CN108507679A - 一种宽谱段高分辨光谱干涉测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学探测领域，特别涉及一种宽谱段高分辨光谱干涉测量方法及装置。首先将目标光准直后色散至探测器行像元或列像元上；然后将沿探测器行像元或列像元方向色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同位置；再将步骤二中反射光束准直后进入干涉模块获得干涉条纹；再将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩；最后将压缩后的干涉条纹沿探测器行像元方向或列像元方向进行二次色散，获得高分辨光谱干涉条纹。解决了宽谱段高分辨率光谱干涉受到探测器行或者列像元数限制、交叉色散导致光谱谱线弯曲等的问题，实现一种宽谱段，高精度，高信噪比的视向速度探测方案。
Description
技术领域
本发明属于光学探测领域，特别涉及一种宽谱段高分辨光谱干涉测量方法及装置。
背景技术
光谱探测技术是获取物质结构和化学组成、物质元素含量测定以及研究原子能级、光学信号频移探测的重要手段，目前已经在工农业生产、科学研究、环境监测、航空航天遥感、天文观测等领域有着广泛的应用。干涉测量技术是光学测量中应用最广泛的技术之一，是实现高精度测距、微弱信号探测、激光光刻、光学调控、大气成分测量等技术的重要手段，应用领域广泛。光谱和干涉相结合的色散延迟干涉技术作为一种新的测量技术被应用于视向速度的测量，而视向速度法是系外恒星特征探测，系外行星探测，宇宙微弱信号检测，大气中高层风场测量等用到的主要方法之一。
目前，实现视向速度法的主要技术方法有两种：一种利用高分辨率交叉色散阶梯光栅光谱仪，另一种利用相干色散光谱仪。前者的核心组件是高分辨率阶梯光栅；后者则由一个干涉仪和后色散器件组成。这两种测量方法的主要区别在于，前者通过高分辨阶梯光栅实现高级次衍射，使用多个衍射级次实现谱段展宽，再经过棱镜交叉色散达到宽谱段高分辨率光谱，通过直接测量因多普勒效应产生的恒星光谱谱线的位置移动，计算恒星的视向速度信息；而后者是通过中色散或低色散光栅色散的方法将恒星光线通过干涉仪获得的干涉条纹进行色散，通过干涉条纹的相位移动来计算视向速度信息。这两种仪器在系外行星探测方、大气风场测速方面具有各自的优势，前者光谱分辨率高，直接测量获得目标的光谱数据，数据直观，计算简单；但高色散导致单个探测器像元的接收的能量弱，***信噪比低，同时，由于对不同波长光波的色散能力不同，交叉色散导致光谱谱线弯曲较为严重，导致了观测误差的增大，并且高精度交叉色散探测***对观测环境要求非常高，从而极大的增加了观测成本，从各方面限制了该技术的发展。后者光谱分辨率低，单个像元接收能量较高，信噪比高，恒星光谱的位移通过干涉仪转换到干涉条纹相位的变化，而较大的干涉光程差实现了对光谱偏移量的放大，并且后者对观测环境的要求较低，技术可实现性好；但后者的数据处理比较复杂，并且，后者在色散过程中光谱精度和光谱范围受到探测器行或列像元数量的限制，导致光谱色散分辨率低、观测光谱范围窄等问题。
目前，解决探测器像行或列像元数量限制仪器光谱分辨率和光谱测量范围的方法是：采用中低分辨率光栅+棱镜交叉色散的方案。但在这一方案中，棱镜色散方向和条纹方向是相同的，由于棱镜对不同波长的色散能力是不同的，因此色散过程中，会使不同波长的条纹产生不同大小的移动量，这种条纹移动会经过探测器采样，会导致探测器采样条纹的对比度下降。而相干色散探测技术中的关键点就在于条纹的提取，对比度下降会严重影响仪器的探测精度。另一方面，交叉色散导致光谱谱线的弯曲方向和干涉条纹分布方向一致，这种弯曲导致了条纹相位的变化，从而给干涉条纹的相位变化引入了额外的误差量，进一步造成测量精度的降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种宽谱段高分辨光谱干涉技术及装置。解决了宽谱段高分辨率光谱干涉受到探测器行或者列像元数限制、交叉色散导致光谱谱线弯曲等的问题，实现一种宽谱段，高精度，高信噪比的视向速度探测方案。
为了解决现有方案存在的问题，本发明采用的技术方案是提供一种宽谱段高分辨光谱干涉测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将目标光准直后色散至探测器行像元或列像元上；
步骤二：将沿探测器行像元或列像元方向色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同位置；
步骤三：将步骤二中反射光束准直后进入干涉模块获得干涉条纹；
步骤四：将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩；
步骤五：将步骤四中压缩后的干涉条纹沿探测器行像元方向或列像元方向进行二次色散，获得高分辨光谱干涉条纹。
优选地，上述目标为单个或多个点光源。
本发明还提供一种实现上述方法的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的第一色散***、像切分器、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散***及探测器；
上述第一色散***包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；
