CN111765971B - 一种用于电离层光度计的干扰光消除结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电离层光度计的干扰光消除结构,包括电离层光度计反射镜、短波滤光片、分光滤光片、目标光谱探测器、长波干扰光探测器,所述电离层光度计反射镜汇聚的电离层夜气辉辐射光线,首先通过短波滤光片,再通过分光滤光片分光,通过分光滤光片的一部分反射光汇聚到目标光谱探测器,另一部分透射光汇聚到长波干扰光探测器,形成目标光谱信号及干扰光信号两个独立光路,并能同时获取目标光谱信号能量值和干扰光信号能量值。能代替电离层光度计中转动轮滤光方式的滤光***,从而消除测量错误,实现电离层夜气辉目标光谱信号的准确探测;同时,电机及转动轮结构的去除,也会减少需要的重量、尺寸、功耗资源,降低控制电路的复杂程度。
Description
技术领域
本发明属于空间电离层探测技术领域,具体来说,本发明涉及一种用于电离层光度计的干扰光消除结构及控制方法。
背景技术
通常,无线电信号在地球电离层传播时,路径会发生弯曲,传播速度也会变化,这将减弱无线电信号的传播效果,其中地球电离层是指:太阳电磁辐射照射到大气,使某一层大气部分电离,形成离子和电子的形式,主要位于距地面60km至约450km的高度之间,全球覆盖。而电离层对无线电信号的影响主要来自于地球电离层的电子总含量,表现在电离层折射效应引起的延迟带来的误差。电离层对于卫星通讯、GPS导航等方面有着重要影响。比如,对于GPS信号,在夜间当卫星处于天顶方向时,电离层折射对信号传播路径的影响可达5m,而在日间正午前后,当卫星接近地平线时,能达到150m的延迟误差。
国外IMAGE、TIMED以及COSMIC等卫星实验,证实了电离层中的O+与电子的复合过程产生的135.6nm夜气辉与电离层电子浓度有关,因此135.6nm夜气辉光探测有助于研究夜间电离层结构变化,进而对电离层对卫星通讯、GPS导航等方面的影响进行预判,减少损失。
电离层夜气辉辐射中除了135.6nm辐射,也包含短波干扰光,主要是HI121.6nm辐射、OI 130.4nm辐射,还包含月光散射、地球城市灯光之类的长波干扰光,主要以200nm以上光谱辐射为主,为了准确地获取135.6nm目标光谱信号,需要使用滤光***滤掉这些干扰光的影响。
电离层光度计是国内外常用的电离层辐射探测的仪器,其特点是探测灵敏度高、结构相对简单。
现有电离层光度计主要组成结构包括:反射镜、滤光***、光电探测器及探测器信号处理电路。其中反射镜用于将电离层夜气辉汇聚到光电探测器上;滤光***通常采用不同波段的滤光片,将电离层夜气辉中的杂散光滤除,获得需要探测的目标光谱;光电探测器通常采用光电倍增管(PMT)探测器,探测电离层夜气辉辐射能量;探测器信号处理电路通常采用前放、成形、鉴别电路,进行脉冲计数,计算获得光电探测器接收的辐射能量值。
目前,电离层光度计的滤光***采用转动轮滤光方式,转动轮上安装有一个短波滤光片及一个长波滤光片,在滤光片的透射光的焦点处放置光电倍增管探测器。在进行测试的时候,先通过电动机将转动轮转到短波滤光片,通常采用氟化钡(BaF2)晶体滤光片,可以抑制电离层夜气辉辐射中的121.6nm及130.4nm的短波辐射,获得135.6nm目标光谱加上波长大于200nm的长波干扰光,由光电倍增管探测器接收,并由探测器信号处理电路获得辐射能量值。随后,再通过电动机将转动轮转到长波滤光片,通常采用熔融石英(JGS1)滤光片,可以透过波长大于180nm的长波辐射,获得波长大于200nm的干扰光,由光电倍增管探测器接收,并由探测器信号处理电路获得辐射能量值。将通过短波滤光片时的探测辐射能量值扣除通过长波滤光片时的探测辐射能量值,就能够获得135.6nm目标光谱的辐射能量值。
