤光片2等级为成像 型，杂光抑制为0. 1%。滤光片式双波段小型紫外全向成像仪系统结构紧凑，使用一台步进电机驱动，使 用多个波长对测量，体积为350mm(长)X200mm(宽)X200mm(高)。总重量低于^g。所述的滤光片轮7将M对滤光片对称分布，由步进电机5驱动。测量时，每对窄带 滤光片2位于紫外宽波段成像仪前，实现两组波长同时探测。改变滤光片轮7的位置，实现 下一对波长同时探测；本发明通过使用高性能窄带滤光片和紫外宽波段成像仪，可实现星下与临边同时 探测，实现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，适用于中层大气/临近空间的高 时空覆盖探测需要。
权利要求
1.利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，具体步骤 如下1)利用全向成像系统的N棱锥反射镜(1)的侧面将大气中的光线反射至全向成像系统 的窄带滤波片(2)后经窄带滤波片(2)过滤，获得紫外波段光线；2)步骤1)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得环形光斑 图像；3)利用全向成像系统的N棱锥反射镜(1)的上底面将大气中的光线通过N棱锥反射镜 (1)中心轴直接折射进入全向成像系统内的窄带滤波片( 后经窄带滤波片( 过滤获得 紫外波段光线；4)步骤3)所述的紫外波段光线入射至全向成像系统的光学成像单元，获得圆形光斑 图像；5)根据步骤幻和步骤4)获得的环形光斑图像和圆形光斑图像，实现地球临边和星下 点的大气探测。
2.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所述的圆形光斑图像和环形光斑图像的中心重合。
3.根据权利要求1所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的全向成像系统包括两个紫外宽波段成像仪、窄带滤光片O)、滤光片轮 (7)和步进电机(5)，所说的紫外宽波段成像仪包括N棱锥反射镜(1)、宽波段紫外透镜组 (3)、CCD探测器(4)和电子学系统(6)，N棱锥反射镜(1)前面依次放置宽波段紫外透镜组 (3)、CCD探测器(4)和电子学系统(6)，CCD探测器(4)与电子学系统(6)相连，窄带滤光 片( 放置在宽波段紫外透镜组C3)和N棱锥反射镜(1)之间，步进电机( 放置在两个 紫外宽波段成像仪之间，滤光片轮(7)装在步进电机( 上，窄带滤光片( 装在滤光片轮 (7)上。
4.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的N棱锥反射镜(1)的棱边数为整数N，整数N的范围为1 < N < 50。
5.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的N棱锥反射镜(1)的锐角底角α范围为50° < α <83.5°，钝角底 角β范围为96. 5° ^ β ^ 130°，N棱锥反射镜(1)的钝角底面接近窄带滤光片O)。
6.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的窄带滤光片(2)为3对。
7.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的窄带滤波片O)以滤光片轮(7)的中心轴为对称轴对称分布。
8.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法， 其特征在于，所说的CCD探测器G)、宽波段紫外透镜组(3)、窄带滤波片(2)和N棱锥反射 镜(1)的中心轴在同一条直线上。
9.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方 法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)与宽波段紫外透镜组(3)之间的距离D范围是 7mm ^ D ^ 13mm0
10.根据权利要求2所述的利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法，其特征在于，所说的窄带滤光片(2)与N棱锥反射镜(1)之间的距离d的范围是 40mm ^ d ^ 46mm 0
全文摘要
本发明涉及光学探测领域，特别是一种利用全向成像系统同时探测地球临边和星下点大气的方法。本方法通过全向成像系统内部的N棱锥反射镜将光线反射或折射进入，并在窄带滤波片的过滤下在全向成像系统内部的光学成像单元上形成紫外波段光线的环形光斑和圆形光斑。本发明通过使用紫外全向成像系统在空间对地球星下点与临边大气同时探测，实现在紫外波段对大气进行大范围、高分辨率探测，提供精确的大气全方位、多时空信息。
文档编号G01W1/00GK102135632SQ201010615490
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者吕达仁, 曲艺, 林冠宇, 王淑荣 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所