[发明专利]一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统

说明书

本发明公开了一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统。摆扫镜系统由摆镜构成；离轴三反望远成像系统主要由离轴三反望远镜构成，并含孔径光阑、退偏器和分色片；Offner‑Littrow光谱成像系统具体由入射狭缝、探测器、凸面光栅、凹面反射镜和像差校正透镜构成；摆镜通过扫描将探测的临边信息引入离轴三反望远成像系统，通过分色片分成三个独立的光谱通道，分别聚焦到Offner‑Littrow光谱成像系统入射狭缝处。相应光谱信息经像差校正透镜准直到凹面反射镜反射，由凸面光栅分光至凹面反射镜，再经像差校正透镜聚焦到探测器。本发明保证测量准确性，使整体光学系统体积紧凑。

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体是通过高分辨率光谱成像获取对临边观测的散射光谱，反演出所观测区域痕量气体成分NO₂、O₃等物质的垂直分布。主要应用于航天卫星平台的星载临边差分吸收光谱仪探测，具体由摆扫镜、离轴三反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统三部分组成。

背景技术

本发明系统是针对地球切线方向上的大气进行探测，收集仪器视场范围内大气痕量气体散射辐射，散射辐射的亮度随波长和临边高度变化，通过分析接收到的散射辐射的光谱特性，反演大气痕量气体的空间分部信息。

大气痕量气体探测是监测大气环境污染和研究全球变暖的重要手段，基于卫星平台的大气痕量气体根据观测方式的不同，分为天底探测模式、掩日/月探测方式和临边探测方式。天底探测方式的空间覆盖范围高，但垂直分辨率低；掩日/月探测方式的垂直分辨率高，但空间覆盖范围小；临边探测方式同时具备空间覆盖范围大和垂直分辨率高的特点。

利用NO₂、SO₂、O₃等大气痕量气体在不同波段对太阳光的散射和吸收特性的差异，通过对经过仪器后的紫外/可见波段的散射光谱辐射光谱信息的解释，获得大气成分的总量或垂直分布特征。临边观测的差分吸收成像光谱仪对沿地球某高度切线方向上的大气进行探测，接收来自仪器视场内大气层的散射辐射。通过摆镜扫描可获得整层大气的垂直结构探测。

临边观测的差分吸收成像光谱仪是一种“图像和光谱的合一”的光学遥感仪器，它利用入射狭缝将离轴三反望远系统和Offner-Littrow光谱成像系统结合在一起，能够提供景物连续的光谱图像。临边探测方式是一种对大气进行切片探测的技术，通过摆扫镜将大气层垂直方向光谱信息传递到仪器中进行后续探测，因此垂直分辨率较高。仪器的视场由临边高度决定，它测量的临边光谱辐亮度包括单次和多次散射的太阳光辐射。临边散射亮度随临边高度和波长的变化反应了大气中吸收体和散射体的空间分布，特别是痕量气体NO₂、SO₂、O₃和大气气溶胶的空间分布。仪器光谱范围在(290-480)nm、(520-610)nm内、满足高光谱分辨率和空间分辨率探测的光学设计方案。为了减少体积和重量，采用小口径的光学系统，整体光学结构具有结构简单、重量轻、辐射能量利用率高、成像质量好的特点，并能够满足应用要求的技术指标和性能，在航天资源(体积、重量)限制和当前技术能力下能够实现。

光谱波段指标要求为(290-480)nm、(520-610)nm，光谱分辨率≤0.6nm，考虑到在这个波段辐照强度变化大，且光谱分辨率要求高，拟采用多通道设计方案，同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。

临边观测差分吸收成像光谱仪光学系统的技术方案综合考虑应用需求，对卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合权衡，优选光学结构，确定仪器参数。为设计一种航天上轻量化的高分辨率临边成像光谱仪，优选了离轴三反望远系统和基于凸面光栅的Offner-Littrow成像光谱仪的光学结构。沿狭缝方向的探测目标条带经望远系统成像在狭缝上，后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并被探测器接收。通过对空间水平方向连续摆扫方式获得了目标的成像数据立方，对目标进行空间分析和成分识别。