但是,上述使用的转动轮滤光方式消除干扰光时,由于转动轮运行时间间隔,会导致测量区域不同而产生测量误差,而且电动机可能发生定位错误导致光信号遮挡,会产生测量错误。为了解决电离层光度计的上述测试问题,本发明提供了一种适用于电离层光度计的无活动部件的干扰光消除结构,代替采用转动轮滤光方式的滤光***,旨在实现电离层夜气辉目标光谱信号的准确探测。
电离层光度计现有转动轮滤光***技术如:文章的名称:小型电离层光度计仪器的设计和使用;文献出处:国际光学工程学会(SPIE),2004年,第5660卷。探测器信号处理电路涉及的现有技术如:《航天器环境工程》第35卷第3期,2018年6月发表的文章:适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电离层光度计的干扰光消除结构及控制方法,能代替电离层光度计中转动轮滤光方式的滤光***,从而消除测量错误,实现电离层夜气辉目标光谱信号的准确探测;同时,电机及转动轮结构的去除,也会减少需要的重量、尺寸、功耗资源,降低控制电路的复杂程度。
本发明采用了如下的技术方案:
本发明的一种用于电离层光度计的干扰光消除结构,包括电离层光度计反射镜、短波滤光片、分光滤光片、目标光谱探测器、长波干扰光探测器,所述电离层光度计反射镜汇聚的电离层夜气辉辐射光线,首先通过短波滤光片,再通过分光滤光片分光,其中,通过分光滤光片的一部分反射光汇聚到目标光谱探测器,另一部分透射光汇聚到长波干扰光探测器,形成目标光谱信号及干扰光信号两个独立光路,并能同时获取目标光谱信号能量值和干扰光信号能量值。
其中,所述短波滤光片与分光滤光片串行放置,所述短波滤光片采用氟化钡晶体滤光片,用于消除短波长的干扰光。
其中,所述分光滤光片的基底是蓝宝石晶体,在蓝宝石晶体上镀制若干个反射膜,形成50%的光透过,50%的光反射的分光形式的滤光片。
其中,所述反射膜的表面镀膜为AL加MgF2,是先镀制一层AL膜,厚度60-100nm,再镀制一层MgF2保护膜,厚度30-40nm。
本发明的一种用于电离层光度计的干扰光消除结构的控制方法,电离层夜气辉辐射光线主要包括130nm以下的干扰短波、135.6nm的目标光谱、200nm以上的干扰长波,先通过了一个短波滤光片,使得133nm以下的波长截止,能够去除130nm以下的干扰光,然后到达分光滤光片,一部分到达的光被镀制反射膜的区域反射,能有效反射波长120nm以上的光谱信号,因此光谱包括135.6nm目标光谱及200nm以上的干扰光,另一部分到达未镀制反射膜区域的光透射,其透过的为波长150nm以上光谱信号,能够获得200nm以上的干扰光,这两路光分别被目标光谱探测器和长波干扰光探测器接收,然后分别由目标光谱探测器信号处理电路和长波干扰光探测器信号处理电路得到这两路光的辐射能量,两路光的辐射能量相减处理,就能得到135.6nm目标光谱的辐射能量。
本发明的优点在于:本发明是无活动部件的干扰光消除结构,采用了短波滤光片与分光滤光片串行结构,并通过在分光滤光片上镀制反射膜形成分光滤光片结构的设计,将光路分成独立的目标光谱信号及干扰光信号,采用两个探测器同时测试两个独立光路的信号;本发明能够去除掉转动轮滤光片设计中的电机及转动轮的活动结构,不会产生转动轮定位误差造成的探测信号错误,而且本发明的光路分光设计,能够同时探测到目标光谱信号及干扰光信号,不会产生时间间隔,解决了转动轮滤光片设计中测试时间间隔造成测试区域不一致时产生的不确定测试误差;而且,电机及转动轮结构的去除,也会减少需要的重量、尺寸、功耗资源,降低控制电路的复杂程度。
附图说明
图1是本发明用于电离层光度计的干扰光消除结构的示意图。
其中:11-短波滤光片,12-分光滤光片,13-目标光谱探测器,14-长波干扰光探测器。
图2是本发明分光滤光片的结构放大示意图。
其中:21-滤光片基底,22-反射膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的适用于电离层光度计的无活动部件的干扰光消除结构进行详细说明,这些具体实施方式仅用来示例本发明,并不旨在对其保护范围进行任何限制。
