[发明专利]一种FPI设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种FPI设计方法。 

背景技术

FPI(法布里-帕罗干涉仪)是国际上普遍采用的一种中高层大气风速和温度的被动式光学测量设备，它通过对分布在中高层大气中特定高度上的气辉辐射谱线的干涉成像实现大气风速和温度的测量，在大气动力学研究和空间天气监测与预警方面具有重要应用价值。 

现有法布里-帕罗干涉测风仪从前端依次由气辉接收和成像望远镜、气辉辐射干涉系统、气辉干涉图成像系统三个分系统组成，它们的相对通光孔径和视场角必须匹配；依据不同的探测和数据处理方式，前端望远镜的视场角可以小至0.5°～10°，称之为扫描式FPI；也可以大至近180°，称之为全空式FPI；干涉系统由准直物镜和标准具构成，标准具的通光孔径限定了整个光学系统的通光孔径，而它的腔间距也关联着光学系统的分辨率；成像系统由成像物镜和成像CCD构成。三个分系统的视场角要相互匹配，该视场角一般由前端望远镜视场角决定，也与干涉图像中所要显示的条纹数目，也即标准具腔长和入射光波长有关；入射光波长是确定的，一旦标准具腔长确定了，条纹数目与视场角成正比的关系；干涉图像中的条纹数目过少，则图像中所包含的测量信息量也相应不足，影响测量的可靠性；反之，若条纹数目过多，干涉图像的分辨率将降低，影响测量的精度。因此，条纹数目的选择要适中，对大像面CCD可多一些，小像面CCD就相应要少一些，例如对13*13mm²像面的CCD，若选择8条左右的干涉条纹数目，视场角就完全由标准具腔长决定了，若希望视场角大些就选择腔长短一些的标准具，反之就选择长一些的。例如，对前端望远镜视场角为5°的扫描式FPI，对13*13mm²像面的CCD选择腔长约为2.5mm的标准具可使干涉分系统的视场角与前端望远镜直接匹配；但是若前端望远镜的视场角过大时，标准具腔长就会过短，将会造成干涉条纹锐利度的实际性下降，降低数据处理精度，此时就必须用场镜来衔接二者的视场角了。例如对全空型FPI,前端近180°的视场必须用场镜压缩至与所选用的标准具视场角匹配。FPI中，标准具通光孔径和腔长与CCD成像面尺寸对设备的光学性能具有重要的影响，原则上CCD像面和标准具孔径越大越好，但考虑 到成本因素，标准具孔径和CCD像面尺寸受到一定的限制。标准具腔长基本与成本无关，在保持适中的条纹锐度的前提下，可通过选择腔长来匹配视场角。

由于气辉辐射非常微弱，FPI（法布里-帕罗干涉仪）的关键技术指标是相对通光孔径和图像分辨率，前者直接决定着干涉图像的性噪比和采集速度，后者直接关联着数据图像的处理精度；由于干涉和成像系统中的标准具通光孔径和CCD成像面尺寸的制约，通过减小各个分系统的物镜焦距来提高相对通光孔径往往会导致系统分辨率的降低；目前国际上运行的FPI的相对通光孔径大多在1/5左右，由于气辉辐射很弱，具有单光子探测功能的高灵敏度和低噪声的科学级CCD的曝光时间通常在3分钟以上，这直接限制了探测数据的时间分辨率和性噪比，导致其测量精度降低，因此寻求一种好的FPI设计方法很有必要。 

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种FPI的设计方法，该方法综合考虑了FPI（法布里-帕罗干涉仪）的主要技术指标，在保证数据图像分辨率的前提下，提出了一种优化FPI相对通光孔径的设计方法，对提高数据图像的信噪比和采集速率具有重要意义。 

本发明采用的方法如下： 

一种FPI设计方法，包括以下步骤， 

步骤1、确定标准具的通光孔径R、腔长d和成像CCD的成像面S， 

R取50mm，d取15mm，S取6*6mm²； 

步骤2、确定视场角，根据步骤1确定的标准具腔长d以及公式 计算视场角2w， 

其中，干涉条纹级数Δm取8，光波长λ取600nm，d取15mm，计算得到半视场角w≈17.89mrad≈1.025°，视场角2w为2.05°； 

步骤3、确定成像物镜、准直物镜和望远镜的参数，成像物镜的参数包括焦距f、孔径r、相对通光孔径， 

成像物镜的孔径r取为55mm；根据公式 取整后得成像物镜的焦距f为168mm，相对通光孔径为55/168≈1/3，准直物镜和望远镜的参数与成像物镜的参数相同。 

下面对各个步骤进行分别阐述。