本发明涉及一种气辉重力波多参数探测仪，通过测量大气气辉层o2（0-1）带的转动谱线强度来反演气辉层的大气温度，并通过探测气辉的发光强度来现对大气重力波的观测，属于中高层大气探测技术领域。
背景技术：
大气科学是一门以观测为基础的学科，十分依赖观测仪器，高层大气的研究也是如此。近些年来，随着科学技术的不断进步，对潮汐波、重力波等现象进行了更加深入的研究，因此对观测仪器的研制也提出了新的挑战。
目前国际上已经提出几类用于测量中间层区域温度的仪器，其中最具有代表性一类仪器是基于光谱光度计的原理，利用光学被动遥感技术来探测气辉辐射的转动温度。如中间层顶氧气转动温度成像仪，以及它的升级版气辉光谱温度成像仪。在国内，2008年启动的“子午工程”已经建成一个具备多种观测手段的空间环境监测网络，其中的全天空成像仪或fp干涉仪，用来探测中高层大气的温度、风速及重力波等大气参数。中国科学院国家空间科学中心徐寄遥课题组建成了国际上第一个无缝隙的全天空oh气辉探测站网。
目前大气重力波的观测主要是利用大气重力波在上传过程中会对气辉辐射层产生扰动，因此，以大气气辉辐射为示踪物可以实现对大气重力波的观测。在中高层大气气辉辐射带中，位于可见光到近红外波段辐射较强的宽带oh和窄带o2气辉层，其波段分别约为750~850nm，865±2.5nm，这两种气辉辐射都可用于对重力波活动成像观测，利用在中高层大气气辉辐射带中位于可见光到近红外波段辐射较强的宽带oh和窄带o2气辉层对重力波成像能够直观地看出大气气辉强度在此过程中的变化。其中最具有代表性的仪器为：一种全天空大气重力波成像仪和一种采用鱼眼镜头和远心光路的全天空大气重力波成像仪。
现有的大气重力波成像仪其缺点在于，仅仅利用大气气辉强度在此过程中的变化来研究大气重力波的变化，没有结合大气温度对重力波的影响，使大气重力波的成像结果缺乏说服力。且目前的大气重力波成像仪体积较大，对环境温度要求高，不易携带，不利于野外观测。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种可以同时探测大气温度和气辉辐射强度，实现多参数观测的气辉重力波多参数探测仪。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种气辉重力波多参数探测仪，包括外壳和设置于外壳上的光谱温度探测模块与大视场重力波成像模块；所述外壳内侧底部设有光学底板，光学底板一侧设有出线口；所述光谱温度探测模块包括第一光学镜筒、光学窗口、视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片、镜头、第一制冷ccd传感器和第一金属支架，所述光学窗口固定在外壳顶部，所述第一金属支架固定在光学底板上，所述第一光学镜筒固定在第一金属支架上，所述视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片和镜头从上至下依次设置在第一光学镜筒内，所述第一制冷ccd传感器固定在第一光学镜筒底部；所述大视场重力波成像模块包括第二光学镜筒、半球形光学窗口、广角镜头、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片、第二光纤光锥、第二制冷ccd传感器、第二金属支架；所述半球形光学窗口固定在外壳顶部，所述第二金属支架固定在光学底板上，所述第二光学镜筒固定在第二金属支架上，所述广角镜头、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片和第二光纤光锥从上至下依次设置在第二光学镜筒内，所述第二制冷ccd传感器固定在第二光纤光锥底部。
对上述技术方案的进一步设计为：所述光谱温度探测模块还包括遮光镜筒，所述遮光镜筒位于第一光学镜筒和光学窗口之间，且固定在第一光学镜筒上方。
所述遮光镜筒包括若干片同轴设置的遮光环，所述若干片遮光环的内径从上至下逐渐减小。
所述光学窗口、遮光镜筒、第一光学镜筒、视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片、镜头和第一制冷ccd传感器位于同一轴线上。
所述半球形光学窗口、广角镜头、第二光学镜筒、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片、第二光纤光锥和第二制冷ccd传感器位于同一轴线上。
所述第一、第二光纤光锥的大端相对设置。
所述外壳一侧固定有半导体tec空调。
所述低功率半导体tec空调的出风口与第一窄带干涉滤光片和第二窄带干涉滤光片位于同一水平面上。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的气辉重力波多参数探测仪可以同时探测大气温度和气辉辐射强度，实现多参数观测。
