一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的制作方法

本实用新型涉及一种成像光谱仪，特别涉及一种适用于高精度遥感探测大气温室气体浓度的成像光谱仪，具有宽覆盖、低畸变、大相对孔径、高分辨率、高光谱分辨率的特点。

背景技术：

近年来，大气环境问题日渐突出，气候变化影响逐渐加剧，已经成为全球关注的热点。大气中CO2和CH4对辐射强迫的贡献最大，是导致全球变暖的最主要温室气体。因此，减少这些气体的排放称为21世纪最重大的环境挑战之一。通过密集的时间和空间采样，利用卫星测量全球大气温室气体浓度的分布，能够加深对自然的和人为的表面碳通量的理解。目前，国际上具备较大影响力和研究能力的美国、欧洲、日本、中国等都在积极研发和研制用于全球温室气体分布变化监测和分析的设备。

美国研制的OCO/OCO-2卫星和中国研制的TANSAT卫星验证了平面光栅探测大气二氧化碳浓度的可能性，并在空间上实现了应用，但受限于光栅的畸变大、衍射效率低、仅能探测TM偏振态信息等不足，这两种温室气体光谱仪总体能量利用率低、地面覆盖小。日本GOSAT卫星上的温室气体探测仪TANSO-FTS采用傅里叶变换干涉型光谱仪，同样实现了大气温室气体的高精度探测，但其地面采样点为孤立区域，难以获得空间连续的CO2浓度信息。因此，研制宽覆盖、高成像性能、高透过率、高分辨率、高精度的温室气体成像光谱仪具有强烈的应用需求和前景。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种用于遥感探测，具有高成像性能、低畸变、宽覆盖、高透过率、高分辨率特性的温室气体成像光谱仪。

为实现上述实用新型目的，本实用新型所采用的技术方案是提供一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的光学系统包括前置望远物镜、准直镜头和四个分光成像装置，系统的F数取值范围为1.2～1.8；按光线入射方向，光线经孔径光阑进入前置望远物镜，成像于狭缝处，经准直镜头准直为平行光束，由二向色性分色片分为四个不同的探测波段，分别进入四个分光成像装置中进行分光色散，再经成像镜组成像于探测器上；

所述的前置望远物镜为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为主镜、次镜和三镜，孔径光阑位于主镜前，中间实像位于主镜和次镜之间，靠近次镜处；反射镜中的一块或两块为非球面；

所述的准直镜头为有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，依次为准直镜头主镜、准直镜头次镜和准直镜头三镜，中间实像位于准直镜头次镜和准直镜头三镜之间，靠近准直镜头次镜处；反射镜中的一块或两块为非球面；

所述的分光成像装置为近Littrow装架，依次为第一楔角棱镜、反射式浸没光栅和第二楔角棱镜。

本实用新型提供的一种宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的成像镜组为透射式匹兹万结构，F数的取值范围为1.2～1.8；所述前置望远物镜和准直镜头的F数取值范围为1.8～4。

本实用新型提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，依据探测目标可设置不同的工作波段：氧气-A(O2-A)吸收带0.7525～0.7675μm，弱二氧化碳(CO2)吸收带1.595～1.625μm，强二氧化碳(CO2)吸收带2.04～2.08μm，甲烷(CH4)吸收带2.275～2.325μm，通过四个独立设置的分光成像装置，用于同时高精度定量探测四种不同类型的温室气体的浓度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪可同时监测大气二氧化碳和甲烷等的浓度，地面覆盖范围宽、相对孔径大、探测精度高、空间分辨率和光谱分辨率高。

2.成像光谱仪共用前置望远物镜和准直镜头，无需考虑空间对准问题，且均采用三反射镜结构，无色差，适用于宽波段。

3.分光成像装置采用反射式浸没光栅，辅以楔角棱镜矫正畸变，可实现低畸变、低偏振、小体积设计，满足不同的应用场合。

4.各工作波段采用独立的分光成像装置，波段范围窄，材料色散小，使用同种玻璃进行设计。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的反射式矩形槽浸没光栅的示意图；

