高明輝,鄭玉權(quán)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)

CO2探測(cè)儀單通道光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法

高明輝*,鄭玉權(quán)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)

為驗(yàn)證CO2探測(cè)儀光學(xué)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，采用單通道模擬樣機(jī)，利用太陽(yáng)光加漫反射板模式對(duì)大氣光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)單通道模擬樣機(jī)進(jìn)行光譜定標(biāo)。利用光譜配準(zhǔn)算法對(duì)兩種方法得出的譜線位置進(jìn)行匹配計(jì)算，結(jié)果表明：在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準(zhǔn)峰值點(diǎn)偏差小于0.006 nm，滿足算法的精度要求。此種方法不僅驗(yàn)證了匹配算法的有效性，也驗(yàn)證了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為以后的光譜儀設(shè)計(jì)提供了理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

探測(cè)儀；單通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)；漫反射板；光譜配準(zhǔn)

1 引言

全球氣候的不斷變化受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，其產(chǎn)生的根本原因是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)和氟氯烴化合物(CFCS)等大氣溫室氣體的排放不斷增加［1］。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排出大量廢氣、微塵等污染物質(zhì)進(jìn)入大氣，這些氣體都具有明顯的溫室效應(yīng)。但對(duì)于溫室氣體的監(jiān)測(cè)，主要依據(jù)該氣體的發(fā)射光譜和吸收光譜的強(qiáng)弱。在波長(zhǎng)1.594～2.08 μm范圍內(nèi)，CO2和CH4具有很強(qiáng)的吸收譜［2］，根據(jù)此特性進(jìn)行相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，以此來(lái)獲得氣體的譜線，通過(guò)譜線進(jìn)行濃度的反演。一般地，在地面驗(yàn)證其光學(xué)系統(tǒng)的合理和可行性。國(guó)外TANSO(Thermal and Nearinfrared Sensor for carbon Observation)衛(wèi)星光學(xué)載荷的光學(xué)測(cè)試采用在實(shí)驗(yàn)室搭建光學(xué)平臺(tái)，光源采用波長(zhǎng)為1.31 μm的激光二極管［3］，通過(guò)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。國(guó)內(nèi)大多也是在實(shí)驗(yàn)室采用可調(diào)諧的激光器作為光源，通過(guò)搭建的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器實(shí)現(xiàn)特定光譜、光強(qiáng)度和反射率的測(cè)試。國(guó)外的單通道光學(xué)系統(tǒng)如美國(guó)的AIRS衛(wèi)星采用卡薩格林的反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，前端利用濾光片分光，反射鏡片多達(dá)5片，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 美國(guó)AIRS衛(wèi)星準(zhǔn)直成像光路圖Fig.1 Collimator imaging optical path of AIRS satellite

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要采用非球面透鏡方式，準(zhǔn)直系統(tǒng)透鏡數(shù)量?jī)H為兩片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量，突破了傳統(tǒng)的國(guó)外設(shè)計(jì)方式。隨著科學(xué)應(yīng)用需求的提高，絕對(duì)輻射定標(biāo)驗(yàn)證是未來(lái)光譜儀星上定標(biāo)的基本要求。由于內(nèi)部參考標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)光路只能從光譜儀光路中間某個(gè)部位切入，不能進(jìn)行全光路定標(biāo)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定標(biāo)，只能對(duì)切入點(diǎn)之后的光路進(jìn)行相對(duì)定標(biāo)。如果在整個(gè)光路的最前方放置漫反射體，利用太陽(yáng)作為定標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)，采用可展開(kāi)收起的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全光路定標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)輻射定標(biāo)。另外，標(biāo)準(zhǔn)燈在軌期間自身性能會(huì)出現(xiàn)下降，也逐漸不滿足光譜儀的輻射定標(biāo)要求［4-7］。因此，為保持地面與空間模擬的狀態(tài)一致，采用太陽(yáng)作為入射光源，也作為輻射參考標(biāo)準(zhǔn)，提出一種利用太陽(yáng)光、漫反射板和探測(cè)器進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

2 太陽(yáng)與漫反射板驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理

太陽(yáng)是一個(gè)高度穩(wěn)定的光源。經(jīng)地球輻射收支衛(wèi)星(Earth Radiation Budget Satellite，ERBS)實(shí)測(cè)資料表明，從1984年到1999年的地球輻射量，太陽(yáng)輻射的變化不超過(guò)0.2%。太陽(yáng)的輻射總量近似為1 365 W/m2，其中短波輻射量占99.5%，長(zhǎng)波輻射占0.5%，太陽(yáng)輻射的年變化情況如圖2所示［8-10］。

圖2 ERBS記錄的從1984到1999年的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)Fig.2 Sun radiation data from 1984 to 1999 recorded by ERBS

