CN111175781B - 一种多角度多光谱星载探测电离层装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间光学探测和星载探测装置技术领域，具体涉及一种多角度多光谱星载探测电离层装置，所述装置包括：方形外壳(3)、多角度探测开口(30)、多角度探测通道(1)、多光谱探测开口(31)和多光谱探测通道(2)；方形外壳(3)的顶部开设多角度探测开口(30)和多光谱探测开口(31)，且多角度探测开口(30)和多光谱探测开口(31)通过设置在方形外壳内部的、多角度探测开口(30)和多光谱探测开口(31)之间的隔板(32)形成多角度探测通道(1)和多光谱探测通道(2)；多角度探测开口(30)的下方设置多角度探测通道(1)，多光谱探测开口(31)的下方设置多光谱探测通道(2)。

Description

一种多角度多光谱星载探测电离层装置

技术领域

本发明属于空间光学探测和星载探测装置技术领域，具体涉及一种多角度多光谱星载探测电离层装置。

背景技术

电离层是空间天气中的一个重要区域，也是人类空间活动最重要的区域之一，其时空变化对卫星导航定位、地空无线电通信等***电波信号传播有着重要影响，对电离层的状态和变化的监测预警是空间天气业务中的重要组成部分。

电离层具有明显的区域分布和快速变化特性，特别是在中低纬地区，电离层随时间的变化更加明显。中国地理位置主要在中低纬，在地球同步静止轨道上进行遥感探测，可以针对电离层闪烁等重点关注区域(如中低纬、赤道异常区)进行连续全天候监测，捕捉该区域电离层的高时空分辨率演变特征，为电离层研究提供进一步丰富的探测数据。

电离层探测仪作为空间天气仪器包载荷之一，主要用于测量电离层远紫外气辉，通过反演获得电离层表征参数。但是，现有的电离层探测仪存在电离层探测视场范围和通道范围有局限的问题。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现的电离层探测装置存在上述缺陷，本发明提出了一种多角度多光谱星载探测电离层装置，具有高灵敏度，高杂散光抑制能力，并具有结构紧凑、加工和装调相对容易的特点，保证了在有限资源的前提下实现的日夜气辉电离层探测。

为了实现上述目的，本发明提出了一种多角度多光谱星载探测电离层装置，该装置包括：所述装置包括：方形外壳、多角度探测开口、多角度探测通道、多光谱探测开口和多光谱探测通道；

方形外壳的顶部开设多角度探测开口和多光谱探测开口，且多角度探测开口和多光谱探测开口通过设置在方形外壳内部的、多角度探测开口和多光谱探测开口之间的隔板形成多角度探测通道和多光谱探测通道；多角度探测开口的下方设置多角度探测通道，多光谱探测开口的下方设置多光谱探测通道。

作为上述技术方案的改进之一，所述多角度探测通道位于隔板的一侧，其包括：扫描反射镜机构，第一探测器和第一电子学装置；

上述三者均放置在多角度探测通道内，扫描反射镜机构位于多角度探测开口的正下方，沿着该通道方向，扫描反射镜机构后依次顺序设置第一探测器、第一电子学装置；

所述多光谱探测通道位于隔板的另一侧，其包括：反射镜组件、第二探测器、滤光片组件、第二电子学装置、遮光板和遮光筒；

上述六者均放置在多光谱探测通道内，反射镜组件位于多光谱探测开口的下方，沿着该通道方向，反射镜组件后依次顺序设置遮光板、遮光筒、第二探测器、滤光片组件、第二电子学装置。

作为上述技术方案的改进之一，所述扫描反射镜机构包括：支架、第一步进电机、蜗轮、蜗杆、扫描镜座、离轴抛物面反射镜、反射镜压圈、霍尔开关和磁钢；

支架上安装蜗杆，蜗杆上安装第一步进电机，用于驱动蜗杆转动，支架上还安装有涡轮，且该涡轮与蜗杆斜螺纹配合，同时该涡轮上安装磁钢，该磁钢与安装在支架上的霍尔开关连接，扫描镜座与涡轮同轴连接，扫描镜座上安装离轴抛物面反射镜和反射镜压圈，且反射镜压圈盖在离轴抛物面反射镜上，用于压住离轴抛物面反射镜，并将其通过螺钉固定在扫描镜座上。