图3是本实用新型实施例1提供的O2-A波段反射式矩形槽浸没光栅衍射效率曲线；

图4是本实用新型实施例1提供的O2-A波段光学系统的谱线弯曲曲线图；

图5是本实用新型实施例1提供的O2-A波段光学系统的色畸变曲线图；

图中：1.孔径光阑；2.前置望远物镜主镜；3.前置望远物镜次镜；4.前置望远物镜三镜；5.狭缝；6.准直镜头主镜；7.准直镜头次镜；8.准直镜头三镜；9.二向色性分色片；10.分光成像装置系统；11.光栅入射光；12.光栅衍射光；13.棱镜前表面(光栅入/出射面)；14.棱镜后表面(光栅面)；15.楔角棱镜/组(1)；16.楔角棱镜/组(2)；17.反射式浸没光栅；18.成像镜组；19.探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对实用新型的实施方案作进一步的具体阐述。

实施例1

本实施例提供的技术方案是宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪，它的工作波段是氧气-A(O2-A)吸收带0.7525～0.7675μm，弱二氧化碳(CO2)吸收带1.595～1.625μm，强二氧化碳(CO2)吸收带2.04～2.08μm，甲烷(CH4)吸收带2.275～2.325μm。地面刈幅宽度102km，视场角7°，地面空间采样范围3km×3km，光谱分辨本领19000～23000，前置望远物镜和准直镜头F数为3，成像装置透镜组F数为1.8。由于四个工作波段分光成像装置结构类似，本实施例以O2-A吸收带0.7525～0.7675μm光学系统为例进行说明。

参见附图1，它是本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的光学系统结构示意图，包括孔径光阑1、前置望远物镜的主镜2、次镜3、三镜4、狭缝5、准直镜头的主镜6、次镜7、三镜8、二向色性分色片9、分光成像装置系统10，其中，依据探测目标不同的工作波段，独立设置分光成像装置（可设置四个），各波段的分光成像装置结构相似，分别由楔角棱镜/组(1)15、楔角棱镜/组(2)16、反射式浸没光栅17、成像透镜组18和探测器19组成。分光成像装置采用反射式浸没光栅17色散，浸没介质为熔融石英，楔形棱镜/组16和18用以矫正畸变和辅助色散。成像透镜组结构上采用四片式匹兹万型，F数为1.8，O2-A吸收带所用成像镜组的焦距为145mm，玻璃材料均为熔融石英。

本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的前置望远物镜包括孔径光阑1、前置望远物镜主镜2、前置望远物镜次镜3、前置望远物镜三镜4和狭缝5，结构上采用有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，中间实像位于主次镜之间，靠近次镜；主三镜为两个非球面反射镜，次镜为球面反射镜；前置望远物镜的F数为3，焦距为100mm，三个反射镜顶点曲率半径分别为218mm、103mm和180mm，主三镜为椭球面，二次非球面系数分别为-0.58和-0.02。狭缝5是空气狭缝，采用离子束刻蚀硅片制作而成，长13mm，宽45μm±1μm，方向垂直纸面。

本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪准直镜头的光路，由狭缝5、准直镜头主镜6、准直镜头次镜7和准直镜头三镜8组成，结构上采用有中间实像的同轴偏视场三反射式结构，中间实像位于次三镜之间，靠近次镜；主三镜为两个非球面反射镜，次镜为球面反射镜；准直镜头的F数为3，焦距为250mm，三个反射镜顶点曲率半径分别为262mm、184.5mm和502mm，主三镜均为椭球面，二次非球面系数分别为-0.03和-0.70。

参见附图2，它是本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的反射式矩形槽石英浸没光栅示意图，光栅入射光11和光栅衍射光12共用棱镜前表面(光栅入/出射面)13，并在棱镜后表面(光栅面)14上发生衍射反射。光栅槽形为矩形槽，浸没介质为熔融石英，表面镀银膜。

参见附图3，它是本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的O2-A波段浸没光栅衍射效率曲线图，由图可见，其衍射效率平均值高于85%，TE和TM模绝对偏振值小于10%。

参见附图4和5，分别是本实施例提供的宽覆盖高分辨率温室气体成像光谱仪的O2-A波段光学系统的谱线弯曲曲线图和色畸变曲线图，横坐标为归一化视场坐标，纵坐标表示畸变量，由图看出，光谱仪系统谱线弯曲最大约为4.3μm，色畸变最大约为9.1μm。

按本实施例提供的光谱仪光学系统，可依据探测目标设置不同的工作波段：氧气-A(O2-A)吸收带0.7525～0.7675μm，弱二氧化碳(CO2)吸收带1.595～1.625μm，强二氧化碳(CO2)吸收带2.04～2.08μm，甲烷(CH4)吸收带2.275～2.325μm，通过四个独立设置的分光成像装置，用于同时探测四种不同类型的温室气体。