一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的制作方法

1.本实用新型涉及一种光谱光度计，尤其涉及一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计。


背景技术：

2.中间层顶部(地球上空80～100km区域)是地球大气中最具特点的区域之一，它与重力波、潮汐波和行星波等诸多动力过程紧密相关。其中，温度是临近空间顶部区域的一个重要的物理量，但由于大气本身的特殊性，在探测其温度时有很大的挑战性。
3.在现有的用于测量中高层大气温度的仪器中，基于光谱光度计原理的仪器是最具有代表性的一类。这类仪器将夜间气辉辐射作为被动光源，由于在不同温度下，o2和oh气辉的振动和转动谱线强度之比有明显的变化，可以通过探测谱线强度的相对变化来反演转动温度。基于光谱光度计的典型仪器有中间层顶氧气转动温度成像仪(morti)(wiens r h，et al.，1997)，以及它的升级版气辉光谱温度成像仪(sati)(sargoytchev,et al.，2004)。在此基础上，世界各国也开始发展中高层大气的组网观测。例如，2007年，由德国科学家牵头组织的中间层大气变化观测网(ndmc,the network for the detection of mesospheric change)，利用27个国家的43台同类型探测仪器来获取oh气辉转动温度，但其观测数据的连续性和一致性难以保证。2008年，我国启动“子午工程”，建成了一个具备多种观测手段的空间环境监测网络，在被动光学遥感设备中，主要使用的仪器为全天空成像仪或fpi干涉仪，并没有配备这类基于光谱光度计原理的测温仪器实施组网。由此可见，光谱光度计原理探测气辉转动温度的仪器虽然具有潜力，但在实际的组网观测的使用上还存在很多的局限性。
4.中高层大气的气辉辐射带中，位于可见光近红外波段的宽带oh(750～850nm)和窄带o2(0
‑
1)(865
±
2.5nm)气辉层辐射较强，且o2(0
‑
1)和oh气辉的振动和转动谱线强度比在不同温度下有着明显的变化。现有的通用技术是利用窄带干涉滤光片的峰值透过率会随入射光角度变化的规律，选择合适的滤光片，设计成像光路，用不同的角度将多条谱线依次滤出，再利用ccd相机获得强度，从而获得气辉层转动谱线强度廓线。
5.目前光谱光度计的缺点在于，窄带干涉滤光片对于环境温度的要求严格，滤光片的“温漂”特性对观测结果的影响较大，不利于长期的野外观测。此外，为了实现不同角度的多条谱线的成像，需要高灵敏度的ccd，这大大增加了仪器的成本和体积，对于大规模的组网观测是一大障碍。


