阅读说明：本技术 一种综合光学监测系统 (Comprehensive optical monitoring system ) 是由 薛庆生 田中天 王福鹏 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种综合光学监测系统,包括：望远镜,所述望远镜视场大于100°,所述望远镜工作波段覆盖外波段、可见波段、近红外波段、短波红外波段；紫外UV光谱仪,紫外可见UVIS光谱仪,近红外NIR光谱仪,短波红外SWIR光谱仪,其中,所述UV光谱仪、UVIS光谱仪和所述NIR光谱仪采用光栅分光,所述SWIR光谱仪采用浸没光栅分光,所述所述UV光谱仪、UVIS光谱仪、所述NIR光谱仪和所述SWIR光谱仪共用所述望远镜。本申请提出一种宽空间覆盖范围、高空间分辨率、宽波段、高光谱分辨率的综合光学监测系统。(The application provides a comprehensive optical monitoring system, includes: the telescope has a field of view larger than 100 degrees, and the working waveband of the telescope covers an external waveband, a visible waveband, a near infrared waveband and a short wave infrared waveband; the telescope comprises an ultraviolet UV spectrometer, an ultraviolet visible UVIS spectrometer, a near infrared NIR spectrometer and a short wave infrared SWIR spectrometer, wherein the UV spectrometer, the UVIS spectrometer and the NIR spectrometer are subjected to grating light splitting, the SWIR spectrometer is subjected to immersion grating light splitting, and the UV spectrometer, the UVIS spectrometer, the NIR spectrometer and the SWIR spectrometer share the telescope. The application provides a comprehensive optical monitoring system with wide spatial coverage range, high spatial resolution, wide waveband and high spectral resolution.)

一种综合光学监测系统

技术领域

本发明涉及大气光谱辐射探测技术领域，特别涉及一种综合光学监测系统。

背景技术

到目前为止，地气系统偏离其准平衡状态(如全球变暖已是公认的事实)所引发的气候和环境灾害已严重威胁人类社会的可持续发展。为了研究人类活动与地球系统、空间环境之间的相互关系，全球变化和它的科学基础“地球系统科学”成为当前多学科交叉研究的重点和热点问题，为理解和解决这个问题，其中的一个重要手段既利用各种传感器(从紫外到微波、无线电波)将地球表层和大气系统作为一个整体来进行长时间、大范围和高精度动态监测，尤其是大气层中的化学成份及其时空分布结构和演变对人类活动的响应。国外典型的大气监测仪主要有美国研制的臭氧总量测绘光谱仪(TOMS)、太阳后向散射紫外光谱仪(SBUV)和臭氧绘图和廓线仪(OMPS)，欧空局研制的全球臭氧监测试验仪器(GOME)、大气制图扫描成像吸收分光计(SCIAMACHY)和臭氧监测仪(OMI)，中国研制的臭氧总量监测仪(TOU)和紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)。这些大气监测仪大多是对臭氧的监测，波段较窄，对其他大气痕量气体监测的很少。另外这些仪器的空间分辨率低，不能对污染源进行精确定位，很多仪器的全球覆盖性不足，回访周期长，时间分辨率低。

因此，目前亟需一种空间覆盖范围宽、空间分辨率高、监测波段宽、光谱分辨率高的综合光学监测系统。

发明内容

本申请提供一种综合光学监测系统，能够对大气质量和气候进行综合光学监测。

第一方面，提供了一种综合光学监测系统，其包括：望远镜，所述望远镜视场大于100°，所述望远镜工作波段覆盖外波段、可见波段、近红外波段、短波红外波段；紫外UV光谱仪，紫外可见UVIS光谱仪，近红外NIR光谱仪，短波红外SWIR光谱仪，其中，所述UV光谱仪、UVIS光谱仪和所述NIR光谱仪采用光栅分光，所述SWIR光谱仪采用浸没光栅分光，所述所述UV光谱仪、UVIS光谱仪、所述NIR光谱仪和所述SWIR光谱仪共用所述望远镜。

具体地，本申请实施例的综合光学监测系统为基于天底观测方式的星载成像光谱仪(也称为高光谱成像仪)，它通过测量大气后向散射光谱辐亮度和太阳光谱辐照度，获得反演大气痕量气体所需的光谱信息，空气质量和气候监测仪采用推扫成像的工作方式进行大气痕量气体探测，视场超大，大于100°，例如可以为108°，拟选择的工作波段为UV波段、UVIS波段、NIR波段、和SWIR波段。

