用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪的制作方法

1.本发明涉及大气痕量气体检测技术领域，尤其涉及用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪。


背景技术：

2.大气痕量气体，是大气中除了氮、氧、氩和二氧化碳以外的其他，由于含量极低，因此得名。大气痕量气体是大气中浓度低于10-6
的粒种的统称，具体包括co、n2o、so2、o3、no、no2、ch4、nh3、h2s、卤化物和有机化物等气体，有一部分是天然产生，有一部分是人类生产生活产生。这些痕量气体参与大气循环，其分布既对气候的变化敏感，又是气候变化的驱动因素。因此对大气痕量气体的观测，对预测大气活动和气候至关重要。
3.为了对大气痕量气体进行分析，需要借助红外成像的傅里叶变换光谱仪，简称fts。但是fts容易受到热背景的噪声信号影响，fts的光学组件受热辐射影响也较大。因此，有必要提供一种可以减少热背景噪声和热辐射影响的球载成像傅里叶变换光谱仪。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种可消除噪声影响与热辐射影响的、用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪。
5.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，包括：
6.指向系统(1)，用于指向观察端口，获取原始光学信息；
7.探测成像系统(2)，与指向系统(1)的输出端光路连接，用于将原始光学信息导入并得到图像信息；
8.电控系统(3)，与探测成像系统(2)电性连接，用于获取探测成像系统(2)输出的图像信息；
9.黑体校准源(4)和热校准源(5)，分别与指向系统(1)的输入端光路连接，并与电控系统(3)电性连接，用于为指向系统(1)提供校准信号。
10.在以上技术方案的基础上，优选的，所述指向系统(1)包括旋转圆柱体(11)和指向镜(12)，旋转圆柱体(11)的表面的不同位置设置有第一窗口(100)、第二窗口(200)和第三窗口(300)，旋转圆柱体(11)的中心轴与第一窗口(100)、第二窗口(200)或者第三窗口(300)的中心轴正交设置；第二窗口(200)与黑体校准源(4)的输出端连通，第三窗口(300)与热校准源(5)的输出端连通；所述第一窗口(100)为常开设置，第二窗口(200)和第三窗口(300)选择性的开启；第一窗口(100)用于将大气场景的光导入指向镜(12)。
11.优选的，所述探测成像系统(2)包括腔体(21)、fts、光学器件(22)和探测器(23)；腔体(21)内顺次且间隔的设置有fts、光学器件(22)和探测器(23)，fts的输入端与指向镜(12)的输出端光路连接，fts的输出端与光学器件(22)的输入端光路连接，光学器件(22)的输出端与探测器(23)的输入端光路连接；探测器(23)的输出端与电控系统(3)电性连接；所
述fts对接收的原始光学信息，基于光的相干原理，产生一个强度按照余弦形式变化的信号，并经过光学器件(22)被探测器(23)接收，由探测器(23)根据fts中央干涉条纹的光强变化生成干涉图像。
12.进一步优选的，所述腔体(21)为杜瓦瓶，腔体(21)内部被冷却至77k并保持该温度不变。
13.进一步优选的，所述fts内部设置有与其输入端正对的第一平面反射镜(24)、位于第一平面反射镜(24)的光轴的法线方向的第二平面反射镜(25)，光学器件(22)和探测器(23)与第二平面反射镜(25)正对设置；第一平行光板(26)和第二平行光板(27)平行且间隔的设置在第一平面反射镜(24)的光轴上，第一平行光板(26)还与第二平面反射镜(25)和探测器(23)呈45
°
夹角；第一平行光板(26)的分光面上涂覆有半反半透膜；第二平面反射镜(25)的位置固定，第一平面反射镜(24)沿着自身光轴移动。
