1.本发明涉及干涉成像技术领域，尤其是一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪。
背景技术：2.大气风场影响着天气变化、各种航天器的飞行轨道参数以及导弹的精确制导等；因此，大气风场探测是研究大气科学的重要手段。自2006年起，多普勒非对称空间外差技术以高灵敏度、高分辨率的优点被用于探测中高层大气风场。
3.多普勒非对称空间外差干涉仪主要以中高层大气中携带大气风场信息的气辉谱线作为探测源，其中常用的气辉包括波长为557.7nm的氧原子绿线0('s)和630.onm的氧原子红线 0('d)。但由于多普勒非对称空间外差干涉仪光谱范围较窄的特性，一般只针对一种波长的气辉光进行探测，要想同时探测630nm、557.7nm这两种气辉，需要拓宽光谱范围的同时，还要考虑不同波长气辉经过扩视场棱镜产生的色散问题。
4.假设一台以n-lak12为扩视场棱镜材料，630nm为待测光源的多普勒非对称空间外差干涉仪，若用该仪器探测557.7nm的气辉，相同温度下利特罗角偏离为0.03
°
，产生一万米每秒以上的风速测量误差，故无法对557.7nm的气辉进行测量。同时由于利用相位频移反演风速的特性，探测结果对温度变化十分敏感，由温度引起的利特罗角偏差导致温度每变化0.1℃产生31.64m/s的风速测量误差,所以仪器需要及其苛刻的系统温控要求。
技术实现要素：5.本发明为了实现多普勒非对称空间外差干涉仪对630nm、557.7nm两种气辉同时探测，同时降低温度引起的风速测量误差，提出一种热稳定的宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征是，其包含干涉仪入瞳、像方远心物镜系统、分束器、复合消色差扩视场棱镜、谐衍射光栅、探测器成像系统和探测器；
8.待测目标光经过干涉仪入瞳后，由像方远心物镜系统准直，准直光线经分束器半反半透后分为等强度的两束，分别进入干涉仪两支路；其中一束光透射通过分束器，经空气间隔a1 入射复合消色差扩视场棱镜，以利特罗角θ
l
入射到谐衍射光栅，不同波长的光束以不同的衍射角从谐衍射光栅处反射回分束器；另一束光经分束器反射进入空气间隔a2所在支路，经上述相同传播方式反射回分束器，并与另一支路光在分束器处干涉形成干涉条纹，最后由探测器成像系统将干涉条纹成像到ccd探测器上。
9.本发明的有益效果是:
10.1、复合消色差扩视场棱镜或折衍混合棱镜的消色差特性。本发明中扩视场棱镜在扩展视场立体角的基础上，以d－zf10、h－lak1两种玻璃为材料，采用复合消色差棱镜结
构，消除了波长630.onm和557.7nm两种波长光经过扩视场棱镜后由色散引起的角度偏差，进而提高多普勒非对称空间外差干涉仪的风速测量精度，或采用折衍混合棱镜，利用二元衍射面的负色散特性，消除光线经过棱镜产生的色散，达到和复合消色差扩视场棱镜相同的效果。
11.2、复合消色差扩视场棱镜具有热稳定性。本发明中扩视场棱镜以d－zf10、h－lak1两种玻璃为材料，采用复合消色差棱镜结构，实现在15-25℃温度范围内，温度变化不会引起棱镜出射光线角度偏移，或采用折衍混合棱镜，利用二元衍射面的负热差特性，消除光线经过棱镜产生的热差，达到和复合消色差扩视场棱镜相同的效果。
12.3、本发明利用谐衍射光栅特性，拓宽了多普勒非对称空间外差干涉仪的探测光谱范围，实现对波长为630.onm、557.7nm的两种待测气辉同时探测，进而反演出气辉所在大气层风速。
附图说明
13.图1为本发明一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪的结构示意图，图中：1-干涉仪入瞳,2-像方远心物镜组,3-分束器,4-扩视场棱镜,5-谐衍射光栅,6-探测器成像系统，其中l1、l2－成像物镜，7-ccd探测器，θ
l-光线在谐衍射光栅的入射角，即利特罗角，θ
1-棱镜出射角，a1、a2分别为干涉仪两支路空气间隔。
14.图2为本发明所述复合消色差扩视场棱镜和谐衍射光栅结构示意图，图中：4-1-棱镜1， 4-2-棱镜2，5-谐衍射光栅，a-棱镜1入射面，b-棱镜2入射面，c-棱镜2出射面。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明做进一步的描述。
