[发明专利]一种主动式大气光谱快速获取系统

说明书

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种主动式大气光谱快速获取系统。

背景技术

人类社会的发展对环境产生日益恶劣的影响，环境污染已威胁到人类生存和生态平 衡，酸雨、臭氧层破坏、温室效应成为全球性三大环境问题。各种污染气体如氮、硫的氧 化物(NO_x、SO_x)等气体导致酸雨；氯氟烃类气体造成臭氧层破坏；CO₂则是产生温室效应 的重要因素；工业生产过程中产生的各种重金属废料导致气体和水体污染。对环境污染气 体进行快速、便捷、准确的监测和有效的控制是非常重要的，本发明旨在为我们控制环境 污染、改善生存环境提供有力的检测工具。

在很多环境监控场合，需要及时获取大气环境的信息，因此要对大气环境进行实时监 控。普通光谱仪无法在短的时间内获得实时大气光谱。主要原因是，在传统的光谱仪中， 通常采用机械转动装置连续地旋转光栅或棱镜色散器件对波长进行精细扫描并实现高分 辨的光谱测量。由于存在机械移动装置，光谱获取速度有限，因此无法用在快速过程的光 谱测量上。本发明通过采用一个由多个子光栅组成的特殊光栅装置，研制一种高分辨率的 CCD光谱仪，无任何机械位移部件就可将色散光谱图像折叠数次，在小于100毫秒的时间 内获得可见光及红外波段范围的光谱。本发明基于多光栅CCD光谱仪的工作基础，并将这 种快速光谱获取技术应用到环境科学领域，用于监控大气光谱的变化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种主动式大气光谱快速获取系统。

本发明提出的这种主动式大气光谱快速获取系统，包括依次连接的如下部件：直流 脉冲高压源、大气样品电离室、聚焦系统、光谱仪、计算机系统，其结构如图1所示。

本发明中，大气样品电离室采用金属针尖端放电方式电离大气分子，使之跃迁至激发 态，当受激发的分子、原子或离子再跃迁回低能态，从而产生各自特征的发光光谱。

电离室发出的光近似为线光源，其线长可通过调节金属针尖间距而从1到5mm变化， 所发光线被聚焦系统会聚到光谱仪上的可调狭缝上。该可调狭缝的宽度为0-2mm可调。

光谱仪由平面反射镜M1、柱形凹面镜M2、光栅陈列G、组合式柱面反射镜M3和探测 器D经光路连接组成。光透过狭缝后，经反射镜M1反射到柱形凹面镜M2上，狭缝到柱形 凹面镜的距离等于柱形凹面镜M2的焦距f₁，因而从柱形凹面镜M2出射的光为准平行光。 这束准平行光以一定角度入射到光栅阵列G上。在本发明中，光栅阵列G由n块条形子光 栅组成，各条形子光栅垂直排列，每个子光栅覆盖不同的波段。设每块条形子光栅的槽 间距为d，(也可采用不同d的槽间距)，对于一级衍射光，不同波长对应的衍射角分布为：

Δλ₁＝λ₂-λ₁＝d(sinθ₂-sinθ₁)

Δλ₂＝λ₃-λ₂＝d(sinθ₃-sinθ₂)

……

Δλ_n＝λ_n+1-λ_n＝d(sinθ_n+1-sinθ_n)

因此，将n块子光栅按n个波长区Δλ₁，Δλ₂……Δλ_n沿垂直于入射面的y方向排列，调整 每块光栅的法线方向，使得与每个波长区对应，每块光栅在入射面内(x方向)具有相同的 衍射张角范围，即：

Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_n(Δλ_n)

式中：

Δθ＝θ₂-θ₁＝θ₃-θ₂＝……＝θ_n+1-θ_n

入射光经n块子光栅衍射，在与入射面垂直方向，可形成n个子波长首尾相连的波长 区，构成覆盖λ₁至λ_n+1波长的全波长区。n一般为1～10的整数。