技术实现要素：

6.实用新型目的：本实用新型第一目的在于提供一种窄带干涉滤光片温度可控，低成本、小体积、方便携带的基于滤光片温度特性的温控光谱光度计；本实用新型第二目的在于提供一体式光谱光度计和分体式、多通道光谱光度计两种结构。
7.技术方案：本实用新型的基于滤光片温度特性的一体式温控光谱光度计，包括隔
热外壳和光学镜筒，所述光学镜筒由上而下依次包括若干遮光环、菲涅尔透镜、消色差双胶合透镜、窄带干涉滤光片和光电倍增管，所述光学镜筒的窄带干涉滤光片处环绕设置有控温单元。
8.进一步地，所述控温单元为环状结构，由外到内依次包括若干散热片、散热壁、若干制冷片、导热壁、导热片、温湿度传感器；所述导热片环绕设置在光学镜筒的窄带干涉滤光片外围；所述温湿度传感器安于光学镜筒外部一侧。
9.进一步地，所述散热壁和导热壁的材质包括铝制材料；所述制冷片为半导体制冷片。
10.进一步地，所述隔热外壳顶部设有光学窗口，所述光学镜筒位于光学窗口的正下方。
11.进一步地，所述隔热外壳底部设有金属支架，所述金属支架将光学镜筒和光电倍增管密封隔热外壳内；所述隔热外壳底部侧壁上开设有集线口。
12.进一步地，所述光电倍增管的焦平面设置在消色差双胶合透镜的两倍焦距处。
13.进一步地，所述遮光环对称设置于光学镜筒内壁两侧，所述遮光环内径从上至下减小，所构成的角度需与仪器的视场角重合，所述遮光环的数量为4
‑
10片。
14.本实用新型的基于滤光片温度特性的分体式温控光谱光度计，由上而下包括光学镜筒、消色差双胶合透镜、窄带干涉滤光片和光电倍增管，所述光学镜筒内设有若干遮光环和菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜通过导光管将光线传递到消色差双胶合透镜上，所述窄带干涉滤光片外侧环绕设置有控温单元。
15.进一步地，所述控温单元为环状结构，由外到内依次包括若干散热片、散热壁、若干制冷片、导热壁、导热片；所述导热片环绕设置窄带干涉滤光片外围。
16.进一步地，所述菲涅尔透镜焦距处设有光纤光锥，光纤光锥通过光纤端帽连接导光管，所述导光管的另一侧设有光纤分束器，所述光纤分束器连接2
‑
6路分束光纤分束光纤将光传递到消色差双胶合透镜上。
17.有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：
18.(1)温控光谱子系统去除了复杂的光学元件和成像的ccd，结构更加简单紧凑，使得系统的稳定性和可靠性得到提升。
19.(2)无需成像的光路设计，用能量接收器代替ccd探测器，大幅降低了仪器的成本，有助于大规模铺设组网观测。
20.(3)充分利用了窄带干涉滤光片的中心波长随温度变化的特性，解决“温漂”问题的同时，使得光谱检测更加可控。
21.(4)本发明的滤光片温控模块结构简单，体积微小。仅由半导体制冷片进行散热，无需散热器，减少了不必要的机械运动，长期观测更加稳定。
22.(5)因为光路设计简单，滤光片温控模块小巧，可实现分体式多通道观测，可同时测量o2(0
‑
1)、oh(6
‑
2)p支、oh(6
‑
2)q支的转动谱线。
23.(6)分体式结构也使得观测模式更加灵活，可调节收光子系统实现观测视场角范围及方向的变化，外场适应性更强，研制和维护成本降低。
附图说明
24.图1是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的一体式结构示意图；
25.图2是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的滤光片温控单元俯视图；
26.图3是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的多通道分体式结构示意图；
27.图4是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的温度与滤光片中心波长的配置关系图；
28.图5是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计使用的hitran数据库中气辉转动光谱示意图；
具体实施方式
29.下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
30.长期以来，温漂一直是滤光片仪器的一个不稳定因素，现有的光谱温度计大多旨在减少滤光片的温漂，而本发明从另一个角度切入，当环境温度变化时，窄带干涉滤光片的中心波长也会随之变化，且经过实验表明，滤光片的中心波长与环境温度近似成线性关系。因此，选择合适的滤光片以及镀膜材质，使得中心波长随温度的相应更加明显，从而通过控制温度来滤出不同的谱线。本发明无需ccd成像，仅需安装一个热流传感器，测量每个设定的环境温度下的辐射能量测量，以此合成临近空间气辉光谱。其中，环境温度的控制由滤光片温控模块完成，气辉温度的探测由光谱温度探测模块完成。
