[發明專利]一種寬譜段高分辨光譜干涉測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201810214246.7
• 申請日: 2018-03-15
• 公開（公告）號: CN108507679B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 嚴強強;魏儒義;陳莎莎;于建東;王帥
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J3/45
• 分類號: G01J3/45;G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明屬于光學探測領域，特別涉及一種寬譜段高分辨光譜干涉測量方法及裝置。首先將目標光準直后色散至探測器行像元或列像元上；然后將沿探測器行像元或列像元方向色散的光譜按照不同譜段反射至同一平面的不同位置；再將步驟二中反射光束準直后進入干涉模塊獲得干涉條紋；再將干涉條紋沿與干涉條紋垂直方向壓縮；最后將壓縮后的干涉條紋沿探測器行像元方向或列像元方向進行二次色散，獲得高分辨光譜干涉條紋。解決了寬譜段高分辨率光譜干涉受到探測器行或者列像元數限制、交叉色散導致光譜譜線彎曲等的問題，實現一種寬譜段，高精度，高信噪比的視向速度探測方案。

技術領域

本發明屬于光學探測領域，特別涉及一種寬譜段高分辨光譜干涉測量方法及裝置。

背景技術

光譜探測技術是獲取物質結構和化學組成、物質元素含量測定以及研究原子能級、光學信號頻移探測的重要手段，目前已經在工農業生產、科學研究、環境監測、航空航天遙感、天文觀測等領域有著廣泛的應用。干涉測量技術是光學測量中應用最廣泛的技術之一，是實現高精度測距、微弱信號探測、激光光刻、光學調控、大氣成分測量等技術的重要手段，應用領域廣泛。光譜和干涉相結合的色散延遲干涉技術作為一種新的測量技術被應用于視向速度的測量，而視向速度法是系外恒星特征探測，系外行星探測，宇宙微弱信號檢測，大氣中高層風場測量等用到的主要方法之一。

目前，實現視向速度法的主要技術方法有兩種：一種利用高分辨率交叉色散階梯光柵光譜儀，另一種利用相干色散光譜儀。前者的核心組件是高分辨率階梯光柵；后者則由一個干涉儀和后色散器件組成。這兩種測量方法的主要區別在于，前者通過高分辨階梯光柵實現高級次衍射，使用多個衍射級次實現譜段展寬，再經過棱鏡交叉色散達到寬譜段高分辨率光譜，通過直接測量因多普勒效應產生的恒星光譜譜線的位置移動，計算恒星的視向速度信息；而后者是通過中色散或低色散光柵色散的方法將恒星光線通過干涉儀獲得的干涉條紋進行色散，通過干涉條紋的相位移動來計算視向速度信息。這兩種儀器在系外行星探測方、大氣風場測速方面具有各自的優勢，前者光譜分辨率高，直接測量獲得目標的光譜數據，數據直觀，計算簡單；但高色散導致單個探測器像元的接收的能量弱，系統信噪比低，同時，由于對不同波長光波的色散能力不同，交叉色散導致光譜譜線彎曲較為嚴重，導致了觀測誤差的增大，并且高精度交叉色散探測系統對觀測環境要求非常高，從而極大的增加了觀測成本，從各方面限制了該技術的發展。后者光譜分辨率低，單個像元接收能量較高，信噪比高，恒星光譜的位移通過干涉儀轉換到干涉條紋相位的變化，而較大的干涉光程差實現了對光譜偏移量的放大，并且后者對觀測環境的要求較低，技術可實現性好；但后者的數據處理比較復雜，并且，后者在色散過程中光譜精度和光譜范圍受到探測器行或列像元數量的限制，導致光譜色散分辨率低、觀測光譜范圍窄等問題。

目前，解決探測器像行或列像元數量限制儀器光譜分辨率和光譜測量范圍的方法是：采用中低分辨率光柵+棱鏡交叉色散的方案。但在這一方案中，棱鏡色散方向和條紋方向是相同的，由于棱鏡對不同波長的色散能力是不同的，因此色散過程中，會使不同波長的條紋產生不同大小的移動量，這種條紋移動會經過探測器采樣，會導致探測器采樣條紋的對比度下降。而相干色散探測技術中的關鍵點就在于條紋的提取，對比度下降會嚴重影響儀器的探測精度。另一方面，交叉色散導致光譜譜線的彎曲方向和干涉條紋分布方向一致，這種彎曲導致了條紋相位的變化，從而給干涉條紋的相位變化引入了額外的誤差量，進一步造成測量精度的降低。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提出一種寬譜段高分辨光譜干涉技術及裝置。解決了寬譜段高分辨率光譜干涉受到探測器行或者列像元數限制、交叉色散導致光譜譜線彎曲等的問題，實現一種寬譜段，高精度，高信噪比的視向速度探測方案。

為了解決現有方案存在的問題，本發明采用的技術方案是提供一種寬譜段高分辨光譜干涉測量方法，包括以下步驟：

步驟一：將目標光準直后色散至探測器行像元或列像元上；

步驟二：將沿探測器行像元或列像元方向色散的光譜按照不同譜段反射至同一平面的不同位置；