齊衛(wèi)紅 尉昊赟 陰麗娜

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

（2 清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系，北京 100084）

1 引言

全球的氣候變化不僅是一個自然科學(xué)的問題，還對自然環(huán)境、社會經(jīng)濟和國家安全等方面產(chǎn)生了重大影響。溫室效應(yīng)、臭氧損耗和酸雨是主要的三大大氣問題，研究這些問題的核心是確定溫室氣體、衡量氣體、臭氧、氮氧化物、硫化物、水汽等各種氣體在大氣圈內(nèi)的垂直分布、水平分布、總量分布及其變化規(guī)律。

氣體的吸收(輻射)特征通常比液體、固體更為精細(xì)，而且隨著壓力的降低，吸收譜線變得更加銳利；隨著濃度的降低，吸收譜線的強度變得更加微弱。因此大氣遙感的光譜探測應(yīng)用需要合適的光譜分辨率和探測光譜信噪比才能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的需求，此外光譜覆蓋范圍也是決定能探測什么的重要因素。因此，進(jìn)行大氣成分探測的儀器需要具有高光譜分辨率、高信噪比和寬光譜覆蓋范圍，而傅里葉變換紅外光譜儀具有高通量、多通道、高光譜分辨率和寬光譜范圍等優(yōu)點，能夠滿足大氣成分探測的需求，并且已經(jīng)在大氣成分探測領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本文從大氣成分探測總體指標(biāo)需求分析入手，以傅里葉變換紅外光譜儀方案為基礎(chǔ)，進(jìn)行了總體技術(shù)指標(biāo)的影響因素分析，并給出了樣機的性能測試結(jié)果。

2 總體指標(biāo)需求分析

2.1 光譜范圍

由于分子組成的差異，不同大氣成份在紅外區(qū)域的光譜有其各自的特點，選擇 750～4 100cm–1的光譜范圍可以有效地探測到絕大部分所關(guān)注的大氣成份。

將探測光譜范圍進(jìn)行分解，選用不同的探測通道進(jìn)行探測可以有效地提高探測光譜信噪比，對此，參考國外設(shè)計經(jīng)驗[1]，本文將整個探測光譜寬度分成2個探測通道進(jìn)行探測為：750～1 900cm–1，1 850～4 100cm–1。

2.2 光譜分辨率

大氣的紅外輻射光譜密集且復(fù)雜，因此光譜儀必須具有較高的光譜分辨能力。受到大氣分子發(fā)射/吸收譜線的固有寬度限制，不同高度的觀測區(qū)域?qū)庾V分辨率的要求不同。圖1給出了微弱吸收特征光譜的半高全寬度的變化情況[2]，從圖中可以看到，在約30km以上的大氣層中，大氣分子發(fā)射/吸收譜線寬度主要由多普勒展寬決定，該值約為0.003cm–1；在30km以下大氣層中，譜線寬度主要由洛侖茲展寬決定，并隨海拔高度的降低逐漸增大。從數(shù)據(jù)反演的角度來看，儀器分辨率最基本的要求是保證光譜吸收譜線分開，即儀器的分辨率不宜大于圖1中微弱吸收特征光譜的半高全寬度，對應(yīng)的光譜分辨率需求約為 0.1cm–1。

圖1 不同海拔高度的大氣分子發(fā)射/吸收譜線寬度Fig.1 Variation of typical spectral line w idths w ith altitude