14.更进一步优选的，所述电控系统(3)包括成像采集单元(31)、飞控电脑(32)、fts控制器(33)和控制单元(34)，成像采集单元(31)的输入端与探测器(23)的输出端电性连接，成像采集单元(31)的输出端分别与飞控电脑(32)的输入端和fts控制器(33)的反馈输入端电性连接，fts控制器(33)的输出端与fts电性连接，飞控电脑(32)的输出端还与控制单元(34)的输入端电性连接，控制单元(34)的输出端还与指向系统(1)、黑体校准源(4)和热校准源(5)电性连接；成像采集单元(31)获取探测器(23)输出的干涉图像，并将干涉图像分别发送给飞控电脑(32)和fts控制器(33)，fts控制器(33)选择性的驱动第一平面反射镜(24)移动；飞控电脑(32)用于将干涉图时间与干涉图像同步并存储，控制单元(34)选择性的开启第二窗口(200)和/或第三窗口(300)，并启动黑体校准源(4)和/或热校准源(5)。
15.再进一步优选的，所述飞控电脑(32)为定制的基于pc-104总线的计算机。
16.进一步优选的，所述光学器件(22)为汇聚透镜。
17.进一步优选的，所述探测器(23)为阵列式探测器。
18.优选的，所述指向镜(12)表面设置有镀金层。
19.本发明提供的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，相对于现有技术，具有以下有益效果：
20.(1)本方案通过腔体消除了过多的热背景噪声带来的污染信号，还能消除系统中的光学组件的热辐射，有利于提高痕量气体探测的效果；
21.(2)指向镜的镀金层对于红外波段有着极高的反射率，增强镜面的红外线反射能力，有利于探测较远的痕量气体的信号。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪的框架结构图；
24.图2为本发明用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪的指向系统的
一种结构的半剖前视图；
25.图3为本发明用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪的探测成像系统的一种结构框图；
26.图4为本发明用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪的探测成像系统的半剖前视图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
28.如图1-图4所示，本发明提供了用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，包括：
29.指向系统1用于指向观察端口，获取原始光学信息；本方案中的原始光学信息是大气痕量气体产生的准直辐射。
30.探测成像系统2与指向系统1的输出端光路连接，用于将原始光学信息导入并得到图像信息。
31.电控系统3与探测成像系统2电性连接，用于获取探测成像系统2输出的图像信息。
32.黑体校准源4和热校准源5分别与指向系统1的输入端光路连接，并与电控系统3电性连接，用于为指向系统1提供校准信号。黑体校准源4和热校准源5用于对指向系统1提供参考信号，以便克服辐射噪声或者热背景噪声等污染信号，提高原始光学信息的可靠性和准确性。黑体校准源4可以采用abb公司制造的黑体产品。
33.如图1结合图2所示，指向系统1包括旋转圆柱体11和指向镜12，旋转圆柱体11的表面的不同位置设置有第一窗口100、第二窗口200和第三窗口300，旋转圆柱体11的中心轴与第一窗口100、第二窗口200或者第三窗口300的中心轴正交设置；第二窗口200与黑体校准源4的输出端连通，第三窗口300与热校准源5的输出端连通；第一窗口100为常开设置，第二窗口200和第三窗口300选择性的开启；第一窗口100用于将大气场景的光导入指向镜12中。指向镜12与旋转圆柱体11的中心轴呈45
°
夹角，为了提高指向镜12的性能，指向镜12的表面设置有镀金层。黄金不会养化并失去光泽，且对红外波段有着极高的反射率，可以增强镜面的红外线反射能力，有助于探测遥远的对象，并减少冷热不均的现象导致镜面温差造成的变形或者成像质量差的缺陷。
34.如图1结合图3和图4所示，探测成像系统2包括腔体21、fts、光学器件22和探测器23；腔体21内顺次且间隔的设置有fts、光学器件22和探测器23，fts的输入端与指向镜12的输出端光路连接，fts的输出端与光学器件2的输入端光路连接，光学器件22的输出端与探测器23的输入端光路连接；探测器23的输出端与电控系统3电性连接；所述fts对接收的原始光学信息，基于光的相干原理，产生一个强度按照余弦形式变化的信号，并经过光学器件22被探测器23接收，由探测器23根据fts中央干涉条纹的光强变化生成干涉图像。
