[发明专利]一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪

说明书

本发明公开了一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，包括前置光学系统、准直系统、干涉系统、后置成像系统，被测目标辐射光束被前置光学系统收集并汇聚后，入射光束经过前置准直系统准直，形成平行光入射到分束器，将入射光束分成两束强度相等、相互垂直的两束平行光；两束光分别照射到双光栅模块中的子光栅上，在每个子光栅上发生衍射后返回，再次达到分束器重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹，经后置光学成像系统将干涉条纹图样成像在成像探测器上，对被记录的干涉图进行傅里叶变换即可还原出被测目标的光谱信息。

技术领域

本发明涉及光谱成像设备，尤其涉及一种闪电高速成像仪。

背景技术

闪电是大气中的高压放电现象，其通道是由高度电离的等离子体组成，闪电的光谱信息能够反映出通道的温度、电子浓度和电导率等基本物理特征。光谱识别已成为研究雷电的重要工具，对闪电光谱的研究可以更好地了解大气的成分与大气中放电过程的机理。

目前，闪电光谱主要使用两类方法进行观测：一类是将有缝摄谱仪对着发射闪电的天空由狭缝接收闪电的光，国内早期以涂飞-程茂兰(1949)的工作为代表。有狭缝摄谱仪的优点是在于它能够精确地确定波长并且具有良好的光谱分辨率，而它的缺点是必须通过多次观测才能产生满意的记录图像，耗时较长，并不符合闪电发生过程的特殊性要求。另一类使用“物端棱镜”型的无狭缝光谱仪，早期法国学者与匹口灵(1901)曾进行这方面工作，近年范婷婷(2017)等人分析了由无狭缝光栅摄谱仪获取了两次多回击自然闪电的光谱资料，研究了闪电放电电流与通道半径随时间的演化特性。无狭缝光谱仪能够对近红外闪电实施测量，通过一次极短时间的曝光就可以对闪电记录成像，且同时获取光谱信息，也可用于研究闪电通道特性随高度的变化；但受许多因素的影响，其光谱分辨率有一定局限性。

因此，尽管对闪电光谱的探测已有部分研究，但由于现有仪器固有的局限性，仍无法实现一次短时曝光即可同时获取闪电通道形态及高分辨率光谱信息。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的不足，本发明提出一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，基于空间外差干涉仪的光谱成像原理，利用双光栅模块代替传统设备中的单光栅来对闪电形态和光谱进行同时记录，在能够获取高分辨率光谱信息的基础上，同时保证了较高的光通量，从而可以对闪电过程实施高时间分辨率的探测。

技术方案：本发明提供的一种双波段高光谱分辨率闪电高速成像仪，包括前置光学系统、准直系统、干涉系统、后置成像系统，前置光学系统用于接收较远距离闪电光源的入射光线并将其进行汇聚，准直系统用于对汇聚光束进行准直，干涉系统用于将准直光束分光形成干涉条纹图样，后置成像系统用于将干涉图样进行成像，即成像于成像探测器上，从而进行后续的数据处理；所述干涉系统包括双阶梯光栅模块和分束器，分束器放置于两垂直光轴的焦点处，将入射光束处理为两束传播方向垂直且强度相同的相干光；双阶梯光栅模块包括分别固定设置于两臂末端的第一双阶梯光栅和第二双阶梯光栅，双阶梯光栅模块使分离的两束相干光发生衍射，后返回分束器重新汇合发生干涉，在光栅面位置形成定域干涉条纹。

其中，前置光学系统包括以光轴为对称中心、依次放置的汇聚透镜、放大透镜，汇聚透镜和放大透镜组成的系统类似一个望远镜结构，对入射光线进行汇聚并成像。

所述前置准直系统包括以光轴为对称中心、依次放置的光阑和准直透镜，光阑对入射光束整形，使出射光斑变得相对匀称后，准直透镜对入射光束进行准直，使不规则光束变为平行光束。