16.如图1所示,一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其包含干涉仪入瞳 1、像方远心物镜系统2、分束器3、复合消色差扩视场棱镜4、谐衍射光栅5、探测器成像系统6和探测器7。
17.待测目标光经过干涉仪入瞳1后，由像方远心物镜系统2准直，准直光线经分束器3半反半透后分为等强度的两束，分别进入干涉仪两支路。其中一束光透射通过分束器3，经空气间隔a1入射复合消色差扩视场棱镜4，以利特罗角θ
l
入射到谐衍射光栅5，不同波长的光束以不同的衍射角从谐衍射光栅5处反射回分束器3；另一束光经分束器3反射进入空气间隔 a2所在支路，经上述相同传播方式反射回分束器3，并与另一支路光在分束器3处干涉形成干涉条纹，最后由探测器成像系统6将干涉条纹成像到ccd探测器7上。
18.所述干涉仪入瞳1和像方远心物镜系统2，用于提供一定视场角，并将大气场景成像于干涉仪两支路末端的光栅5上；
19.所述分束器3用于将入射光束分成等强度的两束，分别为进入干涉仪两支路。分束器在两支路方向非对称，分束器非对称量δt与分束器3折射率以及两支路不同长度的a1、a2空气间隔一起形成光程差。
20.所述复合消色差扩视场棱镜4用于扩展系统视场立体角；
21.上述复合消色差扩视场棱镜4，以d－zf10、h－lak1两种玻璃为材料，沿光线传播方向，棱镜组各边垂直于光轴方向正切值分别为0.18467、0.42457、-0.016967；实现任一波
长目标光线(630nm、557.7nm)以平行于两支路光轴方向出射分束器3后，经空气间隔入射棱镜，并以θ1为出射角度，经平行空气间隔以利特罗角θ
l
入射光栅，即两种波长的目标光线入射棱镜4前传播方向相同，出射棱镜4角度也相同且不变，即具备消色差能力，即光线不因色散产生光线偏移。
22.同时由于多普勒非对称空间外差干涉仪的复合消色差扩视场棱镜4的材料和结构特性，具备热稳定性，即光线不因温差产生光线偏移。
23.故应用于多普勒非对称空间外差干涉仪的复合消色差扩视场棱镜4同时实现扩展视场、消色差、消热差的要求。
24.如图2所示，是所述复合消色差扩视场棱镜4的另一种结构形式，将复合消色差棱镜变为前表面为二元衍射面4-3的单棱镜前，二元衍射面4-3具有负色散和消热差性质，消除两种波长的光经过棱镜产生的色散和热差；折衍混合扩视场棱镜4具备消色差能力，即光线不因色散产生偏移；同时具备热稳定性，即光线不因温差产生偏移。
25.所述谐衍射光栅5位于干涉仪两支路末端，并与光轴正交面成利特罗角θ
l
倾斜放置，谐衍射光栅5作为分光元件，用于将不同波长的光在空间上分开，同时利用谐衍射光栅5特性，令两种待测光对应不同衍射级次，理论衍射效率接近100％，进而实现系统的谱段展宽；
26.所述探测器光学系统6将来自两支路的光在分束器3形成的干涉条纹成像在ccd探测器 7上；
27.所述ccd探测器7像元数根据光谱范围δσ和极限分辨率δσ选定。
28.实例一，设计谐衍射光栅相位的深度因子p为6，设计波长740nm；
29.由于入射波长为λ时，第i级衍射效率为
30.故当入射波长为λ＝630nm时，对应谐衍射光栅5的第七级衍射级次，效率99.26％；
31.故当入射波长为λ＝557.7nm时，对应谐衍射光栅5的第八级衍射级次，效率为99.5％；
32.根据光栅方程：
33.选择刻线密度为1/64.285mm/gr的光栅，故光栅利特罗角θ
l
为8.2
°
。
34.选择采用复合消色差棱镜作为扩视场棱镜4，以消除扩视场棱镜4色散影响，使各衍射级次轴上的光束以利特罗角θ
l
入射到光栅5上从而提高风速测量精度。
35.除此之外对复合消色差扩视场棱镜4进行消热差设计，实现在15℃到25℃的温度范围内扩视场棱镜达到热稳定，即不因温度变化产生光线角度偏移；
36.综上如图2，利用光学软件选择合适的棱镜材料和角度达到设计要求：棱镜4-1的材料为d－zf10，玻璃特性如下：热膨胀系数为α-30～70℃
＝100
×
10-7
/k，/k，
37.棱镜4-2的材料为h－lak1，玻璃特性如下：热膨胀系数为α-30～70℃
＝77
×
10-7
/k，
38.复合消色差扩视场棱镜角度为：棱镜4-1入射面a在y方向倾斜的正切值为
0.18467，棱镜4-2入射面b在y方向倾斜的正切值为0.42457，棱镜4-2出射面c在y方向倾斜的正切值-0.01696。
39.设计完成后，两种待测气辉均水平光轴方向入射棱镜，由色散引起的角度偏差降低为 4.86
×
10-6
°
，温差引起的角度偏差更小，两者产生的风速测量误差基本可以忽略不计。