参见图1,图1显示了用于电离层光度计的干扰光消除结构,其中,包括短波滤光片11、分光滤光片12、目标光谱探测器13及长波干扰光探测器14四部分。其中,短波滤光片11与分光滤光片12串行放置,并采用两个探测器同时测试的方式,目标光谱探测器13放置在分光滤光片12反射光的焦点处,长波干扰光探测器14放置在分光滤光片12透射光的焦点处;具体而言,短波滤光片11采用BaF2晶体滤光片,其对于133nm以下波长的光有较好的截止作用;分光滤光片12采用蓝宝石(Al2O3)晶体滤光片,即在蓝宝石(Al2O3)晶体基底上镀制AL加MgF2反射膜,其反射膜先镀制一层AL膜,厚度60-100nm,再镀制一层MgF2保护膜,厚度30-40nm,形成一种分光滤光片结构;经过短波滤光片11的光,一部分到达的光被镀制反射膜的区域反射,能有效反射波长120nm以上的光谱信号,另一部分到达未镀制反射膜区域的光透射,其透过的为波长150nm以上光谱信号;目标光谱探测器13以及长波干扰光探测器14均采用光电倍增管(PMT),可使用滨松R10825光电倍增管,但不限于该产品,使用MgF2窗口,CsI阴极,能有效探测紫外波段的光谱信号。
参见图2,图2显示了分光滤光片的结构示意图。其中,反射膜22镀制在滤光片基底21上。具体而言,滤光片基底21采用蓝宝石(Al2O3)晶体滤光片,镀制的反射膜22为AL加MgF2,其形状为直径1.2mm的圆形,间隔1.5mm规则排列在滤光片基底21上;能使到达分光滤光片的光,50%被反射膜22反射,50%透过滤光片基底21,形成一种分光滤光片结构。
详细的实施方式是,电离层夜气辉辐射被电离层光度计的反射镜反射汇聚,光线首先通过短波滤光片11,短波滤光片11采用BaF2晶体滤光片,有效滤除入射光中的HI121.6nm、OI 130.4nm短波干扰光,透过的光线主要包括135.6nm目标光谱及200nm以上波长为主的长波干扰光;透过的光线继续到达分光滤光片12,一半的光被分光滤光片上的反射膜22反射,这部分光包括了135.6nm目标光谱及200nm以上波长为主的长波干扰光,另一半的光透过滤光片基底21,滤光片基底21为蓝宝石(Al2O3)晶体滤光片,透过的光线为200nm以上波长的长波干扰光。本发明采用两个探测器同时探测的方式,其中目标光谱探测器13放置在分光滤光片12反射光的焦点处,反射光聚焦进入目标光谱探测器13,获取135.6nm目标光谱及200nm以上长波干扰光的探测信号,由目标光谱探测器13的信号处理电路获得辐射能量值;长波干扰光探测器14放置在分光滤光片12透射光的焦点处,透射光聚焦进入长波干扰光探测器14,获取200nm以上长波干扰光探测信号,由长波干扰光探测器14的信号处理电路获得辐射能量值;探测器信号处理电路进行脉冲计数,计算获得探测器接收的辐射能量值。因此,将目标光谱探测器13的探测辐射能量值扣除长波干扰光探测器14的探测辐射能量值,就能得到电离层光度计探测的135.6nm目标光谱辐射能量值。
举个计算135.6nm目标光谱辐射能量的例子,假设电离层光度计的灵敏度为150Counts/R/s,目标光谱探测器13测量的结果为200Counts/s,长波干扰光探测器测量的结果为10Counts/s,则135.6nm目标光谱的辐射能量为:(200-10)/150=1.27R,其中:Counts是指计数值(个),R是指辐射能量单位瑞利,s是指秒。
区别于现有电离层光度计采用的转动轮滤光片结构,本发明采用了短波滤光片11及分光滤光片12串行结构,能去除电机、转动轮活动机构,消除由于活动机构定位错误造成的探测信号错误的问题,同时也会减少仪器的重量、尺寸、功耗资源,降低控制电路的复杂程度。