35.本方案中，fts输出的是haidinger干涉条纹，探测器23接收的是与haidinger干涉条纹共轭的图像。通常红外仪器被冷却以减少背景光子以提高信噪比，而本方案的fts、光
学器件22和探测器23整体封闭在腔体21内，可以降低探测成像系统2的视场外的热信号。
36.作为优选的实施方式，腔体21为杜瓦瓶，腔体21内部被冷却至77k并保持该温度不变，可以采用-196摄氏度的介质，如液氮来实现腔体21的降温和保温过程。本方案中的光学器件22可以选择汇聚透镜。
37.探测器23采用阵列式探测器，如infrared associates制造的16个光电导像素的汞-镉-碲化物线性阵列。
38.如图4所示，fts内部设置有与其输入端正对的第一平面反射镜24、位于第一平面反射镜24的光轴的法线方向的第二平面反射镜25，光学器件22和探测器23与第二平面反射镜25正对设置；第一平行光板26和第二平行光板27平行且间隔的设置在第一平面反射镜24的光轴上，第一平行光板26还与第二平面反射镜25和探测器23呈45
°
夹角；第一平行光板26的分光面上涂覆有半反半透膜；第二平面反射镜25的位置固定，第一平面反射镜24沿着自身光轴移动。
39.第一平面反射镜24和第二平面反射镜25背面涂布有银或者铝；第二平行光板27用作补偿板。第一平行光板26将入射光一方面透射至第一平面反射镜24，另一方面反射至第二平面反射镜25。当有两束光到达探测器23时，其光程差可以由第一平面反射镜24沿着自身光轴移动来进行周期性的调整。探测器23根据fts中央干涉条纹的光强变化，从而得到干涉图。
40.如图1所示，电控系统3包括成像采集单元31、飞控电脑32、fts控制器33和控制单元34，成像采集单元31的输入端与探测器23的输出端电性连接，成像采集单元31的输出端分别与飞控电脑32的输入端和fts控制器33的反馈输入端电性连接，fts控制器33的输出端与fts电性连接，飞控电脑32的输出端还与控制单元34的输入端电性连接，控制单元34的输出端还与指向系统1、黑体校准源4和热校准源5电性连接；成像采集单元31获取探测器23输出的干涉图像，并将干涉图像分别发送给飞控电脑32和fts控制器33，fts控制器33选择性的驱动第一平面反射镜24移动，即周期性的驱动第一平面反射镜24沿着自身光轴往复移动；飞控电脑32用于将干涉图时间与干涉图像同步并存储，控制单元34选择性的开启第二窗口200和/或第三窗口300，并启动黑体校准源4和/或热校准源5。
41.本方案中的飞控电脑32可以选用定制的基于pc-104工业总线的16位嵌入式计算机，具有极高的电气可靠性和机械可靠性。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括：指向系统(1)，用于指向观察端口，获取原始光学信息；探测成像系统(2)，与指向系统(1)的输出端光路连接，用于将原始光学信息导入并得到图像信息；电控系统(3)，与探测成像系统(2)电性连接，用于获取探测成像系统(2)输出的图像信息；黑体校准源(4)和热校准源(5)，分别与指向系统(1)的输入端光路连接，并与电控系统(3)电性连接，用于为指向系统(1)提供校准信号。2.根据权利要求1所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述指向系统(1)包括旋转圆柱体(11)和指向镜(12)，旋转圆柱体(11)的表面的不同位置设置有第一窗口(100)、第二窗口(200)和第三窗口(300)，旋转圆柱体(11)的中心轴与第一窗口(100)、第二窗口(200)或者第三窗口(300)的中心轴正交设置；第二窗口(200)与黑体校准源(4)的输出端连通，第三窗口(300)与热校准源(5)的输出端连通；所述第一窗口(100)为常开设置，第二窗口(200)和第三窗口(300)选择性的开启；第一窗口(100)用于将大气场景的光导入指向镜(12)。3.