CN110095149A - 自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪 - Google Patents

自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，包括管状镜筒，镜筒内壁从上到下依次设置有入射光阑、凸透镜、滤光片和CCD探测器的成像透镜，CCD探测器通过数据线依次连接树莓派的I\O接口和计算机。本发明的气辉成像干涉仪，基于FPI干涉滤光片和“转动谱线测温法”原理，采用滤波片对不同的双原子及多原子气辉目标光源进行筛选，采用CCD探测器对气辉形成的干涉条纹进行图像采集，同时利用树莓派3代B+型对CCD探测器远程控制并实现信息传输，在计算机进行数据分析并显示结果；本发明的气辉成像干涉仪没有运动部件，提高了测量精度，节省了成本。

Description

自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪
技术领域
本发明属于遥感探测设备技术领域，具体涉及一种自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪。
背景技术
中高层大气(80-300km)的大气浓度很低，其温度变化大，对高层大气的探测的手段较少，导致中高层大气温度的探测成为近三十年来发展速度非常慢。探测高层大气风速、温度等参数的仪器有星载、地基版的仪器和设备。1991年搭载在高层大气研究卫星UARS(Upper atmospheric Research Satellite)上的风成像干涉仪WINDII(Wind ImagingInterferometer)和高分辨率多普勒成像仪HRDI(High-Resolution Doppler Imager)，分别用广角Michelson干涉仪和FPI来探测高层大气的风速和温度。日本的名古屋Shiokawa教授等先后基于三通道气辉(波长为557.7nm、630.0nm及839.9nm)和两通道气辉(557.7nm和630.0nm)气辉进行中高层大气温度的探测。
近年来，研究者已不再局限于单个观测站的数据分析，而是将分布于世界各地的观测站联合组成观测网并及时共享观测数据，这样便可以研究大尺度甚至全球尺度的高层大气动力学及热力学特征。国际上的PSMOS(Planetary scale mesopause observingsystem)各站点配备了所有被动式光学遥感探测仪器，其中有重力被全天空成像仪、倾斜滤光片光度计、地基MORTI(Mesopause oxygen rotational temperature imager)和地基SATI(Spectral airglow temperature imager)用于观测中高层大气的温度、气辉发射强度及重力波等现象。
国内利用东经120°子午线及北纬30°纬度线附近的15个观测站，依托子午工程，其中北京、武汉、海南及南极中山站都配备了全天空成像仪或FPI：中科院空间中心的在河北省境内建设一套FPI，用来探测中高层大气的温度及重力波等参数；武汉大学也致力于F-P干涉仪的研制，对反演算法和控制软件都进行了深入的研究。
但是目前，暂未出现针对高层大气的温度等参数测量的仪器。
发明内容
本发明的目的是提供自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，解决了现有高层大气温度和体发射率参数无法测量的问题。
本发明所采用的技术方案是，自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，包括管状镜筒，镜筒内壁从上到下依次设置有入射光阑、凸透镜、滤光片和CCD探测器的成像透镜，CCD探测器通过数据线依次连接树莓派的I\O接口和计算机。
本发明的特征还在于，
滤光片为窄带FPI滤光片。
树莓派具***置树莓派3代B+型。
CCD探测器的成像透镜透过谱线的透过率τf(λ，θ)应满足以下条件：
公式(1)中，λ0是滤波片的中心波长，DFWAM是滤光片的半高宽，ne是滤波片的有效折射率，τc是滤波片的峰值透过率，λ是滤波片的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角。
滤波片还应满足以下条件：
公式(2)中，λ是滤波片的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角。
CCD探测器具***置APogee F6 CDD探测器。
本发明的有益效果是：自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，通过高层大气的双原子或多原子气辉作为探测光源，利用FPI滤光片针对不同入射角的气辉谱线会形成不同的干涉圆环，通过树莓派三代B+型对CCD探测器上自动获取干涉圆环进行控制传输，实现测量自动遥感探测高层大气气辉所在处(80-300km)大气温度和体发射率，结合FPI原理与转动谱线法测温法，其使用CCD探测器不需外加冷却装置，不仅节省成本，提高测量精度，填补了高层大气温度和体发射率测量装置的空白，有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪的结构示意图。
图中，1.入射光线，2.入射光阑，3.凸透镜，4.滤光片，5.成像镜头，6.CCD探测器，7.树莓派，8.计算机，9.镜筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，如图1所示，包括管状镜筒9，镜筒9内壁从上到下依次设置有入射光阑2、凸透镜3、滤光片4和CCD探测器6的成像透镜5，CCD探测器6通过数据线依次连接树莓派7的I\O接口和计算机8。
凸透镜3和滤波片4起过滤和筛选固定气辉波段的光，利用CCD探测器6获得目标光源的图像，连接至树莓派7将所获得图像传至计算机8，计算机8分析数据并显示在所设置的端口界面上，即可获取高层大气处的O2(0-1)夜气辉的大气温度和体发射率VER。
