專利名稱：一種fpi設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種FPI設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
FPI (法布里-帕羅干涉儀)是國(guó)際上普遍采用的一種中高層大氣風(fēng)速和溫度的被動(dòng)式光學(xué)測(cè)量設(shè)備，它通過(guò)對(duì)分布在中高層大氣中特定高度上的氣輝輻射譜線的干涉成像實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)速和溫度的測(cè)量，在大氣動(dòng)力學(xué)研究和空間天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)警方面具有重要應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)有法布里-帕羅干涉測(cè)風(fēng)儀從前端依次由氣輝接收和成像望遠(yuǎn)鏡、氣輝輻射干涉系統(tǒng)、氣輝干涉圖成像系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng)組成，它們的相對(duì)通光孔徑和視場(chǎng)角必須匹配；依據(jù)不同的探測(cè)和數(shù)據(jù)處理方式，前端望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角可以小至0.5° 10°，稱之為掃描式FPI ;也可以大至近180°，稱之為全空式FPI ;干涉系統(tǒng)由準(zhǔn)直物鏡和標(biāo)準(zhǔn)具構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)具的通光孔徑限定了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑，而它的腔間距也關(guān)聯(lián)著光學(xué)系統(tǒng)的分辨·率；成像系統(tǒng)由成像物鏡和成像CCD構(gòu)成。三個(gè)分系統(tǒng)的視場(chǎng)角要相互匹配，該視場(chǎng)角一般由前端望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角決定，也與干涉圖像中所要顯示的條紋數(shù)目，也即標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)和入射光波長(zhǎng)有關(guān)；入射光波長(zhǎng)是確定的，一旦標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)確定了，條紋數(shù)目與視場(chǎng)角成正比的關(guān)系；干涉圖像中的條紋數(shù)目過(guò)少，則圖像中所包含的測(cè)量信息量也相應(yīng)不足，影響測(cè)量的可靠性；反之，若條紋數(shù)目過(guò)多，干涉圖像的分辨率將降低，影響測(cè)量的精度。因此，條紋數(shù)目的選擇要適中，對(duì)大像面CXD可多一些，小像面CXD就相應(yīng)要少一些，例如對(duì)13*13_2像面的CCD，若選擇8條左右的干涉條紋數(shù)目，視場(chǎng)角就完全由標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)決定了，若希望視場(chǎng)角大些就選擇腔長(zhǎng)短一些的標(biāo)準(zhǔn)具，反之就選擇長(zhǎng)一些的。例如，對(duì)前端望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角為5°的掃描式FPIjf 13*13_2像面的CXD選擇腔長(zhǎng)約為2. 5mm的標(biāo)準(zhǔn)具可使干涉分系統(tǒng)的視場(chǎng)角與前端望遠(yuǎn)鏡直接匹配；但是若前端望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角過(guò)大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)就會(huì)過(guò)短，將會(huì)造成干涉條紋銳利度的實(shí)際性下降，降低數(shù)據(jù)處理精度，此時(shí)就必須用場(chǎng)鏡來(lái)銜接二者的視場(chǎng)角了。例如對(duì)全空型FPI，前端近180°的視場(chǎng)必須用場(chǎng)鏡壓縮至與所選用的標(biāo)準(zhǔn)具視場(chǎng)角匹配。FPI中，標(biāo)準(zhǔn)具通光孔徑和腔長(zhǎng)與CCD成像面尺寸對(duì)設(shè)備的光學(xué)性能具有重要的影響，原則上CCD像面和標(biāo)準(zhǔn)具孔徑越大越好，但考慮到成本因素，標(biāo)準(zhǔn)具孔徑和CCD像面尺寸受到一定的限制。標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)基本與成本無(wú)關(guān)，在保持適中的條紋銳度的前提下，可通過(guò)選擇腔長(zhǎng)來(lái)匹配視場(chǎng)角。由于氣輝輻射非常微弱，F(xiàn)PI (法布里-帕羅干涉儀)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是相對(duì)通光孔徑和圖像分辨率，前者直接決定著干涉圖像的性噪比和采集速度，后者直接關(guān)聯(lián)著數(shù)據(jù)圖像的處理精度；由于干涉和成像系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)具通光孔徑和CCD成像面尺寸的制約，通過(guò)減小各個(gè)分系統(tǒng)的物鏡焦距來(lái)提高相對(duì)通光孔徑往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率的降低；目前國(guó)際上運(yùn)行的FPI的相對(duì)通光孔徑大多在1/5左右，由于氣輝輻射很弱，具有單光子探測(cè)功能的高靈敏度和低噪聲的科學(xué)級(jí)CCD的曝光時(shí)間通常在3分鐘以上，這直接限制了探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率和性噪比，導(dǎo)致其測(cè)量精度降低，因此尋求一種好的FPI設(shè)計(jì)方法很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種FPI的設(shè)計(jì)方法，該方法綜合考慮了FPI (法布里-帕羅干涉儀)的主要技術(shù)指標(biāo)，在保證數(shù)據(jù)圖像分辨率的前提下，提出了一種優(yōu)化FPI相對(duì)通光孔徑的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高數(shù)據(jù)圖像的信噪比和采集速率具有重要意義。本發(fā)明采用的方法如下一種FPI設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟，步驟I、確定標(biāo)準(zhǔn)具的通光孔徑R、腔長(zhǎng)d和成像CXD的成像面S，R 取 50mm, d 取 15mm, S 取 6*6mm2 ；步驟2、確定視場(chǎng)角，根據(jù)步驟I確定的標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)d以及公式計(jì)算視場(chǎng)角2w,其中，干涉條紋級(jí)數(shù)Am取8,光波長(zhǎng)\取600nm, d取15mm,計(jì)算得到半視場(chǎng)角w ^ 17. 89mrad ^ I. 025°，視場(chǎng)角 2w 為 2. 05° ;步驟3、確定成像物鏡、準(zhǔn)直物鏡和望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)，成像物鏡的參數(shù)包括焦距f、孔徑r、相對(duì)通光孔徑，成像物鏡的孔徑r取為55mm ;根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種FPI設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟， 步驟I、確定標(biāo)準(zhǔn)具的通光孔徑R、腔長(zhǎng)d和成像CXD的成像面S，R 取 50mm，d 取 15mm，S 取 6*6臟2 ； 步驟2、確定視場(chǎng)角，根據(jù)步驟I確定的標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)d以及公式
全文摘要
本發(fā)明提供一種FPI設(shè)計(jì)方法，望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡采用視場(chǎng)角直接匹配的對(duì)稱設(shè)計(jì)方法，三者的光學(xué)參數(shù)均相同，使FPI光學(xué)轉(zhuǎn)換線性度高且損耗小，有利于優(yōu)化像質(zhì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和減小系統(tǒng)誤差,本發(fā)明提高了相對(duì)通光孔徑，在相同的曝光時(shí)間下，使通光量增加，提高了探測(cè)圖像的性噪比和時(shí)間分辨率，提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01P5/26GK102749476SQ20121025502
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者何平安, 張燕革, 胡國(guó)元, 艾勇 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)