根据权利要求2所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述探测成像系统(2)包括腔体(21)、fts、光学器件(22)和探测器(23)；腔体(21)内顺次且间隔的设置有fts、光学器件(22)和探测器(23)，fts的输入端与指向镜(12)的输出端光路连接，fts的输出端与光学器件(22)的输入端光路连接，光学器件(22)的输出端与探测器(23)的输入端光路连接；探测器(23)的输出端与电控系统(3)电性连接；所述fts对接收的原始光学信息，基于光的相干原理，产生一个强度按照余弦形式变化的信号，并经过光学器件(22)被探测器(23)接收，由探测器(23)根据fts中央干涉条纹的光强变化生成干涉图像。4.根据权利要求3所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述腔体(21)为杜瓦瓶，腔体(21)内部被冷却至77k并保持该温度不变。5.根据权利要求4所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述fts内部设置有与其输入端正对的第一平面反射镜(24)、位于第一平面反射镜(24)的光轴的法线方向的第二平面反射镜(25)，光学器件(22)和探测器(23)与第二平面反射镜(25)正对设置；第一平行光板(26)和第二平行光板(27)平行且间隔的设置在第一平面反射镜(24)的光轴上，第一平行光板(26)还与第二平面反射镜(25)和探测器(23)呈45
°
夹角；第一平行光板(26)的分光面上涂覆有半反半透膜；第二平面反射镜(25)的位置固定，第一平面反射镜(24)沿着自身光轴移动。6.根据权利要求5所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述电控系统(3)包括成像采集单元(31)、飞控电脑(32)、fts控制器(33)和控制单元(34)，成像采集单元(31)的输入端与探测器(23)的输出端电性连接，成像采集单元(31)的输出端分别与飞控电脑(32)的输入端和fts控制器(33)的反馈输入端电性连接，fts控制器(33)的输出端与fts电性连接，飞控电脑(32)的输出端还与控制单元(34)的输入端电性连接，控制单元(34)的输出端还与指向系统(1)、黑体校准源(4)和热校准源(5)电性连接；成像采集单元(31)获取探测器(23)输出的干涉图像，并将干涉图像分别发送给飞控电脑
(32)和fts控制器(33)，fts控制器(33)选择性的驱动第一平面反射镜(24)移动；飞控电脑(32)用于将干涉图时间与干涉图像同步并存储，控制单元(34)选择性的开启第二窗口(200)和/或第三窗口(300)，并启动黑体校准源(4)和/或热校准源(5)。7.根据权利要求6所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述飞控电脑(32)为定制的基于pc-104总线的计算机。8.根据权利要求3所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光学器件(22)为汇聚透镜。9.根据权利要求3所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述探测器(23)为阵列式探测器。10.根据权利要求2所述的用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述指向镜(12)表面设置有镀金层。

技术总结
本发明提供了一种用于大气痕量气体分析的球载成像傅里叶变换光谱仪，包括：指向系统，用于指向观察端口，获取原始光学信息；探测成像系统，与指向系统的输出端光路连接，用于将原始光学信息导入并得到图像信息；电控系统，与探测成像系统电性连接，用于获取探测成像系统输出的图像信息；黑体校准源和热校准源，分别与指向系统的输入端光路连接，并与电控系统电性连接，用于为指向系统提供校准信号。该设备可以减少到达探测仪的热辐射量和噪声信号，提高设备的信噪比，更好的获取大气痕量的信号。号。号。


技术研发人员：石斌 张俊平 张宝刚
受保护的技术使用者：华夏创维（北京）安全防范技术研究院有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/6