需要指出的是，雖然上述光譜的分辨率可以滿足絕大部分大氣成份反演的需求，但是：1）低分辨率會導(dǎo)致弱吸收信號的平滑淹沒；2）由于大氣吸收特征譜線變化帶有明顯的高度變化特征，因而在反演分析中，吸收峰的形狀特征能用來實現(xiàn)垂直分布廓線信息的反演。由此提高光譜分辨率，能提高系統(tǒng)的探測能力和反演數(shù)據(jù)的垂直分辨能力。圖2、3為利用ACE-FTS一個太陽掩星觀測序列所得到的數(shù)據(jù)，采用不同光譜分辨率計算的比對結(jié)果。從圖中可以看到，在光譜分辨率下降后，很多微弱的吸收特征被抹平而無法識別，同時吸收峰的形狀也變得缺少細(xì)節(jié)(如圖2、3中的方框所示)，造成可利用信息丟失，數(shù)據(jù)的垂直分辨能力下降。因此，在具有大氣成份廓線反演需求的應(yīng)用中，選用類似ACE-FTS的0.02cm–1光譜分辨率是比較適宜的，此時系統(tǒng)的噪聲水平仍較小，探測數(shù)據(jù)具有較高的探測光譜信噪比[3]。圖1中TES在有廓線反演需求的臨邊觀測模式中，也選用相當(dāng)?shù)墓庾V分辨率。

圖2 0.02cm－1分辨率下的觀測光譜Fig.2 A tmospheric spectral characteristic of 0.02cm－1 resolution

圖3 0.1cm－1分辨率下的觀測光譜Fig.3 Atmospheric spectral characteristic of 0.1cm－1 resolution

2.3 探測光譜

探測光譜信噪比(SNR)是決定傅里葉變換光譜儀(Fourier Transform Spectrometer, FTS)系統(tǒng)輻射分辨率的重要因素，對數(shù)據(jù)恢復(fù)精度有著密切關(guān)系。傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)最基本的分析方法是采用數(shù)據(jù)擬合法。使用這種方法的前提是每個分子狀態(tài)轉(zhuǎn)化的吸收系數(shù)是精確已知的，但因為吸收/發(fā)射不是單色，而是覆蓋一定的光譜寬度，其形狀與分子的種類、溫度、氣壓以及其他分子的相互作用等因素密切相關(guān)，而且這些因素多是非線性的。因此，在實際反演分析中，吸收系數(shù)的計算結(jié)果準(zhǔn)確度依賴于探測信號對于各種影響因素的敏感程度，當(dāng)影響吸收特性的信號被噪聲淹沒時，吸收系數(shù)的計算精度也就受到了限制。對理想情況而言，1%的反演精度需要100∶1的光譜SNR。

實現(xiàn)較高地探測光譜SNR可以從2個方面入手，一是增強探測目標(biāo)強度，二是減小系統(tǒng)噪聲水平。從探測目標(biāo)的角度考慮，大氣成份探測可以利用大氣發(fā)射光譜或大氣對太陽光的吸收光譜，直接采用太陽光作為系統(tǒng)的輸入輻射源，信號強度在同等系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)下是其他2種輻射源強度的102～104倍，因此直接采用太陽光作為系統(tǒng)觀測的輻射源能獲得最佳的探測光譜SNR；在滿足探測光譜SNR的情況下，以太陽光作為系統(tǒng)觀測的輻射源，可以大幅減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

從降低系統(tǒng)噪聲水平的角度，F(xiàn)TS干涉信號強度探測的噪聲來源主要包括目標(biāo)光子噪聲、探測器噪聲、量化噪聲等。在以直射太陽光作為輻射源，并選用高質(zhì)量的探測器、開發(fā)高質(zhì)量電子學(xué)系統(tǒng)的情況下，目標(biāo)光子噪聲是系統(tǒng)中最主要的噪聲來源，因此在系統(tǒng)觀測目標(biāo)確定后，干涉信號最優(yōu)的噪聲水平也基本確定。對于FTS，干涉信號零光程差處干涉信號信噪比SNRI與光譜信號信噪比SNRS之間存在如下經(jīng)驗關(guān)系：

式中 M為光譜通道數(shù)目，是光譜探測寬度σB與光譜分辨率Δσ的比值，。由此可見，受Δσ和的制約，光譜分辨率越高(Δσ越小)，則SNRS越小；越窄，則越高。

2.4 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述指標(biāo)需求分析，并結(jié)合用戶數(shù)據(jù)反演分析需求，確定主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 樣機的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 M ain technical specification of breadboard