40.本发明实现两种待测气辉光均以θ1出射棱镜，并以利特罗角θ
l
入射谐衍射光栅5，分别在第七衍射级次(630nm)、第八衍射级次(557.7nm)发生衍射，达到两种待测气辉同设备探测的目的。
41.经过以上过程，利用谐衍射光栅5增宽了探测范围，复合消色差扩视场棱镜4经消色差热稳定设计，实现多普勒非对称空间外差干涉仪对氧原子绿线0('s)气辉和氧原子红线0('d) 气辉同时探测。
42.上述描述中的实施方案可以进一步进行优化，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，在不脱离本发明专利设计思想及方案的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范畴。
技术特征：1.一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征是，其包含干涉仪入瞳(1)、像方远心物镜系统(2)、分束器(3)、复合消色差扩视场棱镜(4)、谐衍射光栅(5)、探测器成像系统(6)和探测器(7)；待测目标光经过干涉仪入瞳(1)后，由像方远心物镜系统(2)准直，准直光线经分束器(3)半反半透后分为等强度的两束，分别进入干涉仪两支路；其中一束光透射通过分束器(3)，经空气间隔a1入射复合消色差扩视场棱镜(4)，以利特罗角θ
l
入射到谐衍射光栅(5)，不同波长的光束以不同的衍射角从谐衍射光栅(5)处反射回分束器(3)；另一束光经分束器(3)反射进入空气间隔a2所在支路，经上述相同传播方式反射回分束器(3)，并与另一支路光在分束器(3)处干涉形成干涉条纹，最后由探测器成像系统(6)将干涉条纹成像到ccd探测器(7)上。2.根据权利要求1所述的一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征在于，所述分束器(3)用于将入射光束分成等强度的两束，分别为进入干涉仪两支路；分束器在两支路方向非对称，分束器(3)非对称量δt与分束器(3)折射率以及两支路不同长度的a1、a2空气间隔一起形成光程差。3.根据权利要求1所述的一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征在于，所述述复合消色差扩视场棱镜(4)，以d－zf10、h－lak1两种玻璃为材料，沿光线传播方向，棱镜组各边垂直于光轴方向正切值分别为0.18467、0.42457、-0.016967；实现630nm和557.7nm两个波长中任一波长目标光线，以平行于两支路光轴方向出射分束器(3)后，经空气间隔入射棱镜，并以θ1为出射角度，经平行空气间隔以利特罗角θ
l
入射光栅，即两种波长的目标光线入射复合消色差扩视场棱镜(4)前传播方向相同，出射复合消色差扩视场棱镜(4)角度也相同且不变，即具备消色差能力，即不因色散产生光线偏移；同时具备热稳定性，即不因温差产生光线偏移。4.根据权利要求1所述的一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征在于，所述复合消色差扩视场棱镜4的另一种结构形式折衍混合扩视场棱镜(4)，即将原复合消色差棱镜(4)变为前表面为二元衍射面(4-3)的单棱镜，二元衍射面(4-3)具有负色散和消热差性质，消除两种波长的光经过棱镜产生的色散和热差；折衍混合扩视场棱镜(4)具备消色差能力，即光线不因色散产生偏移；同时具备热稳定性，即不因温差产生光线偏移。5.根据权利要求1所述的一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，其特征在于，所述谐衍射光栅(5)位于干涉仪两支路末端，并与光轴正交面成利特罗角θ
l
倾斜放置。
技术总结一种热稳定宽谱段消色差多普勒非对称空间外差干涉仪，涉及干涉成像技术领域，为了实现多普勒非对称空间外差干涉仪对630nm、557.7nm两种气辉同时探测，待测目标光经过干涉仪入瞳后，由像方远心物镜系统准直，准直光线经分束器半反半透后分为等强度的两束，分别进入干涉仪两支路；其中一束光透射通过分束器，经空气间隔A1入射复合消色差扩视场棱镜，以利特罗角θ
技术研发人员：江伦 刘欢 李小明 李响 宋延嵩 张晓菲 刘显著 高亮 安岩 张家齐 董岩 佟首峰
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/7/5