更进一步地，上述综合光学监测系统为了满足超宽覆盖的要求，拟定望远镜的视场大于100°，对于光谱范围紫外到近红外，2000nm以上的宽波段、超大视场望远系统，在光学系统选型、光学系统布局、引入自由曲面设计方面进行优化，满足视场和成像质量要求。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述望远镜包括：离轴自由曲面主反射镜1、次反射镜2和宽波段消偏器2a。

更进一步

具体实施方式

中，宽波段消偏器2a的工作波段宽，覆盖范围大于2000nm，具有自身消色差，从晶体材料选择、消偏器选型、膜系设计等方面进行优化，满足低偏振响应。

更进一步具体实施方式中，为了减小SWIR光谱仪的体积，上述SWIR波段采用由硅基底制造的浸没光栅。

更进一步具体实施方式中，上述综合光学监测系统由于要实现光谱分辨率高，要实现宽波段、高光谱分辨率成像光谱探测，所述需要将光谱仪分成多个通道，光谱仪结构复杂，本申请实施例在光谱仪光学系统选型、光学系统布局方面进行优化设计。

更进一步具体实施方式中，所述的超宽覆盖高分辨率空气质量和气候监测仪的光学系统设计，其特性在于，各个光谱仪系统还包含独自的控制单元和数据处理系统。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第二种可能的实现方式中，所述UV光谱仪包括：刀口狭缝2b、第一准直透镜4a、第一分色片4b、UV聚焦镜4c、UV狭缝4d、UV转折镜4e，UV准直镜4f，UV光栅4g、UV成像镜4h、UV面阵列探测器4i。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第三种可能的实现方式中，所述SWIR光谱仪包括：所述刀口狭缝2b、所述第一准直透镜4a、所述第一分色片4b、SWIR中继系统5a、SWIR狭缝5b、SWIR折转镜5c、SWIR准直透镜5d、浸没光栅5e、SWIR成像镜5f、SWIR面阵探测器5g。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第四种可能的实现方式中，所述UVIS光谱仪包括：所述刀口狭缝2b、第二分色片6b、UVIS折转镜6c、UVIS折转镜6d、UVIS折转镜6e、UVIS准直镜6f、UVIS光栅6g、UVIS成像透镜组6h和UVIS面阵探测器6i。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第五种可能的实现方式中，所述NIR光谱仪包括：所述刀口狭缝2b、所述第二分色片6b、NIR折转镜6j、NIR折转镜6k、NIR准直镜6l、NIR折转镜6m、NIR光栅6n、NIR成像透镜组6o和NIR面阵探测器6p。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第六种可能的实现方式中，所述望远镜用于将大气光谱辐射成像在所述刀口狭缝2b上，所述刀口狭缝2b用于将透射的光透射在所述第二分色片6b，所述第二分色片6b用于将光信号分光至所述UVIS和所述NIR光谱仪进行光谱成像；所述刀口狭缝2b还用于用于将光信号反射至所述第一分色片4b分光，所述第一分色片4b用于将光信号分光至所述UVIS和所述NIR光谱仪进行光谱成像，所述UV光谱仪用于通过所述UV狭缝4d进行色散，所述SWIR光谱仪用于通过所述SWIR狭缝5b进行色散。

也就是说，本申请实施例中获取光信号的流程如下：大气光谱辐射经过望远镜成像在刀口狭缝2b上，从此狭缝透射的光再经过第二分色片6b分光后分别进入UVIS光谱仪和NIR光谱仪，分别经过UVIS和NIR光谱仪进行光谱成像。在此刀口狭缝2b一侧，反射的UV和SWIR的光，经过第一分色片4b分光后分别进入UV和SWIR光谱仪，UV和SWIR光谱仪分别通过狭缝后在各自单独的光栅上进行色散。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第七种可能的实现方式中，所述刀口狭缝2b用于将UV光信号反射，所述UV光信号经过所述第一准直透镜4a准直、所述第一分色片4b分光后由聚焦镜成像在所述UV狭缝4d上，从所述UV狭缝4d出射后经过所述折转镜4e折转、所述准直镜4f准直、所述UV光栅4g色散后由成像镜4h组成像在所述UV面阵列探测器4i上。