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 方案簡介

1）系統(tǒng)總體組成：時間調(diào)制型傅里葉變換紅外光譜儀可以獲得較大的光程差，從而實現(xiàn)極高的光譜分辨率，因此成為探測大氣成分的有效手段。本方案采用改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀作為大氣成分探測紅外光譜儀的核心模塊。在傅里葉變換紅外光譜儀中，光譜分辨率Δσ與最大光程差MPD之間滿足：

因此，要實現(xiàn)0.02cm–1的光譜分辨率，最大光程差至少要達(dá)到25cm。為實現(xiàn)大行程并有效降低系統(tǒng)尺寸，干涉調(diào)制模塊選用擺臂式結(jié)構(gòu)[4-5]，并通過端鏡的進(jìn)一步折疊達(dá)到8倍于機械行程光程差效果，從而達(dá)到3.2cm的機械擺程，即實現(xiàn)25cm的光程差，滿足光譜分辨率的需求。

依據(jù)光譜范圍和掃描周期需求，選用的探測器組件要求響應(yīng)波段寬、響應(yīng)速度快、靈敏度高、噪聲低、線性度好、動態(tài)范圍大。經(jīng)調(diào)研，本文選用光伏型HgCdTe(長波通道)和InSb(短波通道)探測器雙通道探測方案。

樣機的設(shè)計光譜不確定度為0.005cm–1，要求采樣參考系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確度。方案選擇分布式反饋激光器作為共干涉光路激光計量模塊的光源。

在上述基本選型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的總體方案框圖如圖4所示。

圖4 光譜儀系統(tǒng)總體方案框圖Fig.4 Spectrometer product tree

2）模型光學(xué)系統(tǒng)：本樣機的光學(xué)系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 探測儀光路Fig.5 Spectrometer optical layout

作為干涉型光譜儀，該儀器不僅要滿足幾何光學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)，還要滿足干涉評價效果，即足夠好的調(diào)制效率、滿足光譜分辨需求以及提供足夠的信號強度。以下從調(diào)制效率、儀器線型函數(shù)和SNR這3個方面分析在上述總體光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)的指標(biāo)需求所需要的進(jìn)一步約束。

3.2 干涉調(diào)制度分析

FTS干涉信號的調(diào)制效率M定義為

式中 MT(σ)為光束傾斜因子； MS(σ)為光束剪切因子； MW(σ)為綜合波前誤差因子； Mp(σ)為偏振調(diào)制因子。對于本FTS樣機的光學(xué)系統(tǒng)，由于選用角鏡—端鏡聯(lián)合配置方案，光路往返折疊，可以有效消除光束剪切影響。因此本系統(tǒng)中主要考慮光學(xué)傾斜的調(diào)制、綜合波前差的調(diào)制和偏振態(tài)的影響。

3.3 儀器線性函數(shù)分析

儀器線型函數(shù)(Instrument Line Shape, ILS)是當(dāng)一個單色光源均一地覆蓋系統(tǒng)的視場時，傅里葉光譜儀對其光譜的測量結(jié)果。通常情況下，F(xiàn)TS中以最大光程差倒數(shù)的1/2作為系統(tǒng)的光譜分辨率，但事實上相鄰光譜能否分辨，由ILS的半高全寬度決定，因此ILS的分析是確定儀器真實光譜分辨能力的重要參數(shù)。對于低分辨率 FTS，用最大光程差影響來分析足以反映系統(tǒng)的 ILS，但對于本系統(tǒng)的高光譜分辨率FTS，還需要考慮視場的變化因素的影響[7]。

通過對系統(tǒng)調(diào)制度和儀器線性函數(shù)分析，得到分析結(jié)果如表2所示。

表2 ILS與調(diào)制度的分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of ILS and modulation efficiency

