一种基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统

本申请属于遥感监测，具体涉及一种基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统。

背景技术：

1、星载大气成分遥感仪器可以对地球某一固定区域或者全球分布进行连续监视，这对于气候监测、环境保护和灾害预警等领域至关重要。极轨可以实现每天一幅的全球大气成分分布的探测信息，而地球同步轨道可以实现小时级甚至分钟级的大气成分探测，大气成分的高精度探测对于监测和预报全球变化具有极其重要的作用。

2、差分吸收光谱仪是一种高效的大气监测工具，能够准确测定大气中特定气体的浓度。通过测量气体吸收特定波长光的程度来反演气体的种类和浓度。这种技术在地面和低地球轨道卫星上已被广泛应用，但是传统平面光栅光谱仪系统中的车尼尔特纳结构光学系统视场小、数值孔径小，无法满足高信噪比、宽波段的要求，凸面光栅和凹面光栅加工困难，光谱混叠严重等研制难度极大，不适合在空间受限的卫星平台和机载平台上使用。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服现有技术车尼尔特纳结构光学系统视场小、数值孔径小，无法满足高信噪比、宽波段的要求的缺陷。

2、为了实现上述目的，本申请提出了一种基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，所述系统包括：

3、摆扫镜、前置望远镜、狭缝、半反半透镜、第一通道和第二通道；

4、光线经摆扫镜反射进入前置望远镜；光线通过前置望远镜后发射到狭缝，透过狭缝后到达半反半透镜；光线通过半反半透镜时，一部分光线透射进入第一通道，另一部分光线反射进入第二通道。

5、作为上述系统的一种改进，所述前置望远镜包括非球面设置有孔径光阑、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和平面反射镜；

6、光线进入前置望远镜后依次经过非球面设置有孔径光阑、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和平面反射镜的反射后射出前置望远镜。

7、作为上述系统的一种改进，所述非球面设置有孔径光阑为偶次非球面；第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜为自由曲面；平面反射镜为分色镜。

8、作为上述系统的一种改进，所述光线通过半反半透镜时，50％的光线透射进入第一通道，50％的光线反射进入第二通道。

9、作为上述系统的一种改进，所述第一通道包括：第三自由曲面反射镜、第一平面光栅、第四自由曲面反射镜、第一一次像面、第一球面反射镜和第一像面；

10、光线在第一通道中，依次经过第三自由曲面反射镜、第一平面光栅、第四自由曲面反射镜的反射，透过第一一次像面，再经过第一球面反射镜反射到第一像面。

11、作为上述系统的一种改进，所述第二通道包括：第五自由曲面反射镜、第二平面光栅、第六自由曲面反射镜，第二一次像面、第二球面反射镜和第二像面；

12、光线在第二通道中，依次经过第五自由曲面反射镜、第二平面光栅、第六自由曲面反射镜的反射，透过第二一次像面，再经过第二球面反射镜反射到第二像面。

13、作为上述系统的一种改进，所述摆扫镜为球面反射镜，通过旋转实现光线的扫描。

14、作为上述系统的一种改进，所述系统实现290nm-740nm光谱范围的高光谱分辨率成像；其中，第一通道实现290nm-500nm光谱范围的高光谱分辨率成像，第二通道实现540nm-740nm光谱范围的高光谱分辨率成像。

15、与现有技术相比，本申请的优势在于：

16、1.宽谱段：通过采用非球面和自由曲面的设计，可以有效地改善光学系统的像差，从而提高系统的成像质量。

17、2.低杂光：在光谱分光系统中设计一次像面可有效减少杂散光的产生。

18、3.高光谱分辨率：双通道设计，采用平面光栅实现摆扫镜0°～3.5°摆扫范围内的高光谱分辨率。

19、4.高稳定性：平面结构在物理稳定性方面通常优于凹面结构，特别是在应对外部环境变化(如温度波动)时，平面光栅的性能更加稳定，提高了光学系统的稳定性。

20、5.提供新的解决方案：为高性能大气成分差分吸收光谱仪的发展和应用提供了一种新的解决方案。

技术特征：

1.一种基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述前置望远镜包括非球面设置有孔径光阑、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和平面反射镜；

3.根据权利要求2所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述非球面设置有孔径光阑为偶次非球面；第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜为自由曲面；平面反射镜为分色镜。

4.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述光线通过半反半透镜时，50％的光线透射进入第一通道，50％的光线反射进入第二通道。

5.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述第一通道包括：第三自由曲面反射镜、第一平面光栅、第四自由曲面反射镜、第一一次像面、第一球面反射镜和第一像面；

6.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述第二通道包括：第五自由曲面反射镜、第二平面光栅、第六自由曲面反射镜，第二一次像面、第二球面反射镜和第二像面；

7.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述摆扫镜为球面反射镜，通过旋转实现光线的扫描。

8.根据权利要求1所述的基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，其特征在于，所述系统实现290nm-740nm光谱范围的高光谱分辨率成像；其中，第一通道实现290nm-500nm光谱范围的高光谱分辨率成像，第二通道实现540nm-740nm光谱范围的高光谱分辨率成像。

技术总结本申请提供了一种基于平面光栅的大气成分差分吸收光谱仪光学系统，所述系统包括：摆扫镜、前置望远镜、狭缝、半反半透镜、第一通道和第二通道；光线经摆扫镜反射进入前置望远镜；光线通过前置望远镜后发射到狭缝，透过狭缝后到达半反半透镜；光线通过半反半透镜时，一部分光线透射进入第一通道，另一部分光线反射进入第二通道。本申请的优势在于：通过采用非球面和自由曲面的设计，有效地改善光学系统的像差，提高了系统的成像质量；采用一次像面可有效减少杂散光的产生；采用双通道设计，利用平面光栅实现摆扫镜0°～3.5°摆扫范围内的高光谱分辨率；在应对外部环境变化时，平面光栅的性能更加稳定，提高了光学系统的稳定性。技术研发人员：石恩涛,李鹏达,王咏梅,刘玖,毛靖华,朱军,姚舜受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心技术研发日：技术公布日：2024/7/25