本发明提供的气辉重力波多参数探测仪在大视场重力波成像模块使用了光纤光锥，有效地大幅减小了气辉重力波多参数探测仪的体积，同时提高了通光效率。
本发明提供的气辉重力波多参数探测仪装有tec半导体温控装置，保证了窄带干涉滤光片的恒温，有效避免了滤光片中心波长“温漂”问题；
本发明提供的气辉重力波多参数探测仪采用被动光学遥感技术，可实现无人值守全自动观测，功耗小于150w，功耗低。
本发明提供的气辉重力波多参数探测仪结构紧凑，体积小，重量轻，方便携带，易于后期运维，适用于野外长期无人观测。
附图说明
图1是本发明的气辉重力波多参数探测仪的结构示意图；
图2是本发明的气辉重力波多参数探测仪的光谱温度探测模块光路示意图；
图3是本发明的气辉重力波多参数探测仪的光谱温度探测模块遮光镜筒结构示意图；
图4是本发明的气辉重力波多参数探测仪的大视场重力波成像模块光路示意图；
图5是本发明的气辉重力波多参数探测仪在中高层大气中的观测模式示意图；
图中，1-光学窗口，2-遮光镜筒，3-视场光阑，4-消色差双胶合透镜，5-第一窄带干涉滤光片，6-镜头，7-第一制冷ccd传感器，8-第一金属支架，9-出线口，10-第一光学镜筒，11-外壳，12-第二光学镜筒，13-半球形光学窗口，14-广角镜头，15-半导体tec空调，16-第一光纤光锥，17-第二窄带干涉滤光片，18-第二光纤光锥，19-第二制冷ccd传感器，20-第二金属支架，21-光学平板，22-遮光环，23-第一单根光纤通道，24-第二单根光纤通道，25-光谱温度探测模块视场，26-大视场重力波成像模块视场。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明的气辉重力波多参数探测仪的结构示意图如图1所示，包括外壳11，外壳11内从左至右分别为光谱温度探测模块和大视场重力波成像模块。外壳11内测底部设有光学平板21。
光谱温度探测模块从上至下依次同轴设置：光学窗口1、遮光镜筒2、视场光阑3、消色差双胶合透镜4、第一窄带干涉滤光片5、镜头6、第一制冷ccd传感器7和第一金属支架8。其中，光学窗口1固定在外壳11上，视场光阑3、消色差双胶合透镜4、第一窄带干涉滤光片5以及镜头6之间用第一光学镜筒10进行连接，第一制冷ccd传感器7和第一光学镜筒10用第一金属支架8固定在光学平板21上，光学平板21左下方设置出线口9。
大视场重力波成像模块从上至下依次同轴设置：半球形光学窗口13、广角镜头14、第一光纤光锥16、第二窄带干涉滤光片17、第二光纤光锥18、第二制冷ccd传感器19和第二金属支架20。其中，半球形光学窗口13固定在外壳11上，广角镜头14、第一光纤光锥16、第二窄带干涉滤光片17以及第二光纤光锥18之间通过第二光学镜筒12进行连接，第二制冷ccd传感器19紧紧贴合在第二光纤光锥18底部，第二光学镜筒12通过金属支架20固定在光学平板21上。第一、第二光纤光锥的大端相对设置。
本实施例为了减小滤光片的“温漂”问题，在外壳11上安装了低功率的半导体tec空调15。半导体tec空调15的出风口与第一窄带干涉滤光片5和第二窄带干涉滤光片17在同一水平面上，保证滤光片恒温的有效性。
如图2所示，为本发明气辉重力波多参数探测仪光谱温度探测模块的光路示意图。图中有三条光路示例，其中，实线光路为光线直射进入遮光镜筒2，依次经过视场光阑3，消色差双胶合透镜4的中心，通过第一窄带干涉滤光片5将目标谱线滤出，再通过镜头6的中心，最终在第一制冷ccd传感器7的中心成像；虚线光路为光线斜射入遮光镜筒2，通过视场光阑3的中心，经过消色差双胶合透镜4的折射变成平行光，通过第一窄带干涉滤光片5将目标谱线滤出，经由镜头6的折射，最终汇聚在第一制冷ccd传感器7的中心成像；点线光路为光线斜射入遮光镜筒2，经过视场光阑3的边缘，透过消色差双胶合透镜4的中心，通过第一窄带干涉滤光片5将目标谱线滤出，经过镜头6的折射变成平行光，最终在第一制冷ccd传感器7的边缘成像。
如图3所示，为本发明气辉重力波多参数探测仪光谱温度探测模块的遮光镜筒结构示意图。遮光镜筒2是由四片黑化铝片材质的遮光环22同轴排列而成，遮光环22内径从上至下由大到小依次排列，构成的立体角与下方光谱温度探测模块的立体角一致，可以很大程度上阻挡视场外的杂散光，提高成像质量和信噪比。
如图4所示，为本发明气辉重力波多参数探测仪大视场重力波成像模块的光路示意图。图中有三条光路示例，其中，实线光路为光线直射进入广角镜头14，通过第一光纤光锥16的中心，在光纤光锥大端出射口经过第二窄带干涉滤光片17将目标谱线滤出，再通过第二光纤光锥18的中心后，最终在第二制冷ccd传感器19的中心成像；虚线光路为光线斜射入广角镜头14，进入第一光纤光锥16的第一单根光纤通道23，通过光纤多次全反射过程，在光纤光锥大端出射口通过第二窄带干涉滤光片17将目标谱线滤出，在光纤光锥大端入射口进入第二光纤光锥18的第一单根光纤通道23，通过光纤多次全反射过程，将光线的入射角度由大变小，保证滤光片均匀滤光，最终成像在第二制冷ccd传感器19的边缘；点线光路为光线斜射入广角镜头14中心，进入第一光纤光锥16的第二单根光纤通道24，经过多次全反射后，在光纤光锥大端出射口通过第二窄带干涉滤光片17将目标谱线滤出，在光纤光锥大端入射口进入第二光纤光锥18的第二单根光纤通道24，经过多次全反射后，保证滤光片均匀滤光，最终成像在第二制冷ccd传感器19的边缘。
