一種多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置的制作方法

本發明涉及光學領域，特別是涉及一種多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置。

背景技術：

光穿過整層大氣時會因大氣的吸收、散射等作用而衰減，其傳輸效率即整層大氣透過率，是反映大氣輻射傳輸特性的重要參數，對激光傳輸、激光通信、激光雷達和大氣輻射、大氣環境監測、光學遙感等問題的研究具有重要意義。

目前大氣透過率可以利用專業軟件(如MODTRAN、CART等)通過仿真，利用數值計算的方法求解得到，得到的大氣透過率很大程度上受限于軟件大氣模式的準確度，并且軟件的大氣模式一般與大氣的實際狀態不一致，因此采用該方法得到的大氣透過率準確性低、實時性差。

相比于數值模式計算，進行直接測量是得到整層大氣透過率最直接且最有效的途徑。目前直接測量整層大氣透過率的裝置：大多針對白天時段，以太陽為目標光源進行測量；也有少數裝置是以恒星為目標光源進行測量，但因白天測量信噪比不好等原因，一般針對夜晚時段。因此，都存在測量不連續，無法晝夜實時測量大氣透過率，致使大氣透過率測量實時性差。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置，以解決現有測量方法中無法連續對晝夜整層大氣透過率進行測量，從而導致大氣透過率測量實時性差的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置，所述裝置包括：恒星跟蹤平臺，鏡蓋，N個光楔，N個濾光片，光闌和電荷耦合元件，N為正整數；

所述恒星跟蹤平臺包括望遠鏡，用于實時跟蹤恒星進行測量；

所述望遠鏡前安裝所述鏡蓋，所述鏡蓋包括N個通光孔；

所述N個光楔位于所述鏡蓋與所述望遠鏡之間，所述鏡蓋的N個通光孔與所述N個光楔一一對應，所述光楔用于將通過所述N個通光孔的N條光束向背離光楔分布中心的方向偏折，所述光楔分布中心為所述N個光楔組成的平面圖形的幾何中心；

所述N個濾光片安裝于所述望遠鏡之后，位于所述望遠鏡的焦平面之前，用于對經過所述N個光楔進入所述望遠鏡的N條光束進行濾光；

所述光闌位于所述N個濾光片之后，所述光闌包括N個通道，所述N個通道與所述N個濾光片一一對應，所述N個通道用于分別傳輸經過所述N個濾光片的N條光束；

所述電荷耦合元件安裝于所述光闌之后，所述電荷耦合元件的接收靶面與所述望遠鏡的焦平面重合；

所述恒星的光束通過所述鏡蓋的N個通光孔，分為N條光束，每一條光束的傳播路徑為：通過一個所述光楔后進入所述望遠鏡，然后依次通過一個所述濾光片、所述光闌的一個通道，最后到達所述電荷耦合元件的接收靶面，成像為一個光斑；所述N條光束在傳播過程中經過的所述光楔、所述濾光片、所述光闌的通道各不相同。

可選的，所述N個濾光片為窄帶濾光片。

可選的，所述裝置還包括：

所述N個濾光片與所述電荷耦合元件之間安裝有N個衰減片，所述N個衰減片與所述N個濾光片一一對應，所述N個衰減片的透過率與在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度值成反比，所述N個光斑為未安裝所述N個衰減片時，經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑。

可選的，所述N個通光孔的直徑大小與在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度成反比，所述N個光斑為當所述N個通光孔直徑相同時，經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑。

