[發明專利]一種用于臨近空間探測的分體式光譜溫度儀及大氣溫度反演方法

有效

• 申請號: 202011490565.4
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112665748B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 郜海陽;廖淑君;康佳慧;寇蕾蕾;卜令兵
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 蘇虹

本發明公開了一種用于臨近空間探測的分體式光譜溫度儀及大氣溫度反演方法，光譜溫度儀的主體光學結構設計為分體式結構，包括收光子系統和光譜檢測子系統，同機定標子系統并不是獨立存在，耦合在光譜檢測子系統中；并以分體式光譜溫度儀為探測載體，提出一種基于合成光譜循環差值最小化的臨近空間大氣溫度反演方法，從實際觀測的圖像數據中精確反演臨近空間的大氣溫度，可應用于臨近空間頂部區域溫度場的組網觀測。

技術領域

本發明涉及臨近空間探測領域，特別是涉及一種光譜溫度儀及大氣溫度反演方法。

背景技術

臨近空間(一般指地球上空20～100km的區域)的研究逐漸引起人們的重視，溫度是臨近空間頂部區域的一個重要的基本狀態參量，可以用于研究該區域各種尺度的動力過程，也可用于評估地球的長期氣候變化，同時也用于空間環境的保障工作。因此，對溫度實施精確和長期的觀測一直是該領域的重要任務之一。

目前，已經開發出了多種技術手段對臨近空間頂部區域的溫度進行觀測，不僅有多臺專門用于觀測全球溫度場分布的星載儀器，還有高精密的熒光激光雷達和流星雷達等主動遙感的地基儀器，另外，一些基于光譜技術的被動遙感儀器也以其靈活性開始實施大范圍的組網觀測。多種探測手段的結合，使得人們在諸多科學問題和應用領域中取得了長足的進步。

隨著研究的不斷深入，想要進一步推動臨近空間領域的科學研究和應用水平，對溫度場實施有效的大范圍高密度的組網觀測是一個重要的發展趨勢。但是，基于光譜光度計原理探測氣輝轉動溫度的儀器傳統結構具有很大的局限性，并不能完全滿足組網觀測的需求，從而阻礙了在組網觀測中有效和廣泛的應用。

發明內容

發明目的：針對臨近空間頂部區域溫度探測在技術、方法和數據反演上的局限性，以及被動光學遙感技術在大規模高密度組網中的應用需求，本發明的目的之一是提供一種提供一種用于臨近空間探測的分體式光譜溫度儀，由收光子系統與光譜檢測子系統構成，同時配備同機定標系統，不僅在靈敏度、光學結構、儀器性能穩定性和溫度反演準確性方面均有提升，而且由于其靈活的結構特點，使其具有很強的外場觀測環境適用性；

本發明的目的之二是以分體式光譜溫度儀為探測載體，提出一種基于合成光譜差值循環的臨近空間大氣溫度反演方法，從實際觀測的圖像數據中精確反演臨近空間的大氣溫度，從而為臨近空間頂部區域溫度場的組網觀測提供一種全新和更加實用的技術手段。

技術方案：本發明提供的一種用于臨近空間探測的分體式溫度儀，其主體光學結構設計為分體式結構，主要包括收光子系統和光譜檢測子系統，而同機定標子系統并不是獨立存在，而是耦合在光譜檢測子系統中。

收光子系統包括進光筒、嵌于進光筒內壁的若干第一遮光環、以及設于進光筒內部的菲涅爾透鏡和光纖光錐，光纖光錐位于菲涅爾透鏡的下方；第一遮光環的內環通孔直徑由上至下逐漸減小，且構成的傾斜角度與收光子系統的觀測立體角相同；光纖光錐的大端面朝向菲涅爾透鏡，小端面遠離菲涅爾透鏡并與導光管相連；收光子系統的進光筒配合菲涅爾透鏡和光纖光錐的大端面，形成在天頂方向±11°～±15°的觀測立體角。該觀測立體角對應天頂方向氣輝層圓形投影面的直徑約為36km～52km，這樣的設計一方面可以保證較高的溫度場水平空間分辨率，同時也具備探測小尺度重力波引起的溫度擾動量。

光譜檢測子系統包括從上至下依次設置的圓頂積分球、環形照明光纖、主光路遮光筒和成像系統；主光路遮光筒的頂端夾設有視場光闌，中部固定有主透鏡，底端夾設有窄帶干涉濾光片，主光路遮光筒的內壁嵌有若干第二遮光環；且主透鏡的上方和下方均設有若干第二遮光環，上下兩部分遮光環的內環通孔構成的傾斜角度與主體光路立體角相同；環形照明光纖設有第一連接端口和第二連接端口，導光管通過第一連接端口與環形照明光纖相連，第二連接端口連接有光纖，光纖的另一端與定標燈相連。

其中，菲涅爾透鏡的口徑范圍為200～500mm。