太陽(yáng)到達(dá)CO2探測(cè)儀的輻射通量密度Is(λ)由下式定義：

式中：Im(λ)為日地平均距離上的太陽(yáng)光譜輻射通量密度，e0為地球軌道偏心率訂正因子，e0的定義如下式所示：

Is(λ)也可采用式(3)簡(jiǎn)化計(jì)算載荷在不同時(shí)間實(shí)際接收的太陽(yáng)輻射通量密度。

通過(guò)衛(wèi)星指向，使在CO2探測(cè)儀與太陽(yáng)直射入射方向相對(duì)固定的條件下，漫反射板的輻射亮度L(λ，dn)可由下式計(jì)算［11-15］：

式中：f(α，β)為漫反射板與太陽(yáng)直射方向夾角的角度修正因子，α，β分別為太陽(yáng)直射光相對(duì)漫反射板的入射天頂角和入射方位角；BRDF(λ，dn)為漫反射板雙向反射分布函數(shù)。

根據(jù)下式即可完成對(duì)探測(cè)儀絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的在軌校驗(yàn)。

漫反射板經(jīng)老化實(shí)驗(yàn)后，其太陽(yáng)定標(biāo)方位下的雙向反射分布函數(shù)，可通過(guò)現(xiàn)有反射率測(cè)量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)記錄監(jiān)視探測(cè)器地面試驗(yàn)輸出數(shù)值作為星上漫反射板衰減監(jiān)測(cè)的先驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 探測(cè)器輸出信噪比計(jì)算

太陽(yáng)照射到漫反射板的反射光通過(guò)系統(tǒng)的，照射到探測(cè)器上，由探測(cè)器輸出信噪比驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理和可行。

太陽(yáng)在地球大氣層邊沿的輻照度為1 358.79 W/m2。漫反射板與太陽(yáng)入射方向成45°，因此太陽(yáng)在漫反射板上的照度為：

漫反射板在探測(cè)器處的亮度為：

全波段漫反射板輻亮度：214.084 6 W/m2/sr。

由上面的計(jì)算，計(jì)算探測(cè)器處的光輻射通量。在λ1～λ2波段內(nèi)，探測(cè)器接收面處的輻照度為［16］：

探測(cè)器的有效面積為A，則λ1～λ2波段內(nèi)探測(cè)器接收的輻射通量為：

由以上公式計(jì)算出的探測(cè)器信噪比如表1所示。

表1 采用太陽(yáng)和漫反射板模式計(jì)算的探測(cè)器信噪比Tab.1 Detector SNR calculated through adopting the mode of sun and diffuser

經(jīng)過(guò)太陽(yáng)和漫反射板計(jì)算的探測(cè)器信噪比，能夠滿足系統(tǒng)技術(shù)要求，采取太陽(yáng)加漫反射板的方式是合理的，也驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)的合理性。

4 工作原理和組成

通過(guò)調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)，使太陽(yáng)光照射到漫反射板上，經(jīng)漫反射板反射后進(jìn)入遙感器，由探測(cè)器得到需要的光譜曲線，得到的曲線與OCO的比較［17-19］，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的成像精度。驗(yàn)證方法的設(shè)備包括：室外的漫反射板裝置、車載五自由度調(diào)整臺(tái)、帶探測(cè)器的遙感器、以及后端的處理軟件。其組成框圖如圖3所示。

其中，驗(yàn)證的單通道的光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。其中光學(xué)系統(tǒng)的透鏡采用JGS1(熔石英)材料。光學(xué)系統(tǒng)的公差分析，準(zhǔn)直鏡組偏心公差為10″；成像鏡組偏心公差為10″；光柵的傾斜和旋轉(zhuǎn)為10″。準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)中的準(zhǔn)直透鏡1到準(zhǔn)直透鏡2的間距在探測(cè)儀工作時(shí)要求較高，間距偏差不超過(guò)±3 μm；成像鏡系統(tǒng)中的成像透鏡1到成像透鏡2的間距要求偏差不超過(guò)±3 μm。

圖3 單通道光學(xué)系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Sketch map of single-channel optics validation system

圖4 單通道光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.4 Single-channel optical system

5 試驗(yàn)與討論

采用理論計(jì)算的高分辨率太陽(yáng)直射大氣吸收光譜作為算法的模擬輸入，將模擬參考譜與單通道的演示樣機(jī)(見(jiàn)圖5)獲取的實(shí)際觀測(cè)譜進(jìn)行匹配計(jì)算。在試驗(yàn)室首先對(duì)單通道的演示樣機(jī)進(jìn)行焦面和光譜定標(biāo)，焦面的準(zhǔn)確調(diào)整是采用線寬極窄(1 MHz)的可調(diào)激光器輸出單色光經(jīng)光纖耦合后照明樣機(jī)狹縫，通過(guò)調(diào)整探測(cè)器方位對(duì)演示驗(yàn)證樣機(jī)焦面進(jìn)行了精確裝調(diào)，示意圖如圖5所示。

