[发明专利]一种昼气辉温度光度计及其探测气辉光谱强度和温度的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种昼气辉温度光度计，以及其探测气辉光谱强度和温度的方法，属高层大气探测技术领域。

背景技术:

利用全天时自然发光的气辉作为光源来被动遥感探测大气特性（温度、风速、发光强度、微量粒子密度和丰度）是研究高层大气物理学的主要手段。

对于夜气辉的发光强度及温度的探测较为成熟。通常采用转动谱线测温法，它借助由窄带干涉滤光片及光电倍增管或CCD(Charge Coupled Device)组成的光度计来实现，温度的探测精度达1K，同时能获取发光成分的体发射率信息及动力学特征。具有代表性的仪器有加拿大York大学的R.H.Wiens等人1989年研制的MORTI（Mesopause Oxygen Rotational Temperature Imager），以及1997年对该仪器进行改进后的SATI（Spectral Airglow Temperature Imager）。日本K.Shiokawa等人2007年研制了具备12个通道及更高探测灵敏度的同类仪器。中国中科院空间科学与应用研究中心也于1996年成功地研制了一台倾斜滤光片光度计探测曙暮气辉和夜气辉。

对于昼气辉的发光强度及温度的探测尚有一定的局限性。由于白天日光的强度比气辉发射强度大出几个量级，如果仪器不够灵敏，则昼气辉的信号就被淹没在日光中。目前，国际上通常借助高分辨率的光谱仪器，对日光及晴空分别进行拍摄，从两次拍摄的对比结果中提取昼气辉的发光信息。具有代表性的仪器有印度的Narayanan等人利用一个FP标准具（Fabry–Perot etalon）耦合一个新型的掩光系统同时获取日光和晴空光谱信息，从而反演出昼气辉的发光强度信息。美国的Pallamraju等人于2002年和2012年分别研制了单通道的地基高分辨率成像光谱仪（HIRISE:a ground-based high-resolution imaging spectrograph using echelle grating）以及多通道成像光谱仪（MISE:a multiwavelength imaging spectrograph using echelle grating），均利用了一块阶梯光栅对目标光源进行衍射分光，获取精细的光谱信息来反演昼气辉的发光强度信息。国内对于昼气辉的探测尚处于起步阶段。

因此，虽然夜气辉探测仪器能够同时探测气辉的发光强度和温度，但由于较低的光谱分辨能力，不能够用于昼气辉的探测；而昼气辉探测仪器尽管具备很高的光谱分辨能力，但不能够探测气辉的温度这一重要的参数。

发明内容：

本发明的目的是提供一种昼气辉温度光度计，将阶梯光栅和窄带干涉滤光片有机结合作为核心器件，利用高分辨率光谱法和转动谱线测温法对高层大气中昼气辉的发光强度及温度进行同时探测。

本发明的另一目的是利用上述的昼气辉温度光度计，探测高层大气昼气辉的光谱强度和温度的方法，显著提高仪器效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种昼气辉温度光度计，包括依次设置的四个部分：导光系统、望远系统、分光系统、成像系统和外壳，其中，导光系统由指向镜1和精密旋转平台2组成，指向镜1被固定在精密旋转平台2上；望远系统依次由光学窗口3、望远镜头4和可调节机械狭缝5组成；分光系统依次由平面反射镜A6、凹面反射镜A7、窄带干涉滤光片8、微角度步进电机9和阶梯光栅10构成，其中平面反射镜A6与凹面反射镜A7相对放置，同时阶梯光栅10与凹面反射镜A7也相对放置；窄带干涉滤光片8与微角度步进电机9组成滤光单元固定在凹面反射镜A7与阶梯光栅10之间；成像系统由凹面反射镜B11、平面反射镜B12和面阵CCD探测器13组成，凹面反射镜B11与阶梯光栅10相对放置，凹面反射镜B11和平面反射镜B12也相对放置，平面反射镜B12与面阵CCD探测器13相对且等高放置。

该昼气辉温度光度计还设有外壳14，以上四个部分被固定在外壳14中。

从所述可调节机械狭缝5到凹面反射镜A7反射点的距离与从阶梯光栅10中心点到凹面反射镜A7反射点的距离相等，均为凹面反射镜A7的焦距；从凹面反射镜B11反射点到阶梯光栅10中心点的距离与从凹面反射镜B11反射点到面阵CCD探测器13的距离相等，均为凹面反射镜B11的焦距。

阶梯光栅10的入射角为60°～70°。

窄带干涉滤光片8安装微角度步进电机9输出轴上；窄带干涉滤光片8半高宽在0.2～0.8nm之间，有效通光孔径为48mm，最大微旋转角度为15°。