作为上述技术方案的改进之一，所述扫描镜座与安装在其上的旋转对称轴呈钝角，且扫描镜座的正面设为斜面，用于将多角度探测开口入射进来的电离层气辉或极光，通过安装在该斜面上的离轴抛物面反射镜反射至第一探测器；扫描镜座的背面与涡轮同轴连接，用于随着涡轮转动而旋转离轴抛物面反射镜。

作为上述技术方案的改进之一，所述反射镜组件包括：离轴抛物面反射镜镜座，离轴抛物面反射镜以及反射镜压圈；

所述离轴抛物面反射镜镜座呈直角三角形结构，离轴抛物面反射镜镜座的斜面上安装离轴抛物面反射镜，反射镜压圈盖在离轴抛物面反射镜上，并通过螺钉固定在离轴抛物面反射镜镜座的斜面上。

作为上述技术方案的改进之一，所述滤光片组件包括：第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片、滤光片轮、四个滤光片压片、第二步进电机、电机支架、码盘、光耦及光耦电路；

第一滤光片处开设圆孔，并用滤光片压片覆盖，形成探测通道；滤光片轮上开有第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片，第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片上均通过各自的滤光片压片压住固定，滤光片轮通过圆盘与第二步进电机的轴相连接，且在滤光片轮与第二步进电机之间设有第二探测器；第二步进电机设置在电机支架上，电机支架上安装光耦电路，光耦电路安装在上设置两个光耦，每个光耦上安装码盘，且每个码盘与第二步进电机相连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述第一滤光片为130.4nm滤光片；第二滤光片为135.6nm滤光片、第三滤光片为LBH(Lyman-Birge-Hopfield,莱曼-伯奇-霍普菲尔德)带滤光片、第四滤光片为石英滤光片。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的多角度多光谱电离层探测装置具有高灵敏度，高杂散光抑制能力，并具有结构紧凑、加工和装调相对容易的特点，保证了在有限资源的前提下实现的日夜气辉电离层探测。

附图说明

图1是本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置的结构示意图；

图2是本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置的结构***图；

图3是本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置的另一个角度的结构***图；

图4是图1中的本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置中的扫描反射镜机构的结构示意图；

图5是图1中的本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置中的滤光片组件的结构示意图；

图6是图5中的本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置中的另一个角度的滤光片组件的结构示意图；

图7是图3中的本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置中的反射镜组件的结构示意图；

图8是图7中的本发明的一种多角度多光谱星载探测电离层装置中的反射镜组件中的离轴抛物面反射镜的结构示意图。

附图标记：

1、多角度通道 2、多光谱通道 3、外壳

4、扫描反射镜机构 5、第一电子学装置 6、反射镜组件

7、第一探测器 8、滤光片组件 9、支架

10、第一步进电机 11、蜗轮 12、蜗杆

13、扫描镜座 14、离轴抛物面反射镜 15、反射镜压圈

16、霍尔开关 17、磁钢 18滤光片轮

19、滤光片压片 20、第二步进电机 21、电机支架

22、码盘 23、光耦 24、光耦电路

25、第一滤光片 26、第二滤光片 27、第三滤光片

28、第四滤光片 29、离轴抛物面反射镜镜座 30、多角度探测开口

31、多光谱探测开口 32、隔板 33、第二探测器

34、第二电子学装置 35、遮光板 36、遮光筒

38、圆盘

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种多角度多光谱星载探测电离层装置，利用该装置为星载探测电离层密度提供了更多空间维和光谱维的信息，增强对电离层的认识；多角度探测通道通过扫描结构可以实现大视场范围探测，增大观测区域。所述多光谱探测通道可以实现多光谱、多波段的探测，获得更多光谱信息。

如图2和3所示，所述装置包括：方形外壳3、多角度探测开口30、多角度探测通道1、多光谱探测开口31和多光谱探测通道2；

方形外壳3的顶部开设多角度探测开口30和多光谱探测开口31，且多角度探测开口30和多光谱探测开口31通过设置在方形外壳内部的、多角度探测开口30和多光谱探测开口31之间的隔板32形成多角度探测通道1和多光谱探测通道2；多角度探测开口30的下方设置多角度探测通道1，多光谱探测开口31的下方设置多光谱探测通道2。其中，所述多角度探测通道1可以通过扫描反射镜机构4进行多个角度探测；所述多光谱探测通道2可以通过滤光片组件8切换，实现多波段探测。