滤光片4为窄带FPI滤光片。由于窄带FPI滤光片具有高灵敏度、高通量和空间分辨率的优点，一直用于大气温度探测的重要装置。它能将双原子分子或离子、多原子分子或离子的多条谱线区分开来，例如，地球上空94km处出现峰值的氧气O2(0-1)气辉，其谱线在867.7nm附近有6组12条气辉谱线，波长分别为865.2nm、865.4nm、865.7nm、865.8nm、866.2nm、866.3nm、866.6nm、866.8nm、867.2nm、867.3nm、867.7nm、867.8nm；地球上空94km处出现峰值的O2(0-1)气辉，其谱线在763.842nm附近有764.280nm、764.168nm、763.842nm、763.729nm、763.426nm、763.311nm 6条气辉谱线；地球上空87km处出现峰值的OH Meinel气辉，其中心波长为892.0nm等。
利用窄带FPI滤光片通过本发明装置可获取多条干涉圆环，在CCD探测器6的成像透镜5上，多条干涉圆环透过谱线的透过率τf(λ，θ)应满足以下条件：
公式(1)中，λ0是滤波片4的中心波长，DFWAM是滤光片4的半高宽，ne是滤波片4的有效折射率，τc是滤波片4的峰值透过率，λ是滤波片4的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角；
滤波片4还应同时满足以下条件：
公式(2)中，λ是滤波片4的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角。
树莓派7具***置树莓派3代B+型。将树莓派7连接到CCD探测器6的I\O接口上，打开树莓派7并进行运行，发出指令，进行一组图片的拍摄和传输并将数据传入计算机8，之后在计算机8上提取数据进行分析。树莓派7输入CCD探测器6的数据，对获得的数据进行处理和矫正，将所有数据总结并绘制曲线图与标准曲线做对比，计算出误差相差于1-2K左右，并将最终结果显示出来。
CCD探测器6具***置APogee F6 CDD探测器。
本发明自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪的工作过程如下：首先，设置入射光线1、入射光阑2、凸透镜3、滤光片4、成像透镜5、CCD探测器6、树莓派7、计算机8和镜筒9，光阑2、凸透镜3、滤光片4、成像透镜5均装载镜筒9内。入射光线1将先后依次通过入射光阑2、凸透镜3和滤波片4，汇聚到CCD探测器5的光敏元件成像透镜4上，CCD探测器5获取数据后将其传入树莓派6，树莓派6将所获得的数据打包并传入计算机7。具体为：
(1)当入射光线经凸透镜3和滤波片4过滤和筛选固定气辉波段的光后，光线到达CCD探测器6的成像透镜5处，如公式(1)-(2)所示，得到不同波长气辉的透过率；
(2)然后，利用转动谱线探测高层大气温度。具体为：由于大气中的双原子分子和离子(例如O2、N2、OH+、NO气辉)或多原子分子(水蒸气H2O)，在相同温度下由于原子振动和转动的能级跃迁，将产生差异较小的振转谱线。原子达到热平衡后，这些转动谱线强度表示为：
I(l1)＝CS(l1)λ-3exp[-F(l1)hc/kTr] (3)
I(l2)＝CS(l2)λ-3exp[-F(l2)hc/kTr] (4)
公式(3)-(4)中，C是比例系数，S(l)为与转动量子数和Einstein系数有关的因子，F(l)为转动项，l1和l2为不同的转动角量子数，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，Tr为热平衡状态时原子的温度、即探测的大气温度I(l1)和I(l2)是通过CCD探测器6获取。
随后通过不同发光强度I(l1)和I(l2)的比值导出大气温度：
Tr＝(hc/k)[F(l2)-F(l1)]/lnA (5)
公式(5)中，参数A为常数且与转动量子数和波长无关。
(3)体发射率VER是单位时间单位体积内大气粒子释放的光子数，单位是photos.cm-3.s-1。通过光化反应方程和大气粒子浓度的动态平衡，建立方程可推导VER。O2(0-1)夜气辉的体发射率可表示为：
公式(6)中，参数k1＝4.7×10-33(300/T)2cm3/s(T为大气温度)，CO＝33，参数A1＝0.079s-1，A2＝0.083s-1，[O]、[O2]和[N2]分别表示对应的浓度。本发明将根据视场角和观测时间，将VER变为地面能测量的值。
本发明的气辉成像干涉仪，基于FPI干涉滤光片和“转动谱线测温法”原理，采用滤波片4对不同的双原子及多原子气辉目标光源进行筛选，采用CCD探测器6对气辉形成的干涉条纹进行图像采集，同时利用微型计算机树莓派7代B+型对CCD探测器6远程控制并实现信息传输，在计算机8进行数据分析并显示结果；本发明的气辉成像干涉仪没有运动部件，有较高的可靠性，大气温度的探测精度能达到1-2K，VER的探测精度能达到8％。

Claims (6)

1.自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，包括管状镜筒(9)，镜筒(9)内壁从上到下依次设置有入射光阑(2)、凸透镜(3)、滤光片(4)和CCD探测器(6)的成像透镜(5)，所述CCD探测器(6)通过数据线依次连接树莓派(7)的I\O接口和计算机(8)。
2.根据权利要求1所述的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，所述滤光片(4)为窄带FPI滤光片。
3.根据权利要求1所述的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，所述树莓派(7)具***置树莓派3代B+型。
4.根据权利要求1所述的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，所述CCD探测器(6)的成像透镜(5)透过谱线的透过率τf(λ，θ)应满足以下条件：
公式(1)中，λ0是滤波片(4)的中心波长，DFWAM是滤光片(4)的半高宽，ne是滤波片(4)的有效折射率，τc是滤波片(4)的峰值透过率，λ是滤波片(4)的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角。
5.根据权利要求2或4所述的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，所述滤波片(4)还应满足以下条件：
公式(2)中，λ是滤波片(4)的透过谱线波长，θ为透过谱线的探测视场角。
6.根据权利要求1所述的自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪，其特征在于，所述CCD探测器(6)具体为APogee F6 CDD探测器。
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