也就是说，本申请在第一方面的第七种可能的实现方式中获取光信号的流程如下：UV光经过镜道经过刀口狭缝2b反射，经过第一准直透镜4a准直、第一分色片4b分光后由聚焦镜成像在UV狭缝4d上，从UV狭缝4d出射后经过折转镜4e折转、准直镜4f准直、UV光栅4g色散后由成像镜4h组成像在面阵列探测器4i上。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第八种可能的实现方式中，所述刀口狭缝2b用于将SWIR光信号进行反射，所述第一准直透镜4a用于对反射的SWIR光信号进行准直，所述第一分色片4b用于对光信号进行分光，所述中继系统5a用于将所光信号成像在所述SWIR狭缝5b上，从所述SWIR狭缝5b出射的光经过所述折转镜5c折转、所述SWIR准直透镜5d准直、所述浸没光栅色散5e后，由所述成像镜5f成像在所述SWIR面阵探测器5g上。

也就是说，本申请在第一方能的第八种可能的实现方式中获取光信号的流程如下：从刀口狭缝2b反射的SWIR的光经过第一准直透镜4a准直、第一分色片4b分光后经过中继系统5a成像在SWIR狭缝5b上，从SWIR狭缝出射的光经过折转镜5c折转、SWIR准直透镜5d准直、浸没光栅色散5e后，由成像镜5f成像在SWIR面阵探测器5g上。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方能的第九种可能的实现方式中，所述望远镜用于将大气光谱辐射成像在所述刀口狭缝2b上，所述刀口狭缝2b用于将透射的光透射在所述第二分色片6b，所述第二分色片6b用于将光信号分成UVIS波段和NIR波段，两个波段的光分别经过折转镜折转、准直镜准直后分别入射到UVIS光栅6g和NIR光栅6n上，再经过成像透镜组分别成像到面阵探测器上。

也就是说，本申请在第一方能的第九种可能的实现方式中获取光信号的流程如下：从望远镜的刀口狭缝2b透射的光经过第二分色片6b分成UVIS波段和NIR波段，两个波段的光分别经过折转镜折转、准直镜准直后分别入射到UVIS光栅6g和NIR光栅6n上，再经过成像透镜组分别成像到面阵探测器上。

现有的大气监测仪主要针对臭氧的监测，波段较窄，对其他大气痕量气体监测的很少；空间分辨率低，不能对污染源进行精确定位，很多仪器的全球覆盖性不足；回访周期长，时间分辨率低；结构复杂等问题，本申请提出一种宽空间覆盖范围、高空间分辨率、宽波段、高光谱分辨率的综合光学监测系统。

基于上述技术方案，本申请可以取得以下的有益效果：

本申请实施例的综合光学监测系统中的望远镜具有超宽视场，采用自由曲面离轴反射光学设计方法，望远镜视场大于100°，视场超大，采用自由曲面进行优化设计以满足望远镜成像质量要求。相对于同类仪器，增大视场可以提高探测幅宽，从而大大增加对地时间分辨率。

本申请实施例的光学监测系统具有高空间分辨率(7km×7km)，远优于同类仪器。具有更好的探测效果和污染源精确定位。

本申请实施例的光学监测系统的光谱范围覆盖的波段宽，包括紫外(Ultra-Violet)、可见(Visible)、近红外(Near Infrared)和短波红外(Short Wave Infrared)波段，可探测大气成分的种类多，且光谱分辨率高。

为了提高测量的可靠性和辐射定标精度，本申请实施例中加入了消偏器，降低仪器对入射光偏振态的敏感性，本申请实施例中的消偏器工作波段宽，覆盖270～2385nm，色差小。

本申请实施例中的SWIR光谱仪采用浸没光栅分光，利用浸没光栅，SWIR光谱仪的体积可显著减小。

本申请实施例中共包含四台光谱仪，望远镜设计符合宽波段的成像要求，四台光谱仪共用一台望远镜，大大减小所需体积和重量，结构紧凑。

附图说明

图1为本申请一个实施例的光学监测系统的示意性结构图。

图2为本申请一个实施例光学监测系统中的望远镜的示意性结构图。

图3为本申请一个实施例的光学监测系统的示意性框图。

图4为本申请一个实施例光学监测系统中的UV光谱仪的示意性结构图。

图5为本申请一个实施例光学监测系统中的SWIR光谱仪的示意性结构图。

图6本申请一个实施例光学监测系统中的UVIS光谱仪和NIR光谱仪的示意性结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

