[發明專利]一種雙波段高光譜分辨率閃電高速成像儀

有效

• 申請號: 202011492657.6
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112556842B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 朱迪;郜海陽;王婧彧;黃上章;周恒韜;卜令兵;張其林;楊璟
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28;G01J3/45
• 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

本發明公開了一種雙波段高光譜分辨率閃電高速成像儀，包括前置光學系統、準直系統、干涉系統、后置成像系統，被測目標輻射光束被前置光學系統收集并匯聚后，入射光束經過前置準直系統準直，形成平行光入射到分束器，將入射光束分成兩束強度相等、相互垂直的兩束平行光；兩束光分別照射到雙光柵模塊中的子光柵上，在每個子光柵上發生衍射后返回，再次達到分束器重新匯合發生干涉，在光柵面位置形成定域干涉條紋，經后置光學成像系統將干涉條紋圖樣成像在成像探測器上，對被記錄的干涉圖進行傅里葉變換即可還原出被測目標的光譜信息。

技術領域

本發明涉及光譜成像設備，尤其涉及一種閃電高速成像儀。

背景技術

閃電是大氣中的高壓放電現象，其通道是由高度電離的等離子體組成，閃電的光譜信息能夠反映出通道的溫度、電子濃度和電導率等基本物理特征。光譜識別已成為研究雷電的重要工具，對閃電光譜的研究可以更好地了解大氣的成分與大氣中放電過程的機理。

目前，閃電光譜主要使用兩類方法進行觀測：一類是將有縫攝譜儀對著發射閃電的天空由狹縫接收閃電的光，國內早期以涂飛-程茂蘭(1949)的工作為代表。有狹縫攝譜儀的優點是在于它能夠精確地確定波長并且具有良好的光譜分辨率，而它的缺點是必須通過多次觀測才能產生滿意的記錄圖像，耗時較長，并不符合閃電發生過程的特殊性要求。另一類使用“物端棱鏡”型的無狹縫光譜儀，早期法國學者與匹口靈(1901)曾進行這方面工作，近年范婷婷(2017)等人分析了由無狹縫光柵攝譜儀獲取了兩次多回擊自然閃電的光譜資料，研究了閃電放電電流與通道半徑隨時間的演化特性。無狹縫光譜儀能夠對近紅外閃電實施測量，通過一次極短時間的曝光就可以對閃電記錄成像，且同時獲取光譜信息，也可用于研究閃電通道特性隨高度的變化；但受許多因素的影響，其光譜分辨率有一定局限性。

因此，盡管對閃電光譜的探測已有部分研究，但由于現有儀器固有的局限性，仍無法實現一次短時曝光即可同時獲取閃電通道形態及高分辨率光譜信息。

發明內容

發明目的：針對現有技術中的不足，本發明提出一種雙波段高光譜分辨率閃電高速成像儀，基于空間外差干涉儀的光譜成像原理，利用雙光柵模塊代替傳統設備中的單光柵來對閃電形態和光譜進行同時記錄，在能夠獲取高分辨率光譜信息的基礎上，同時保證了較高的光通量，從而可以對閃電過程實施高時間分辨率的探測。

技術方案：本發明提供的一種雙波段高光譜分辨率閃電高速成像儀，包括前置光學系統、準直系統、干涉系統、后置成像系統，前置光學系統用于接收較遠距離閃電光源的入射光線并將其進行匯聚，準直系統用于對匯聚光束進行準直，干涉系統用于將準直光束分光形成干涉條紋圖樣，后置成像系統用于將干涉圖樣進行成像，即成像于成像探測器上，從而進行后續的數據處理；所述干涉系統包括雙階梯光柵模塊和分束器，分束器放置于兩垂直光軸的焦點處，將入射光束處理為兩束傳播方向垂直且強度相同的相干光；雙階梯光柵模塊包括分別固定設置于兩臂末端的第一雙階梯光柵和第二雙階梯光柵，雙階梯光柵模塊使分離的兩束相干光發生衍射，后返回分束器重新匯合發生干涉，在光柵面位置形成定域干涉條紋。

其中，前置光學系統包括以光軸為對稱中心、依次放置的匯聚透鏡、放大透鏡，匯聚透鏡和放大透鏡組成的系統類似一個望遠鏡結構，對入射光線進行匯聚并成像。

所述前置準直系統包括以光軸為對稱中心、依次放置的光闌和準直透鏡，光闌對入射光束整形，使出射光斑變得相對勻稱后，準直透鏡對入射光束進行準直，使不規則光束變為平行光束。