在本实施例中，如图2所示，所述方形外壳3的外壁上均匀开设多个凹槽，用于减轻装置的重量。所述方形外壳3是由上、下、左、右、前、后六块平板拼接或卡接组成的。

所述多角度探测通道1位于隔板32的一侧，其包括：扫描反射镜机构4，第一探测器7和第一电子学装置5；

上述三者均放置在多角度探测通道1内，扫描反射镜机构4位于多角度探测开口30的正下方，沿着该通道方向，扫描反射镜机构4后依次顺序设置第一探测器7、第一电子学装置5，即扫描反射镜机构4后设置第一探测器7，第一探测器7后设置第一电子学装置5；

所述多光谱探测通道2位于隔板32的另一侧，其包括：反射镜组件6、第二探测器33、滤光片组件8、第二电子学装置34、遮光板35和遮光筒36；

上述六者均放置在多光谱探测通道2内，反射镜组件6位于多光谱探测开口31的下方，沿着该通道方向，反射镜组件6后依次顺序设置遮光板35、遮光筒36、滤光片组件8、第二探测器33、滤光片组件8、第二电子学装置34，即反射镜组件6后设置遮光板35、遮光板35后设置遮光筒36，遮光筒36后设置第二探测器33，第二探测器33后设置滤光片组件8，滤光片组件8后设置第二电子学装置34。

如图4所示，所述扫描反射镜机构4，用于接收任意角度的电离层气辉或极光，并将其反射至第一探测器7；其包括：支架9、第一步进电机10、蜗轮11、蜗杆12、扫描镜座13、离轴抛物面反射镜14、反射镜压圈15、霍尔开关16和磁钢17；

支架9上安装蜗杆12，蜗杆12上安装第一步进电机10，用于驱动蜗杆12转动，支架9上还安装有涡轮11，且该涡轮11与蜗杆12斜螺纹配合，同时该涡轮11上安装磁钢17，该磁钢17与安装在支架9上的霍尔开关16连接，扫描镜座13与涡轮11同轴连接，扫描镜座13上安装离轴抛物面反射镜14和反射镜压圈15，且反射镜压圈15盖在离轴抛物面反射镜14上，用于压住离轴抛物面反射镜14，并将其通过螺钉固定在扫描镜座13上。

所述扫描镜座13与安装在其上的旋转对称轴呈钝角，且扫描镜座13的正面设为斜面，且倾斜度为45度，用于将多角度探测开口入射进来的电离层气辉或极光，通过安装在该斜面上的离轴抛物面反射镜14反射至第一探测器7；扫描镜座13的背面与涡轮11同轴连接，用于随着涡轮转动而旋转离轴抛物面反射镜14。

第一步进电机10的步进角1.8°，用于驱动蜗杆12；蜗轮11与蜗杆12实现了变速，使得步进进度细分60份，约0.03°。同时，蜗轮11和蜗杆12还可以进行反锁，使得离轴抛物面反射镜14的位置不会因为外界的振动发生位移。

所述霍尔开关16与磁钢17配合，用于定位扫描镜座13的初始位置。

所述支架9，用于支撑扫描反射镜机构中包括的所有部件，并和外部的探测仪器的底边固定。

图8是所述离轴抛物面反射镜14的结构示意图，如图8所示，所述离轴抛物面反射镜14，用于将电离层气辉或极光成像到第一探测器7上。离轴抛物面反射镜的离轴量较大，使得离轴角为90度折转角，将光轴进行了90度折叠，便于安装。离轴量指入射光轴与和离轴抛物面反射镜14相连接的旋转对称轴的距离；离轴角是指入射光轴与出射光轴之间的夹角。

所述反射镜组件6的结构如图7所示，所述反射镜组件6包括：离轴抛物面反射镜镜座29，离轴抛物面反射镜14以及反射镜压圈15；

如图7所示，所述离轴抛物面反射镜镜座29呈直角三角形结构，离轴抛物面反射镜镜座29的斜面上安装离轴抛物面反射镜14，反射镜压圈15盖在离轴抛物面反射镜14上，并通过螺钉固定在离轴抛物面反射镜镜座29的斜面上。