第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至像切分器，像切分器将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向；第一聚光模块将像切分器的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入干涉模块获得垂直于第一色散模块色散方向的干涉条纹；光压缩模块将干涉模块出射的干涉条纹沿探测器行像元或列像元方向压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散***，第二色散***将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。
优选地，在第一色散模块与像切分器之间还可以包括汇聚镜，上述汇聚镜用于对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚。
优选地，上述第二色散***可以包括沿光路依次设置的第二色散模块及第二聚光模块；
第二色散模块将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散进入第二聚光模块汇聚后，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。
优选地，上述第二色散***还可以为曲面光栅。
优选地，第一色散模块与第二色散模块均为光栅或棱镜，也可以用其他一维色散元件代替，第二色散模块的分辨率大于第一色散模块的分辨率。
优选地，上述第一聚光模块为凸透镜或者凸透镜组，将不同角度的入射平行光汇聚在不同空间位置。
优选地，上述第二准直模块为微小透镜组，将不同谱段的光进行准直；上述光压缩模块为柱面镜，将干涉图沿光谱色散方向压缩。
优选地，上述干涉模块为Sagnac干涉仪、迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪等干涉仪器。
本发明的有益效果是：
1、实现了在探测器像元受限情况下的光谱展宽；
光栅对目标光谱色散时，在探测器行或列像元数目确定的情况下，光谱分辨率和光谱色散范围成反比，无法实现高分辨率宽谱段光谱测量。本发明所采用的方法首先通过光栅或棱镜将目标色散至探测器行像元上，再通过图像切片器将沿行色散的光谱反射至不同平面位置，使得不同谱段被排列在探测器不同行或列上，再通过高分辨率色散元件对位于同一平面不同行或列的窄带光谱沿行或列的方向进行二次色散，获得宽谱段高分辨率光谱谱线。
2、各级次色散谱线不存在弯曲；
本发明两次色散方向在同一个方向，避免了交叉色散过程中，由于棱镜对不同波长光波的折射率不同，导致阶梯棱镜色散后，造成的不同级次的谱线在探测器上弯曲的现象。
3、便于小型化和轻量化；
采用图像切片器对光路反射，使得整体光路在空间布局上更加紧凑，同时，第二次色散采用光栅色散，相比棱镜具有更小的体积、更轻的质量和更好的线性度。
4、在光谱展宽的同时不影响干涉条纹的对比度；
通过图像切片器将第一次色散不同谱段的光位移到同一平面的不同位置，使其相互平行，通过柱面镜沿光栅色散方向压缩后，再经过光栅第二次色散。两次色散的方向一样，和干涉方向垂直，因此不会对干涉条纹的对比度带来影响。
5、该方案可实现同时多目标观测；
综合考虑光谱分辨率，干涉条纹数目等多种因素，色散相干系外行星探测***可以一次实现多个目标的观测，通过在前置镜将引入的目标在光栅不同位置色散，经过图像切片器反射和二次色散，使不同目标的干涉条纹并列排列，从而实现多目标观测。
附图说明
图1为本发明一个实施例装置示意图；
图2为第二色散***示意图；
图中附图标记为：1-第一准直模块，2-第一色散模块，3-像切分器，4-第一聚光模块，5-第二准直模块，6-干涉模块，7-光压缩模块，8-第三准直模块，9-第二色散***；
91-第二色散模块，92-第二聚光模块。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
本发明采用一种先色散后干涉再色散的测量方法，首先，将目标色散至探测器行像元或列像元方向上；其次，将沿探测器行像元色散的光谱按照不同谱段切割并反射至同一平面的不同位置，实现光谱展宽；再次，将分割后的不同谱段压缩准直，进入干涉模块获得干涉条纹；最后，将干涉条纹沿探测器行或列方向进行二次色散实现高精度分光，获得高分辨光谱干涉条纹。
该实施例中可以通过图1所示的装置进行测量，从图1及图2可以看出，沿光路依次设置有第一准直模块1、第一色散模块2、像切分器3、第一聚光模块4、第二准直模块5、干涉模块6、光压缩模块7、第三准直模块8、第二色散***9及探测器；在第一色散模块与像切分器之间还可以包括汇聚镜，对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚。
在该实施例中第二色散***9包括沿光路依次设置的第二色散模块91与第二聚光模块92，也可以直接用曲面光栅代替；第一色散模块2与第二色散模块91均为光栅，也可以用棱镜或其他以一维色散元件代替；像切分器3，由角度不同的平面反射镜组成，其特点是将线或面进行分割，然后沿不同角度进行反射；第一聚光模块4将不同角度的入射平行光汇聚在不同空间位置，凸透镜等效聚光光路；第二准直模块5为柱面镜或者分光路微小透镜；干涉模块6可以是Sagnac干涉仪，迈克尔逊干涉仪，马赫-曾德干涉仪等干涉仪器；第二色散模块91的分辨率代表光谱仪实际分辨率，第二次色散和第一次色散方向一致。
具体的测量过程如下：