区别于现有电离层光度计的分光滤光片采用透射式的方式,本发明采用在滤光片基底上镀上反射膜,形成了分光式滤光片的结构,能够同时形成两个独立光路,分别为包含目标信号及长波干扰光信号的光路以及长波干扰光信号光路,可以便于实施目标信号及长波干扰光信号的同时探测,去除现有电离层光度计测试两路信号的时间间隔,可以消除时间间隔引起的探测区域不一致造成的信号误差。
区别于现有电离层光度计的分光滤光片采用熔融石英滤光片,本发明的分光滤光片采用蓝宝石(Al2O3)晶体滤光片,可以获得150nm以上长波干扰光信号,相较于熔融石英滤光片可以获取的180nm以上长波干扰光信号,能够更有效地去除干扰光的影响。
区别于现有电离层光度计的单个探测器的探测模式,本发明采用两个探测器同时探测的模式,分别测试上述分光滤光片形成的两个独立光路信号,可以同时获得目标光谱加长波干扰光信号及长波干扰光信号,去除现有电离层光度计测试两路信号的时间间隔,可以消除时间间隔引起的探测区域不一致造成的测试误差。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明,但是应该指明的是,本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改,其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时,均应在本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于电离层光度计的干扰光消除结构,包括电离层光度计反射镜,其特征在于:还包括短波滤光片、分光滤光片、目标光谱探测器、长波干扰光探测器,所述电离层光度计反射镜汇聚的电离层夜气辉辐射光线,首先通过短波滤光片,再通过分光滤光片分光,其中,通过分光滤光片的一部分反射光汇聚到目标光谱探测器,另一部分透射光汇聚到长波干扰光探测器,形成目标光谱信号及干扰光信号两个独立光路,并能同时获取目标光谱信号能量值和干扰光信号能量值;
所述分光滤光片的基底是蓝宝石晶体,在蓝宝石晶体上镀制若干个反射膜,形成50%的光透过,50%的光反射的分光形式的滤光片;
所述反射膜的表面镀膜为AL加MgF2,是先镀制一层AL膜,厚度60-100nm,再镀制一层MgF2保护膜,厚度30-40nm;
短波滤光片,使得133nm以下的波长截止,能够去除130nm以下的干扰光,然后到达分光滤光片,一部分到达的光被镀制反射膜的区域反射,能有效反射波长120nm以上的光谱信号,因此光谱包括135.6nm目标光谱及200nm以上的干扰光,另一部分到达未镀制反射膜区域的光透射,其透过的为波长150nm以上光谱信号,能够获得200nm以上的干扰光,这两路光分别被目标光谱探测器和长波干扰光探测器接收,然后分别由目标光谱探测器信号处理电路和长波干扰光探测器信号处理电路得到这两路光的辐射能量,两路光的辐射能量相减处理,就能得到135.6nm目标光谱的辐射能量。
2.如权利要求1所述的一种用于电离层光度计的干扰光消除结构,其特征在于:所述短波滤光片与分光滤光片串行放置,所述短波滤光片采用氟化钡晶体滤光片,用于消除短波长的干扰光。
3.如权利要求1所述的一种用于电离层光度计的干扰光消除结构,其特征在于:电离层夜气辉辐射光线主要包括130nm以下的干扰短波、135.6nm的目标光谱、200nm以上的干扰长波。
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适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器;彭吉龙 等;《航天器环境工程》;20180630;第35卷(第3期);正文第2节 * |
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CN111765971A (zh) | 2020-10-13 |
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