如图5和6所示，所述滤光片组件8包括：第一滤光片25、第二滤光片26、第三滤光片27、第四滤光片28、滤光片轮18、四个滤光片压片19、第二步进电机20、电机支架21、码盘22、光耦23及光耦电路24；第一滤光片25处开设圆孔，并用滤光片压片19覆盖，形成探测通道；第一滤光片25为130.4nm滤光片；第二滤光片26为135.6nm滤光片、第三滤光片27为LBH(Lyman-Birge-Hopfield,莱曼-伯奇-霍普菲尔德)带滤光片、第四滤光片28为石英滤光片；其中，每一个滤光片为一个探测通道；

如图5和6所示，滤光片轮18上开有第一滤光片25、第二滤光片26、第三滤光片27、第四滤光片28，第一滤光片25、第二滤光片26、第三滤光片27、第四滤光片28上均通过各自的滤光片压片19压住固定，滤光片轮18通过圆盘38与第二步进电机20的轴相连接，且在滤光片轮18与第二步进电机20之间设有第二探测器33；第二步进电机20设置在电机支架21上，电机支架21上安装光耦电路24，光耦电路24安装在上设置两个光耦23，每个光耦23上安装码盘22，且每个码盘22与第二步进电机20相连接。

第二步进电机20采用直驱方式旋转滤光片轮18，切换不同的滤光片，用于接收不同光谱段的极光，光耦电路板24和码盘22，用于定位每个探测通道的位置。电机支架21上固定第二步进电机20；光耦电路板24，用于读出光耦信号。

所述第一探测器7和第二探测器33均为本领域技术人员公知的探测器，在本实施例中，采用的探测器为滨松R10825。第二探测器33位于滤光片轮18和第二步进电机20之间。

所述第一步进电机10和第二步进电机20均为本领域技术人员公知的步进电机，在本实施例中，采用的步进电机为现有的航天型号产品，其电机型号为J38BH004。

所述第一电子学装置5和第二电子学装置34均为本领域公知的电子学处理装置，用于接收第一探测器7或第二探测器33光信号，并进行处理，再将其发送至卫星。在本实施例中，采用的电子学处理装置为TIP-C-ELECTRONIC-03。

所述遮光板35和遮光筒，用于限制杂散光。

所述多角度多光谱探测电离层装置的工作过程如下：

所述多角度通道中的扫描反射镜机构4在不工作时，离轴抛物面反射镜14背对多角度探测开口30。开始工作时，第一步进电机10启动，带动蜗杆12转动，进而带动涡轮11转动，从而使离轴抛物面反射镜14旋转，并进行扫描，扫描-30°到30°，扫描间隔4°，停留时间1s。0°方向为指向地球地心方向，与仪器顶板垂直；离轴抛物面反射镜14接收极光，并将其成像至第一探测器7，第一探测器7输出光信号，并将其输入至第一电子学装置5，第一电子学装置5接收光信号并进行处理，将处理后的信号发送至卫星。

所述多光谱通道中的反射镜组件6在不工作时，第二探测器33被滤光片轮18遮挡。开始工作时，反射镜组件6接收不同光谱，旋转滤光片轮18，使得光谱沿着其中一个探测通道传输至第二探测器，第二探测器将其发送至第二步进电机，并读取对应的光耦信号，第二电子学装置接收光耦信号，并进行处理，并将其发送至卫星；其中，滤光片轮18上设置的四个滤光片和一个滤光通道这五个探测通道之间循环，每次停留时间为1s。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多角度多光谱星载探测电离层装置，其特征在于，所述装置包括：方形外壳（3）、多角度探测开口（30）、多角度探测通道（1）、多光谱探测开口（31）和多光谱探测通道（2）；

方形外壳（3）的顶部开设多角度探测开口（30）和多光谱探测开口（31），且多角度探测开口（30）和多光谱探测开口（31）通过设置在方形外壳内部的、多角度探测开口（30）和多光谱探测开口（31）之间的隔板（32）形成多角度探测通道（1）和多光谱探测通道（2）；多角度探测开口（30）的下方设置多角度探测通道（1），多光谱探测开口（31）的下方设置多光谱探测通道（2）；