一種多波長晝夜整層大氣透過率實時測量方法，所述方法包括：

調節恒星跟蹤平臺，使得所述恒星跟蹤平臺的望遠鏡實時跟蹤恒星；所述恒星跟蹤平臺包括望遠鏡，用于實時跟蹤恒星進行測量；所述望遠鏡前安裝鏡蓋，所述鏡蓋包括N個通光孔，N為正整數；所述鏡蓋與所述望遠鏡之間還包括N個光楔，所述鏡蓋的N個通光孔與所述N個光楔一一對應，所述光楔用于將通過所述N個通光孔的N條光束向背離光楔分布中心的方向偏折，所述光楔分布中心為所述N個光楔組成的平面圖形的幾何中心；所述望遠鏡之后還包括N個濾光片，所述N個濾光片位于所述望遠鏡的焦平面之前，用于對經過所述N個光楔進入所述望遠鏡的N條光束進行濾光；所述N個濾光片之后包括光闌，所述光闌包括N個通道，所述N個通道與所述N個濾光片一一對應，所述N個通道用于分別傳輸經過所述N個濾光片的N條光束；所述光闌之后安裝有電荷耦合元件，所述電荷耦合元件的接收靶面與所述望遠鏡的焦平面重合；恒星的光束通過所述鏡蓋的N個通光孔，分為N條光束，每一條光束的傳播路徑為：通過一個所述光楔后進入所述望遠鏡，然后依次通過一個所述濾光片、所述光闌的一個通道，最后到達所述電荷耦合元件的接收靶面，成像為一個光斑；所述N條光束傳播過程中經過的所述光楔、所述濾光片、所述光闌的通道各不相同；

獲取所述電荷耦合元件的接收靶面上N個光斑的亮度，N為正整數，所述N個光斑為光束依次經過所述鏡蓋的N個通光孔，N個光楔，望遠鏡，N個濾光片，光闌的N個通道，到達所述電荷耦合元件接收靶面的N個光斑；

根據所述N個光斑的亮度，獲取所述N個光斑對應的N個波長光束的整層大氣透過率。

可選的，所述調節恒星跟蹤平臺，使得所述恒星跟蹤平臺的望遠鏡實時跟蹤恒星，之后還包括：

獲取黑體輻射和恒星色溫；

根據所述黑體輻射和恒星色溫，獲取所述恒星的光譜輻射曲線，所述光譜輻射曲線為所述恒星光束的不同波長值與對應的強度值的關系曲線；

獲取所述電荷耦合元件的光譜響應曲線，所述光譜響應曲線為所述電荷耦合元件對接收光束的響應強度隨光束波長變化的關系曲線；

獲取所述N個濾光片的透過率；

根據所述光譜輻射曲線、所述光譜響應曲線和所述N個濾光片的透過率，獲得經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度值；

根據所述N個光斑的亮度值，對應在所述N個濾光片與所述電荷耦合元件之間安裝N個衰減片，所述N個衰減片與所述N個濾光片一一對應，所述衰減片的透過率與所述N個光斑的亮度值成反比，用于減小經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度之差。

可選的，所述調節恒星跟蹤平臺，使得所述恒星跟蹤平臺的望遠鏡實時跟蹤恒星，之后還包括：

獲取黑體輻射和恒星色溫；

根據所述黑體輻射和恒星色溫，獲取所述恒星的光譜輻射曲線，所述光譜輻射曲線為所述恒星光束的不同波長值與對應的強度值的關系曲線；

獲取所述電荷耦合元件的光譜響應曲線，所述光譜響應曲線為所述電荷耦合元件對接收光束的響應強度隨光束波長變化的關系曲線；

獲取所述N個濾光片的透過率；

根據所述光譜輻射曲線、所述光譜響應曲線和所述N個濾光片的透過率，獲得當所述N個通光孔直徑相同時，經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在所述電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度值；

根據所述N個光斑的亮度值，對應設計所述鏡蓋的N個通光孔的直徑，所述N個通光孔的直徑大小與所述N個光斑的亮度值成反比，用于調節不同波長光束的通光量，減小經過所述N個通光孔、所述N個濾光片的N條光束在電荷耦合元件靶面成像的N個光斑的亮度之差。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：