3.4 信噪比分析

對于一個FTS系統(tǒng)，其信道模型如圖6所示。目標(biāo)輻射源信號，通過光譜儀光學(xué)信道、電學(xué)信道傳輸，并通過采樣過程，獲得相對應(yīng)的數(shù)字信號。在光學(xué)信道中，將引入背景噪聲(主要由光譜儀系統(tǒng)內(nèi)部器件的紅外輻射產(chǎn)生)；在電學(xué)信道中，將引入探測器相關(guān)的一系列噪聲(如光子噪聲、熱噪聲、暗電流噪聲等)和由采樣過程導(dǎo)致的量化噪聲、采樣噪聲等。為便于分析，通常將各種噪聲源等效到輸入端的噪聲輸入輻亮度，噪聲等效光譜輻射率(Noise Equivalent Spectral Radiance，NESR)來進(jìn)行評估[8]。NESR與SNR之間的關(guān)系如下：

式中 ()Bσ為輸入光譜。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，NESR計算公式為

圖6 傅里葉變換紅外光譜儀信道模型Fig.6 Fourier transform infrared spectrometer channel model

對于不同的噪聲源，其疊加滿足：

式中in為第i種噪聲源的噪聲譜密度。NESR式中儀器效率()ξσ可表示為

式中 ()Tσ為系統(tǒng)透過率，是系統(tǒng)光路各光學(xué)元件透過率iτ的乘積。()Mσ為調(diào)制效率。

對于系統(tǒng)中每一噪聲源，均可計算相應(yīng)的NESR數(shù)值[10-11]，通過比較這些數(shù)值，可以分析系統(tǒng)中不同噪聲源對于系統(tǒng)影響的強弱，為系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)指標(biāo)分配和優(yōu)化依據(jù)。經(jīng)過NESR理論模型分析與仿真，影響NESR的因素分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 NESR影響因素分析結(jié)果Fig.7 Analysis result for NESR influence factors

4 樣機測試結(jié)果

4.1 試驗裝置

針對系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)需求，樣機的性能測試項目主要包括：1）表征儀器實際光譜分辨能力的ILS測試，2）表征儀器輻射信號探測質(zhì)量的SNR測試。在樣機測試中，測試系統(tǒng)配置如圖8所示。其中：黑體輻射源溫度在 300 ℃ ～ 1 200℃內(nèi)可調(diào)、為測試系統(tǒng)提供基準(zhǔn)輸入信號源；高精度氣室控制系統(tǒng)可以精確控制氣體池灌注的氣體成份(CO、NH3、H2O等)、濃度和溫度，為測試提供準(zhǔn)確的光譜吸收及其特征參數(shù)；專用光學(xué)輔助測試裝置對黑體輻射源的輸入信號進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)整，以匹配樣機的輸入需求。整個試驗裝置通過控制中心操作，完成性能測試工作。

圖8 樣機性能測試系統(tǒng)示意圖Fig.8 Prototype performance test system

4.2 測試結(jié)果

4.2.1 ILS測試

根據(jù)ILS的定義，ILS測試需要測量單一波數(shù)輸入的光譜響應(yīng)特征。在本試驗中，利用高精度氣室控制系統(tǒng)，控制氣體池中氣體至很低的濃度，產(chǎn)生尖銳的吸收峰來實現(xiàn)。其中CO氣體在2 000cm–1的中紅外區(qū)域有大量分立的強吸收譜線，十分便于進(jìn)行 ILS分析計算。因此選用 CO作為吸收氣體。

測試所用參數(shù)如下：1）視場(Field of View)掃描點源視場為330μrad；2）CO壓強為66.66Pa，觀測溫度T=296K，光源為 1 000K黑體，吸收長度為 5cm，最大光程差為25.2cm。

對CO在2 050～2 210cm–1范圍內(nèi)的吸收譜線進(jìn)行測量數(shù)據(jù)和理論分析數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，兩者測量數(shù)據(jù)和模型分析數(shù)據(jù)的吻合良好，在本波段內(nèi)ILS的半高全寬為0.024 8cm–1。