图5是本发明气辉重力波多参数探测仪在中高层大气中的观测模式示意图。在不同温度下，o2气辉的振动和转动谱线强度之比有明显的变化，从而通过测量o2（0-1）带的转动谱线强度廓线来反演大气温度，同时以大气o2气辉辐射强度为示踪物来实现对大气重力波的观测。本实施例中，温度的探测由光谱温度探测模块完成，气辉层辐射强度的探测由大视场重力波成像模块完成。光谱温度探测模块可以测量o2（0-1）带的转动谱线强度来反演大气温度。光谱温度探测模块的视场角为±13.6°，探测高度为94km左右，光谱温度探测模块视场25的区域直径为44km。大视场重力波成像模块以气辉辐射为示踪物实现大气重力波成像。大视场重力波成像模块的视场角为±45°，探测高度为94km左右，大视场重力波成像模块视场26的区域直径为168km。如图所示，光谱温度探测模块视场25与大视场重力波成像模块视场26几乎重叠在大视场重力波成像模块视场26的中心，在此重叠部分，本发明气辉重力波多参数探测仪既能够探测到大气温度，同时又能够探测到气辉层辐射强度，且两者具有可比性，能够提高大气重力波成像的可信度，进而研究大气重力波活动。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
1.一种气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：包括外壳和设置于外壳上的光谱温度探测模块与大视场重力波成像模块；
所述外壳内侧底部设有光学底板，光学底板一侧设有出线口；
所述光谱温度探测模块包括第一光学镜筒、光学窗口、视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片、镜头、第一制冷ccd传感器和第一金属支架，所述光学窗口固定在外壳顶部，所述第一金属支架固定在光学底板上，所述第一光学镜筒固定在第一金属支架上，所述视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片和镜头从上至下依次设置在第一光学镜筒内，所述第一制冷ccd传感器固定在第一光学镜筒底部；
所述大视场重力波成像模块包括第二光学镜筒、半球形光学窗口、广角镜头、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片、第二光纤光锥、第二制冷ccd传感器、第二金属支架；所述半球形光学窗口固定在外壳顶部，所述第二金属支架固定在光学底板上，所述第二光学镜筒固定在第二金属支架上，所述广角镜头、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片和第二光纤光锥从上至下依次设置在第二光学镜筒内，所述第二制冷ccd传感器固定在第二光纤光锥底部。
2.根据权利要求1所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述光谱温度探测模块还包括遮光镜筒，所述遮光镜筒位于第一光学镜筒和光学窗口之间，且固定在第一光学镜筒上方。
3.根据权利要求2所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述遮光镜筒包括若干片同轴设置的遮光环，所述若干片遮光环的内径从上至下逐渐减小。
4.根据权利要求3所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述光学窗口、遮光镜筒、第一光学镜筒、视场光阑、消色差双胶合透镜、第一窄带干涉滤光片、镜头和第一制冷ccd传感器位于同一轴线上。
5.根据权利要求1所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述半球形光学窗口、广角镜头、第二光学镜筒、第一光纤光锥、第二窄带干涉滤光片、第二光纤光锥和第二制冷ccd传感器位于同一轴线上。
6.根据权利要求1所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述第一、第二光纤光锥的大端相对设置。
7.根据权利要求1所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述外壳一侧固定有半导体tec空调。
8.根据权利要求7所述气辉重力波多参数探测仪，其特征在于：所述低功率半导体tec空调的出风口与第一窄带干涉滤光片和第二窄带干涉滤光片位于同一水平面上。
技术总结