本發明裝置以恒星跟蹤平臺為基礎，以恒星作為目標光源，能夠晝夜不間斷跟蹤恒星進行實時測量；窄帶濾光片后置于靠近焦平面的位置，不僅可以減小所需窄帶濾光片的尺寸，而且可以減小窄帶濾光片帶來的系統成像像差，提高成像質量；采用光楔分光和窄帶濾光片濾光的組合方式，可以根據需要同時測量多波長的整層大氣透過率；在窄帶濾光片與電荷耦合元件之間安裝對應數量通道的光闌，有效抑制了背景噪聲，提高了尤其是白天測量時的成像信噪比。通過以上手段，實現了多波長晝夜整層大氣透過率實時測量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置結構圖；

圖2為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置整體外觀圖；

圖3為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置中鏡蓋示意圖；

圖4為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置中光闌示意圖；

圖5為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量方法流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明的目的是提供一種多波長整層大氣透過率實時測量裝置，以解決現有測量方法中無法連續對晝夜整層大氣透過率進行測量，從而導致大氣透過率測量實時性差的問題。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置結構圖。如圖1所示，恒星跟蹤平臺101前安裝有含多個通光孔的鏡蓋102，通光孔個數按照實際需求而設計，鏡蓋102與恒星跟蹤平臺101之間安裝有多個光楔103，光楔個數與鏡蓋102的通光孔個數相同，且一一對應，使得光束通過鏡蓋102分為多條光束，每條光束分別通過一個對應的光楔發生偏折，光楔103的安裝方向以通過光楔的的光束均背離光楔分布中心(光楔分布中心為多個光楔組成的平面圖像的幾何中心)的方向偏折為準，光楔103作用是將通過鏡蓋102通光孔的多條光束偏折，使得多條光束之間距離增大，在焦平面成像為多個光斑，避免在焦平面聚合。

恒星跟蹤平臺101后面安裝有濾光片104，濾光片104個數為多個，與光楔103個數相同，且一一對應，使得通過光楔103的多條光束進入望遠鏡后，每條光束分別通過一個濾光片進行濾光。濾光片104通過濾光片安裝筒105安裝固定。濾光片104可以采用窄帶濾光片，使通過各濾光片的光束可以認為是單一波長的光束。濾光片104安裝平面的前后位置需要根據相關光學系統參數(望遠鏡焦距、光楔楔角、光楔分布、濾光片尺寸等)來確定，且其分布要與光楔103的分布對應，使穿過光楔103的多條光束分別經過對應的濾光片104的中心。

在濾光片104后安裝帶通道的光闌106，光闌106的通道與濾光片104-一對應，使得通過濾光片104的多條光束通過光闌106的多個通道分別傳播。光闌106后面安裝有電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)1011，CCD1011的靶面與恒星跟蹤平臺101中望遠鏡的焦平面重合，使得經過各組光楔103和濾光片104的多條光束分別在CCD靶面上清晰成像，之后通過標定CCD1011測量各波長光斑的亮度值，即可計算得到多條光束對應波長的整層大氣透過率。通過跟蹤軟件，可實現多波長整層大氣透過率的連續測量。多通道光闌106起到抑制天空背景的作用，能夠顯著提高成像信噪比，有利于白天觀測。

為了減少組件的占用空間，本發明采用兩段光闌，如圖1所示，光闌106和光闌1010，分別安裝在直角棱鏡109前、后的兩段光路中。光束從直角棱鏡109的直角面入射至斜面上，經過全反射由另一直角面射出，將光闌1010和采集CCD1011的安裝方向改為橫向安裝，能夠減少對望遠鏡后部空間的占用，在結構上允許望遠鏡有更高的仰角而不與恒星跟蹤平臺干涉。直角棱鏡109通過直角棱鏡安裝架107和直角棱鏡壓板108固定，光闌106、光闌1010和CCD1011均由直角棱鏡安裝架107固定。裝置安裝后的外觀圖如圖2所示。

恒星的光束通過鏡蓋102，分為多條光束，每條光束經過光楔103發生背離分布中心(光楔組成的平面圖形的幾何中心)的偏折，進入望遠鏡，然后通過濾光片104過濾為多條單一波長的光束，通過光闌106抑制天空背景，最后到達CCD1011成像，在其靶面成像為光斑。由于鏡蓋的通光孔、光楔、濾光片、光闌通道一一對應，所以通過鏡蓋102分為多條光束的每條光束傳播過程中經過的光楔、濾光片、光闌通道各不相同。