如图1和图2所示，本申请实施例提供的综合光学监测系统是基于天底观测方式的星载成像系统，采用推扫成像的工作方式进行大气痕量气体探测。主要结构包括前置望远镜和四台光谱仪。

在本申请实施例中，超大视场望远镜由离轴自由曲面反射镜主镜1和次镜2和宽波段消偏器2a组成，视场为108°。选择的工作波段为UV(270-320nm)、UVIS(310-500nm)NIR波段(675-775nm)和SWIR波段(2305-2385nm)，共有四个波段的光谱仪，每个光谱仪主要包括：UV光栅4g，UV探测器4i；SWIR光栅5e，SWIR探测器5g；NIR光栅6n，NIR探测器6p；UVIS光栅6g，UVIS探测器6i，这四个光谱仪共用一个望远镜。轨道高度按824km计算，穿轨方向幅宽为2600km，空间分辨率7km×7km，每天可获得一次全球覆盖。

超宽覆盖高分辨率空气质量和气候监测仪主要技术指标如下：

(1)工作波段：

紫外-可见波段：270-500nm

近红外波段：675-775nm

短波红外波段：2305-2385nm

(2)光谱分辨率：0.25nm～1.0nm

(3)空间分辨率：8.5mrad～34mrad(7km～[email protected]＝824km)

(4)视场：≥108°(幅宽：≥[email protected]＝824km)；

如图3所示，本发明获取光信号流程如下，大气光谱辐射经过望远镜成像在刀口狭缝上2b，从此狭缝透射的光再经过第二分色片6b分光后分别进入UVIS光谱仪和NIR光谱仪，分别经过UVIS和NIR光谱仪进行光谱成像。在此刀口狭缝2b一侧，反射的UV和SWIR的光，经过第一分色片4b分光后分别进入UV和SWIR光谱仪，UV和SWIR光谱仪分别使用各自单独的光栅进行色散。

如图4所示，波长为270-320nm的UV光经过镜道经过刀口狭缝2b反射，经过第一准直透镜4a准直、第一分色片4b分光后由聚焦镜成像在UV狭缝4d上，从UV狭缝4d出射后经过折转镜4e折转、准直镜4f准直、UV光栅4g色散后由成像镜4h组成像在面阵列探测器4i上。UV光谱仪光学系统包扩：望远镜、刀口狭缝2b、第一准直透镜4a、第一分色片4b、UV聚焦镜4c、UV狭缝4d、UV折转镜4e、UV准直镜4f、UV光栅4g、UV成像镜4h、UV面阵列探测器4i。

如图5所示，波长为2305-2385nm的SWIR光从刀口狭缝2b反射后，经过第一准直透镜4a准直、第一分色片4b分光后经过中继系统5a成像在SWIR狭缝5b上，从SWIR狭缝出射的光经过折转镜5c折转、SWIR准直透镜5d准直、浸没光栅5e色散后，由成像镜5f成像在SWIR面阵探测器5g上。SWIR光谱仪光学系统包括：望远镜、刀口狭缝2b、第一准直透镜4a、第一分色片4b、中继系统5a、SWIR狭缝5b、SWIR折转镜5c、SWIR准直透镜5d、浸没光栅5e、SWIR成像镜5f、SWIR面阵探测器5g。其中为了减小SWIR光谱仪的体积，SWIR波段采用浸没光栅，选取硅基底，折射率n≈3.42，则体积可以缩小为约1/40。

如图6所示，从望远镜的刀口狭缝2b透射的光经过第二分色片6b分成波长范围为310-500nm的UVIS波段光和波长范围为675～775nm的NIR波段光，两个波段的光分别经过折转镜折转、准直镜准直后分别入射到UVIS光栅6g和NIR光栅6n上，再经过成像透镜组分别成像到面阵探测器上。UVIS光谱仪光学系统包括：望远镜、刀口狭缝2b、第二分色片6b、UVIS折转镜6c、6d和6e、UVIS准直镜6f、UVIS光栅6g、UVIS成像透镜组6h、UVIS面阵探测器6i。NIR光谱仪光学系统包括：望远镜、刀口狭缝2b、第二分色片6b、NIR折转镜6j和6k、NIR准直镜6l、NIR折转镜6m、NIR光栅6n、NIR成像透镜组6o、NIR面阵探测器6p。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者第二设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。