1)、其中目标为单个或多个点光源，通过物镜成像在焦面上，通过光纤或者物镜将目标引入第一准直模块1，继而点目标扩展成面平行光进入第一色散模块2进行分光。通过第一色散模块2将输入平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至像切分器3。
2)、通过像切分器3将目标色散谱线进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块2的色散方向。
3)、通过第一聚光模块4将像切分器3的反射光线汇聚，由于像切分器3每一阶梯反射谱段光线的角度不同，不同阶梯对应波段被压缩在不同空间位置，压缩后光束进入第二准直模块5。
4)、通过第二准直模块5对入射光束进行准直，获得不同谱段的平行光束，进入干涉模块6。
5)、通过干涉模块6进行干涉获得干涉条纹，干涉条纹方向沿探测器列像元或行像元方向分布，垂直于第一次色散方向。
6)、通过光压缩模块7沿第一次色散方向将图像压缩，将能量汇聚，入射至第三准直模块8。
7)、通过第三准直模块8对入射光束进行准直，进入第二色散模块91进行分光。
8)、第二色散模块91将输入平行光沿垂直于干涉条纹方向进行二次色散后进入第二聚光模块92。
9)、经第二聚光模块将汇聚后，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。
Claims (10)
1.一种宽谱段高分辨光谱干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将目标光准直后色散至探测器行像元或列像元上；
步骤二：将沿探测器行像元或列像元方向色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同位置；
步骤三：将步骤二中反射光束准直后进入干涉模块获得干涉条纹；
步骤四：将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩；
步骤五：将步骤四中压缩后的干涉条纹沿探测器行像元方向或列像元方向进行二次色散，获得高分辨光谱干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量方法，其特征在于：所述目标为单个或多个点光源。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的第一色散***、像切分器、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散***及探测器；
所述第一色散***包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；
第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至像切分器，像切分器将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向；第一聚光模块将像切分器的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入干涉模块获得垂直于第一色散模块色散方向的干涉条纹；光压缩模块将干涉模块出射的干涉条纹沿探测器行像元或列像元方向压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散***，第二色散***将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。
4.根据权利要求3所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：在第一色散模块与像切分器之间还包括汇聚镜，所述汇聚镜用于对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚成像。
5.根据权利要求4所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：
所述第二色散***包括沿光路依次设置的第二色散模块及第二聚光模块；
第二色散模块将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散进入第二聚光模块汇聚后，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。
6.根据权利要求4所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：
所述第二色散***为曲面光栅。
7.根据权利要求5所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：第一色散模块与第二色散模块均为光栅或棱镜，第二色散模块的分辨率大于第一色散模块的分辨率。
8.根据权利要求3-7任一所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：所述第一聚光模块为凸透镜或者凸透镜组。
9.根据权利要求8所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：所述第二准直模块为微小透镜组；所述光压缩模块为柱面镜。
10.根据权利要求9所述的宽谱段高分辨光谱干涉测量装置，其特征在于：所述干涉模块为Sagnac干涉仪、迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪。
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