所述多角度探测通道（1）位于隔板（32）的一侧，其包括：扫描反射镜机构（4），第一探测器（7）和第一电子学装置（5）；

上述三者均放置在多角度探测通道（1）内，扫描反射镜机构（4）位于多角度探测开口（30）的正下方，沿着该通道方向，扫描反射镜机构（4）后依次顺序设置第一探测器（7）、第一电子学装置（5）；

所述多光谱探测通道（2）位于隔板（32）的另一侧，其包括：反射镜组件（6）、第二探测器（33）、滤光片组件（8）、第二电子学装置（34）、遮光板（35）和遮光筒（36）；

上述六者均放置在多光谱探测通道（2）内，反射镜组件（6）位于多光谱探测开口（31）的下方，沿着该通道方向，反射镜组件（6）后依次顺序设置遮光板（35）、遮光筒（36）、第二探测器（33）、滤光片组件（8）、第二电子学装置（34）；

所述扫描反射镜机构（4）包括：支架（9）、第一步进电机（10）、蜗轮（11）、蜗杆（12）、扫描镜座（13）、离轴抛物面反射镜（14）、反射镜压圈（15）、霍尔开关（16）和磁钢（17）；

支架（9）上安装蜗杆（12），蜗杆（12）上安装第一步进电机（10），用于驱动蜗杆（12）转动，支架（9）上还安装有涡轮（11），且该涡轮（11）与蜗杆（12）斜螺纹配合，同时该涡轮（11）上安装磁钢（17），该磁钢（17）与安装在支架（9）上的霍尔开关（16）连接，扫描镜座（13）与涡轮（11）同轴连接，扫描镜座（13）上安装离轴抛物面反射镜（14）和反射镜压圈（15），且反射镜压圈（15）盖在离轴抛物面反射镜（14）上，用于压住离轴抛物面反射镜（14），并将其通过螺钉固定在扫描镜座（13）上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描镜座（13）与安装在其上的旋转对称轴呈钝角，且扫描镜座（13）的正面设为斜面，用于将多角度探测开口入射进来的电离层气辉或极光，通过安装在该斜面上的离轴抛物面反射镜（14）反射至第一探测器（7）；扫描镜座（13）的背面与涡轮（11）同轴连接，用于随着涡轮（11）转动而旋转离轴抛物面反射镜（14）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射镜组件（6）包括：离轴抛物面反射镜镜座（29），离轴抛物面反射镜（14）以及反射镜压圈（15）；

所述离轴抛物面反射镜镜座（29）呈直角三角形结构，离轴抛物面反射镜镜座（29）的斜面上安装离轴抛物面反射镜（14），反射镜压圈（15）盖在离轴抛物面反射镜（14）上，并通过螺钉固定在离轴抛物面反射镜镜座（29）的斜面上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滤光片组件（8）包括：第一滤光片（25）、第二滤光片（26）、第三滤光片（27）、第四滤光片（28）、滤光片轮（18）、四个滤光片压片（19）、第二步进电机（20）、电机支架（21）、码盘（22）、光耦（23）及光耦电路（24）；

第一滤光片（25）处开设圆孔，并用滤光片压片（19）覆盖，形成探测通道；滤光片轮（18）上开有第一滤光片（25）、第二滤光片（26）、第三滤光片（27）、第四滤光片（28），第一滤光片（25）、第二滤光片（26）、第三滤光片（27）、第四滤光片（28）均通过各自的滤光片压片（19）压住固定，滤光片轮（18）通过圆盘（38）与第二步进电机（20）的轴相连接，且在滤光片轮（18）与第二步进电机（20）之间设有第二探测器（33）；第二步进电机（20）设置在电机支架（21）上，电机支架（21）上安装光耦电路（24），光耦电路（24）安装在上设置两个光耦（23），每个光耦（23）上安装码盘（22），且每个码盘（22）与第二步进电机（20）相连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一滤光片（25）为130.4nm滤光片；第二滤光片（26）为135.6nm滤光片、第三滤光片（27）为LBH带滤光片、第四滤光片（28）为石英滤光片。

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