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

太陽在人類生活中發(fā)揮著重要的作用，其輻射出的太陽光譜到達(dá)地面的過程中，會被大氣成分吸收。因此可以利用地基設(shè)備通過遙測太陽光譜來反演大氣層中污染氣體的含量，這也是目前大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。其中用來測量太陽光譜的太陽掩星傅里葉紅外光譜技術(shù)（SOF-FTIR），具有測量方便、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)，可對區(qū)域性的污染氣體或溫室氣體進(jìn)行實時監(jiān)測，并評估其排放情況。該方法也是目前國際上對溫室氣體大氣總量開展地基觀測和校驗的主流方法。

太陽追蹤器的設(shè)計對于該類系統(tǒng)的性能都有很大的影響。目前基于SOF-FTIR方法的太陽追蹤器存在光通量不穩(wěn)、跟蹤范圍受限或者可控制回路較長、跟蹤速度慢等問題。為了克服這些問題，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)中心徐亮研究員團(tuán)隊，設(shè)計了一套新型的高速掃描跟蹤機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)基于正交反射鏡和利用小孔成像原理，采用光電式跟蹤方法實現(xiàn)太陽跟蹤，其光路示意圖如圖1所示。在控制方法建模階段，分析了跟蹤時二維位置探測器 PSD（ position sensitivedetector）上光斑移動規(guī)律，并建立了軌跡變化的理論公式，為 PSD 測量跟蹤控制算法提供了關(guān)鍵模型，如圖2所示。根據(jù)繪出的理論光斑軌跡圖形，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行水平方向和俯仰方向跟蹤時的光斑移動軌跡曲線近似為直線正交關(guān)系。基于設(shè)計的太陽跟蹤系統(tǒng)和SOF-FTIR 的技術(shù)原理，開發(fā)了一種基于太陽跟蹤方法用于測量大氣污染氣體成分的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜系統(tǒng)，其系統(tǒng)光路圖如圖3所示。在設(shè)計系統(tǒng)光路的過程中，發(fā)現(xiàn)用于匯聚干涉光束的拋物鏡其焦距對干涉條紋的影響，利用光學(xué)軟件觀察焦距變化時模擬的干涉條紋形狀和干涉圖中的峰谷值，確定了其焦距值。

在光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，組建實驗平臺開展了戶外實驗,實測的太陽光譜質(zhì)量良好，如圖4所示，驗證了系統(tǒng)的合理性和可行性。

該工作開展，為我們自主研制高精度太陽光譜快速跟蹤裝備奠定了基礎(chǔ)，將在面源排放VOCs車載走航監(jiān)測、大氣溫室氣體總量地基觀測中發(fā)揮重要作用。

圖1 太陽跟蹤系統(tǒng)的光路示意圖

（a）

（b）              （c）

圖2 （a）光斑軌跡的幾何光路結(jié)構(gòu)示意圖;（b）僅跟蹤太陽高度角時光斑理論軌跡（c）僅跟蹤太陽方位角時光斑理論軌跡

  圖3 系統(tǒng)整體光路

     （a）                       （b）

圖4 （a）系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)模型;（b）實測的太陽光譜

課題組介紹：

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)中心徐亮課題組，現(xiàn)有各類研究開發(fā)人員共25人。課題組長期從事國產(chǎn)化傅立葉變換紅外(FTIR)光譜技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研制和工程應(yīng)用等工作，先后主持承擔(dān)了國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項、重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家科技支撐計劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃、安徽省強(qiáng)警專項以及多項國防裝備研制等科研項目。在高性能干涉儀關(guān)鍵技術(shù)上，全面突破了我國在傅立葉變換紅外光譜技術(shù)上的關(guān)鍵瓶頸。通過不懈努力，成功開發(fā)了動態(tài)準(zhǔn)直型傅立葉變換紅外光譜分析儀器，在關(guān)鍵性能指標(biāo)和可靠性上達(dá)到國際先進(jìn)水平（最高分辨率0.125cm^-1，信噪比50000:1，波數(shù)精度0.01cm^-1，MTBF大于12000小時）。自主研發(fā)的紅外光譜分析軟件，通過底層算法創(chuàng)新，顯著提高了氣體光譜分析的精度，開發(fā)了多組分氣體高分辨率紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。基于研制的高性能動態(tài)準(zhǔn)直型、抗震型、輕小型和高速型傅立葉變換紅外光譜儀，開發(fā)了多種核心通用分析儀器，針對我國在環(huán)境、氣象、工業(yè)及公共安全領(lǐng)域的環(huán)境多參量在線監(jiān)測需求，自主研發(fā)成套系統(tǒng)并開展工程化批量試制和實際應(yīng)用。獲得國家科技進(jìn)步二等獎2次、安徽省科學(xué)技術(shù)一等獎2次，中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎等獎勵。迄今在Optics Express，Applied Optics，Sensors等期刊上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文30余篇，專利授權(quán)10項。