圖3為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置中鏡蓋示意圖，鏡蓋包括第一通光孔301、第二通光孔302、第三通光孔303、第四通光孔304。

由于恒星輻射的強度有很大的光譜差異，尤其是大氣透過率測量中較為關心的幾種波長的輻射強度有量級的差別。因此若不加處理直接探測星光各光譜的強度，在CCD靶面成像的光斑亮度會差距很大，可能導致有的波長的光斑已強至飽和，有的波長的光斑還弱至無法辨別，這樣會影響部分波長整層透過率測量的準確性，甚至測量不出數據。因此，通光孔的直徑設計為：根據黑體輻射和恒星色溫計算得到恒星的光譜輻射曲線，光譜輻射曲線為所述恒星光束的不同波長值與對應的強度值的關系曲線，利用CCD對各波長的光譜響應曲線(光譜響應曲線為所述電荷耦合元件對接收光束的響應強度隨光束波長變化的關系曲線)、各波長窄帶濾光片的透過率，計算得到各波長光線經過光學系統并引起CCD響應的強度值(各光斑亮度)，根據計算結果，望遠鏡前安裝的鏡蓋上按比例開直徑大小不同的通光孔，增大響應較弱(光斑亮度低)波長的光線進入望遠鏡的通光量，減小響應較強(光斑亮度高)波長的光線進入望遠鏡的通光量，最終使各波長光束在CCD靶面成像的光斑亮度盡量接近。

當鏡蓋的通光孔的直徑設計為相同時，可以在各波長濾光片后部加裝不同透過率的衰減片，衰減量根據各個波長的光線經過光學系統后引起CCD響應的強度關系計算得到，最終使各波長在CCD靶面成像的光斑亮度盡量接近。

圖4為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量裝置中光闌示意圖，光闌包括第一通道401、第二通道402、第三通道403、第四通道404。每個通道與濾光片一一對應。

圖5為本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量方法流程圖。采用如圖1所示的裝置進行測量，如圖5所示，測量方法包括：

步驟501：調節恒星跟蹤平臺，使恒星跟蹤平臺實時跟蹤恒星，獲得測量的數據；

步驟502：獲得CCD靶面的光斑亮度。通過采用圖1所示的裝置，CCD靶面的光斑是清晰的，從而采用專業軟件，計算各光斑的亮度。

步驟503：根據各光斑的亮度計算對應波長的大氣透過率。具體計算時，首先標定得到標準亮度與大氣透過率的對應關系，然后根據測得的各光斑的亮度值，便可得到不同波長的光斑對應的大氣透過率。

本發明多波長晝夜整層大氣透過率實時測量的具體實施例，采用如圖1所示的裝置結構，計算532nm、670nm、880nm、940nm四種波長對應的整層大氣透過率：

高精度恒星跟蹤平臺，跟蹤精度可達10"，能夠晝夜跟蹤星圖庫中存儲的恒星進行光學測量，穩定性好。望遠鏡采用12"施密特-卡塞格林折返式望遠鏡，既有口徑大、采光好的特點，又有高質量和高分辨率的成像性能。

望遠鏡鏡蓋開有四個通光孔，根據黑體輻射和恒星色溫計算得到恒星的光譜輻射曲線，光譜輻射曲線為恒星光束的不同波長值與對應的強度值的關系曲線，利用采集CCD的光譜響應曲線(采集CCD的光譜響應曲線為CCD對接收光束的響應強度隨光束波長變化的關系曲線)、各波長窄帶濾光片的透過率，計算得到恒星光源中四種波長(532nm、670nm、880nm、940nm)光線經過光學系統在采集CCD靶面成像的四個光斑亮度。為了使各波長在采集CCD靶面成像的光斑亮度盡量接近，對應設計通光孔的直徑大小，光斑亮度值越大，通光孔直徑越小；或者對應在濾光片后添加衰減片，光斑亮度值越大，衰減片的透過率越低。以設計通光孔直徑為例，望遠鏡鏡蓋按如圖3所示開有四個大小不同的通光孔(100mm、80mm、60mm、50mm)，越大的通光孔對應光斑亮度值越小的窄帶濾光片。