31.图1是本发明一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的一体式结构示意图。如图所示，一体式结构外围由密封隔热外壳1包裹，光学窗口2内嵌于密封隔热外壳1的正上方。密封隔热外壳1的内部设置本发明的主体设备，其中从上至下依次设置：光学镜筒3、多层遮光环4、菲涅尔透镜5、消色差双胶合透镜6、窄带干涉滤光片7、滤光片温控单元9、光电倍增管10、金属支架11。其中，多层遮光环4一般设置5～10片，固定于光学镜筒3的内壁，其内径从上至下减小，所构成的角度需与仪器的视场角重合，其目的在于将来自于视场角之外的杂散光有效剔除，其剔除效率一般可达95％以上。菲涅尔透镜5、消色差双胶合透镜6用光学镜筒3连接并做遮光密封处理，其中菲涅尔透镜5位于多层遮光环4的最后一片的下方，消色差双胶合透镜6位于菲涅尔透镜5的后端焦距处。窄带干涉滤光片7位置的镜筒外部由环状的滤光片温控单元9围绕，光学镜筒3和光电倍增管10用金属支架11固定在密封隔热外壳1内，其中，光电倍增管10的焦平面在消色差双胶合透镜6的两倍焦距处设置。密封隔热外壳1下方一侧设置集线口12，用于输出电源线和数据线。气辉发出的辐射光束从光学窗口2射入光学镜筒3，通过多层遮光环4滤去视场外的杂散光，经过菲涅尔透镜5和消色差双胶合透镜6的两次折射平行射出，再通过窄带干涉滤光片7的滤光作用，在滤光片温控单元9的温度控制下，利用温度的改变从窄带干涉滤光片中滤出不同的目标谱线，最终由光电倍增管10接收放大，进行能量探测。
32.图2是本发明一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的滤光片温控单元俯视图。滤光片温控单元9为环状结构，由外到内依次为若干散热片13、铝制散热壁14、若干半导
体制冷片15、铝制导热壁16、导热片17、温湿度传感器8、光学镜筒3和窄带干涉滤光片7。其中，若干散热片13均匀紧贴铝制散热壁14外壁，若干半导体制冷片15一面均匀紧贴铝制散热壁14内壁，一面均匀紧贴铝制导热壁16外壁，导热片17垂直紧贴于铝制导热壁16内壁，温湿度传感器8安于光学镜筒3外部一侧。滤光片温度检测单元9的主体为串联的一圈环绕式半导体制冷片15，通过控制电源极性，控制半导体制冷片15吸收和放出热量，从而实现增温和降温，利用散热器与外界进行热量交换，可以实现导热片17将热量传递到光学镜筒，用于控制滤光片环境温度的效果。滤光片温度控制单元9通过金属支架设置在窄带干涉滤光片7对应位置的光学镜筒3外侧，并在光学镜筒3外壁加装一个温湿度传感器8，对滤光片环境温度进行实时检测，并通过反馈机制进行调整。
33.图3是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的多通道分体式结构示意图。左侧收光装置从上到下依次设置为光学镜筒3、多层遮光环4、菲涅尔透镜5，光纤光锥18、光纤端帽19。其中多层遮光环4、菲尼尔透镜5由光学镜筒3连接，菲涅尔透镜5位于多层遮光环4的最后一片的下方，光纤光锥18的上端面位于菲涅尔透镜5的焦距处，光纤端帽19套在光纤光锥18尾部，用于连接光纤光锥18与导光管20。右侧多通道装置从左到右依次设置为光纤分束器21、三路分束光纤22、三片消色差双胶合透镜6、各通道的窄带干涉滤光片7、各通道的光电倍增管10。其中，光纤从光纤端帽19的末端输出，并经过导光管20的传导作用，进入光纤分束器21。光束射入光学镜筒3，通过多层遮光环4的作用，滤去视场外的杂散光，再经过菲涅尔透镜5的折射将光束汇于光纤光锥18，导光管20与光纤光锥18通过光纤端帽19相连，光束经过传导后，在光纤分束器21中被一分为三，从而建立多通道的体制。以其中一个通道为例，一路分束光纤22出口端设置于消色差双胶合透镜6的前焦点处，光束从一路分束光纤22中射出的发散光经过消色差双胶合透镜6被折射为平行光，通过窄带干涉滤光片7，并在滤光片温控单元9的温度控制下，利用温度的改变从窄带干涉滤光片7中滤出目标谱线，最终由光电倍增管10接收，进行能量探测。三个通道用于对o2(0
‑
1)、oh(6
‑
2)p支、oh(6
‑
2)q支三个谱带的温度探测。
34.图4为是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计使用的hitran数据库中气辉转动光谱示意图。大气中的双原子分子和离子(如o2、n2、on、oh气辉)或多原子分子(水汽h2o)，在不同温度下由于原子转动和转动的能级跃迁，将产生能量较低谱线间距较小的转动跃迁谱线。将hitran数据库计算的转动谱线和实验室定标的仪器参数带入正演模型，可计算得出合成光谱。图4从左至右分别为o2(0
‑
1)、oh(6
‑
2)p支、oh(6
‑
2)q支的转动光谱示意图，可以看出不同温度下，不同谱线的强度比值有明显变化，本发明的探测原理即是基于这一强度比值的差异性来设计的。
35.图5是本发明的一种基于滤光片温度特性的温控光谱光度计的温度与滤光片中心波长的配置关系图。本发明通过改变滤光片环境温度，改变滤光片的中心波长，再通过能量传感器得到不同谱线的能量，从而计算得出实际的气辉合成光谱，与正演模型中通过hitran数据库计算的合成光谱作差值计算，反演得到气辉层的大气温度。通过以往的观测数据，可认为滤光片的中心波长和其环境温度近似满足线性关系，其表达式为：λ＝kt。其中k与滤光片的镀膜材质有关，根据不同通道的设计需求，计算k值，更换镀膜材质以达到温控效果。图5从左至右分别为o2(0
‑
1)、oh(6
‑
2)p支、oh(6
‑
2)q支三个通道所需的滤光片中心波长的k值以及其中心波长随温度变化的示意图。