安徽省光学学会

2022年11月29日 星期二

量子电子学报

2021年第3期封面文章

文章来源:作者:胡凯发布时间:2021-06-29

HU Kai, XU Liang, YANG Weifeng, et al. Optical design of solar spectrum ground-based tracking remote sensing system[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics,2021,38(3):290-300

太阳在人类生活中发挥着重要的作用,其辐射出的太阳光谱到达地面的过程中,会被大气成分吸收。因此可以利用地基设备通过遥测太阳光谱来反演大气层中污染气体的含量,这也是目前大气科学研究热点之一。其中用来测量太阳光谱的太阳掩星傅里叶红外光谱技术(SOF-FTIR),具有测量方便、机动性强等特点,可对区域性的污染气体或温室气体进行实时监测,并评估其排放情况。该方法也是目前国际上对温室气体大气总量开展地基观测和校验的主流方法。

太阳追踪器的设计对于该类系统的性能都有很大的影响。目前基于SOF-FTIR方法的太阳追踪器存在光通量不稳、跟踪范围受限或者可控制回路较长、跟踪速度慢等问题。为了克服这些问题,中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心徐亮研究员团队,设计了一套新型的高速扫描跟踪机构,该机构基于正交反射镜和利用小孔成像原理,采用光电式跟踪方法实现太阳跟踪,其光路示意图如图1所示。在控制方法建模阶段,分析了跟踪时二维位置探测器 PSD( position sensitivedetector)上光斑移动规律,并建立了轨迹变化的理论公式,为 PSD 测量跟踪控制算法提供了关键模型,如图2所示。根据绘出的理论光斑轨迹图形,可以发现进行水平方向和俯仰方向跟踪时的光斑移动轨迹曲线近似为直线正交关系。基于设计的太阳跟踪系统和SOF-FTIR 的技术原理,开发了一种基于太阳跟踪方法用于测量大气污染气体成分的傅里叶变换红外(FTIR)光谱系统,其系统光路图如图3所示。在设计系统光路的过程中,发现用于汇聚干涉光束的抛物镜其焦距对干涉条纹的影响,利用光学软件观察焦距变化时模拟的干涉条纹形状和干涉图中的峰谷值,确定了其焦距值。

在光机结构设计的基础上,组建实验平台开展了户外实验,实测的太阳光谱质量良好,如图4所示,验证了系统的合理性和可行性。

该工作开展,为我们自主研制高精度太阳光谱快速跟踪装备奠定了基础,将在面源排放VOCs车载走航监测、大气温室气体总量地基观测中发挥重要作用。

图1 太阳跟踪系统的光路示意图

(a)

(b)              (c)

图2 (a)光斑轨迹的几何光路结构示意图;(b)仅跟踪太阳高度角时光斑理论轨迹(c)仅跟踪太阳方位角时光斑理论轨迹

  图3 系统整体光路

     (a)                       (b)

图4 (a)系统光机结构模型;(b)实测的太阳光谱

 

课题组介绍:

中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心徐亮课题组,现有各类研究开发人员共25人。课题组长期从事国产化傅立叶变换红外(FTIR)光谱技术攻关、系统研制和工程应用等工作,先后主持承担了国家重大科学仪器开发专项、重点研发计划、国家科技支撑计划、中国科学院前沿科学重点研究计划、安徽省强警专项以及多项国防装备研制等科研项目。在高性能干涉仪关键技术上,全面突破了我国在傅立叶变换红外光谱技术上的关键瓶颈。通过不懈努力,成功开发了动态准直型傅立叶变换红外光谱分析仪器,在关键性能指标和可靠性上达到国际先进水平(最高分辨率0.125cm-1,信噪比50000:1,波数精度0.01cm-1,MTBF大于12000小时)。自主研发的红外光谱分析软件,通过底层算法创新,显著提高了气体光谱分析的精度,开发了多组分气体高分辨率红外光谱标准数据库。基于研制的高性能动态准直型、抗震型、轻小型和高速型傅立叶变换红外光谱仪,开发了多种核心通用分析仪器,针对我国在环境、气象、工业及公共安全领域的环境多参量在线监测需求,自主研发成套系统并开展工程化批量试制和实际应用。获得国家科技进步二等奖2次、安徽省科学技术一等奖2次,中国科学院科技促进发展奖等奖励。迄今在Optics Express,Applied Optics,Sensors等期刊上发表相关学术论文30余篇,专利授权10项。