圖9 CO全吸收帶內(nèi)測試與模型分析結(jié)果對比Fig.9 Test results compared w ith the model analysis in CO absorption band

4.2.2 信噪比測試

在FTS中主要的噪聲源為白噪聲，因此在樣機信噪比測試過程中，采用統(tǒng)計分析的方法，對目標(biāo)進(jìn)行多次測量，利用式(9)獲得系統(tǒng)的信噪比為

圖10 1 000K黑體目標(biāo)探測SNR測量與理論建模分析結(jié)果Fig.10 Measured and Modeling SNR for 1 000K blackbody scene

5 結(jié)束語

由于大氣的紅外特征吸收譜線很窄，光譜間隔非常小，因此對大氣成分探測儀器的性能要求較高。本文對大氣成分探測需求進(jìn)行了分析，確定了大氣成分探測光譜儀采用傅里葉變換光譜技術(shù)?；诟道锶~變換光譜探測技術(shù)的大氣成分探測紅外光譜儀具有光譜分辨率高、光譜覆蓋范圍寬、測量信噪比高等特點，可以滿足大氣成分探測的需求。在此基礎(chǔ)上確定了以改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀核心模塊的基本方案，并進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)影響因素分析，確定該方案能夠滿足指標(biāo)要求。通過對樣機的測試結(jié)果進(jìn)行了分析，證明該樣機的光譜分辨率、信噪比等指標(biāo)與理論設(shè)計分析結(jié)果較為接近，達(dá)到或優(yōu)于系統(tǒng)指標(biāo)需求。該樣機是基于星載太陽掩星探測模式所研制的超高光譜分辨率傅里葉變換紅外光譜儀，其核心干涉儀模塊對于臨邊和天底角觀測模式的大氣成分探測儀器也有一定的借鑒意義。

References)

[1]巫曉麗, 范東棟, 王平.空間大氣成分探測傅立葉變換紅外光譜儀[J].航天返回與遙感, 2007, 28(2): 15-20,28.WU Xiaoli, FAN Dongdong, WANG Ping.Fourier-Transform Infrared Spectrometer for Space Atmospheric Component Detecting[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(2): 15-20,28.(in Chinese)

[2]Beer R.The EOS AURA Tropospheric Emission Spectrometer[C]//12th Workshop on Atmospheric Science from Space using Fourier Transform Spectrometry. Quebec: ABB Bomen, 2005: 1-4.

[3]Soucy M A, Chateauneuf F, Deutsch C, et al.ACE-FTS Instrument Detailed Design[J].Proc. SPIE, 2002, 4814: 70-81.

[4]Burkert P, F Fergg, H Fischer.A Compact High-resolution M ichelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding(M IPAS)[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1983, 21(3): 345-349.

[5]Jaacks R G, Rippel H.Double Pendulum M ichelson Interferometer w ith Extended Spectral Resolution[J].Applied Optics,1989, 28(29): 1-30.

[6]Hearn D R. Fourier Transform Interferometry[D]. LEXINGTON: Lincoln Laboratory, 1999.

[7]Cohen D. Performance Degradation of A M ichelson Interferometer When Its M isalignment Angle Is A Rapidly Varying, Random Time Series[J].Applied Optics, 1997, 36(18): 4034-4042.

[8]Douglas L Cohen. Noise-Equivalent Change in Radiance for Sampling Noise in A Double-Sided Interferogram[J]. Applied Optics, 2003, 42(13): 2289-2300.

[9]Griffiths P R, Haseth J A. Fourier Transform Infrared Spectrometry (Second Edition)[M].New Jersey: John Wiley & Sons.inc.,2007.

[10]Meynart R. Sampling Jitter in Fourier-Transform Spectrometers: Spectral Broadening and Noise Effects[J]. Applied Optics,1992, 31(30): 6383-6388.

[11]Bell E E, Sanderson R B. Spectral Errors Resulting from Random Sampling Position Errors in Fourier Transform Spectroscopy[J].Applied Optics, 1972, 11(3): 688-689.