光楔使光線通過光楔后發生偏折，在望遠鏡焦平面前成為多束有一定相互間距的光線、在望遠鏡焦平面(即CCD靶面)處成像為多個獨立的光斑；直徑105mm，為所選望遠鏡所容許安裝的最大尺寸，盡量增大了響應較弱波長光線的通光量。

濾光片選取直徑25.4mm的四種波長(532nm、670nm、880nm、940nm)的窄帶濾光片，帶寬均為10nm，使通過各濾光片的光線可以認為是單一波長的光線。

光闌分為前后兩段，分別安裝在直角棱鏡前、后的兩段光路中。光闌為四通道，每一通道均對應著一組光楔和窄帶濾光片，即光線通過窄帶濾光片后，每束單一波長的光線經過光闌的一條通道最終到達采集CCD靶面成像。光闌每通道均與其他通道隔開，有效抑制了尤其是白天的背景噪聲，提高了成像信噪比，有利于白天觀測。

在兩段光闌之間安裝一塊30mm的直角棱鏡，光線從直角面入射至斜面上，經過全反射由另一直角面射出，將第二段光闌和采集CCD的安裝方向改為橫向安裝，能夠減少對望遠鏡后部空間的占用，在結構上允許望遠鏡有更高的仰角(本實施例中望遠鏡能夠轉至垂直向上)而不與恒星跟蹤平臺干涉。

采集CCD選用AVT公司的GT1920CCD，對所要測量的四種波長(532nm、670nm、880nm、940nm)都有較為靈敏的響應；且測量靶面大，信噪比良好。

本實施例裝置的一種具體實施方式如下：

(1)在高精度恒星跟蹤平臺的望遠鏡前安裝四通光孔的鏡蓋，鏡蓋上的通光孔直徑分別為100mm、80mm、60mm、50mm。在四個通光孔后分別安裝四片光楔，光楔的安裝方向以使通過光楔的光束均背離四片光楔分布中心偏折為準。

(2)利用望遠鏡尾部的螺紋，在望遠鏡內部合適位置安裝532nm、670nm、880nm、940nm四種波長的窄帶濾光片，每片窄帶濾光片對應一個通光孔，其中，532nm窄帶濾光片對應50mm通光孔，670nm窄帶濾光片對應60mm通光孔，880nm窄帶濾光片對應80nm通光孔，940nm窄帶濾光片對應100mm通光孔。

(3)同樣利用望遠鏡尾部的螺紋，在望遠鏡后部安裝直角棱鏡安裝架，其上安裝直角棱鏡，使一直角面垂直于望遠鏡的光軸，另一直角面的法線指向采集CCD。在直角棱鏡之前的光路上，利用直角棱鏡安裝架安裝第一段光闌；在直角棱鏡與采集CCD之間的光路上，利用直角棱鏡安裝架安裝第二段光闌；光闌的每個通道都對應著一組光楔和窄帶濾光片，作為通過該組光楔和窄帶濾光片的光束的通光路徑。

(4)在第二段光闌之后，將采集CCD安裝在直角棱鏡安裝架上，確保四種波長在CCD靶面成像的光斑在CCD視場的中心位置。

測量時，首先操作高精度恒星跟蹤平臺使其處于對某一合適恒星的跟蹤狀態；調節采集的曝光時間和系統的焦距使采集CCD靶面成像的光斑清晰；采集CCD測量各波長成像光斑的亮度；根據標定的結果，計算即可得到四種波長的整層大氣透過率。通過跟蹤軟件，可實現四波長晝夜整層大氣透過率的實時測量。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。