′光譜定標(biāo)的中心波長(zhǎng)的標(biāo)定，采用焦距1.33 m MCpherson單色儀對(duì)樣機(jī)的線形函數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，單色儀的掃描分辨率為0.04 nm，波長(zhǎng)精度優(yōu)于0.05 nm，線形函數(shù)標(biāo)定后得到的樣機(jī)色散規(guī)律，作為儀器光譜標(biāo)定計(jì)算的初始解。線性函數(shù)標(biāo)定的流程圖如圖6所示。

圖5 演示樣機(jī)的焦面精確調(diào)整示意圖Fig.5 Sketch map of focus plane precise adjusting of demo device

圖6 譜線中心波長(zhǎng)線性函數(shù)標(biāo)定的流程圖Fig.6 Flow diagram of spectrum center wavelength linear function calibration

焦面校準(zhǔn)和光譜定標(biāo)試驗(yàn)完成后，采用演示樣機(jī)直接觀測(cè)室外大氣譜驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為獲得大氣光譜參考標(biāo)準(zhǔn)，利用LBLRTM大氣模擬軟件和HITRAN分子吸收庫(kù)計(jì)算室外觀測(cè)的模擬參考光譜，計(jì)算分辨率為0.004 nm，直接觀測(cè)的原始圖像(13 μm×13 μm，幅面尺寸616 pixel× 1 280 pixel)。如圖7所示。理論計(jì)算的高分辨率大氣吸收光譜如圖8所示。

模擬參考光譜與實(shí)測(cè)樣機(jī)線形函數(shù)卷積后經(jīng)歸一化與樣機(jī)實(shí)際觀測(cè)光譜的比較如圖9所示，結(jié)果表明，光譜特征與相對(duì)吸收深度非常吻合，驗(yàn)證了樣機(jī)獲取高分辨率大氣吸收光譜的能力，但是譜線位置存在相應(yīng)偏差。

圖7 演示驗(yàn)證樣機(jī)采集原始圖像Fig.7 Demonstration of original image collection

圖8 理論計(jì)算的高分辨率大氣吸收光譜Fig.8 High resolution atmosphere absorption spectroscopy obtained by theory calculation

圖9 理論模擬光譜與實(shí)測(cè)大氣譜比較曲線圖Fig.9 Comparison curves between theory simulation spectrum and actual atmospheric spectrum

進(jìn)一步采用自行開(kāi)發(fā)的光譜配準(zhǔn)算法對(duì)譜線位置進(jìn)行了匹配計(jì)算，匹配算法采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定標(biāo)后預(yù)校準(zhǔn)的測(cè)量譜線與大氣理論參考譜線均方根最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用大規(guī)模搜索算法尋優(yōu)穩(wěn)定譜線匹配的最佳收斂解，進(jìn)而校準(zhǔn)儀器中心波長(zhǎng)矩陣表，其中譜線搜索匹配算法采用的是高斯-牛頓算法。譜線匹配光譜標(biāo)定方法框圖如圖10所示。

圖10 譜線匹配光譜標(biāo)定方法框圖Fig.10 Block diagram of spectrum calibration method with spectral line matching

譜線匹配結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準(zhǔn)峰值點(diǎn)偏差小于0.006 nm，取763～766 nm進(jìn)行放大，利于分析譜線配準(zhǔn)效果，也初步驗(yàn)證配準(zhǔn)算法的有效性，從而驗(yàn)證單通道光學(xué)系統(tǒng)的合理性和可行性，為下一步工程設(shè)計(jì)提供正確的光學(xué)參考條件。

圖11 與理論譜的波長(zhǎng)匹配效果Fig.11 Matching effect of the measured spectrum and the theory simulation spectrum

6 結(jié)論

通過(guò)利用單通道原理樣機(jī)，在焦面精確調(diào)整和光譜中心波長(zhǎng)定標(biāo)后，由LBLRTM大氣模擬軟件和HITRAN分子吸收庫(kù)來(lái)計(jì)算室外觀測(cè)的模擬參考光譜，并進(jìn)行外部的實(shí)際大氣光譜的測(cè)試，采用光譜配準(zhǔn)算法對(duì)兩種譜線位置進(jìn)行匹配計(jì)算，得出在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準(zhǔn)峰值點(diǎn)偏差小于0.006 nm，驗(yàn)證匹配算法的有效性和單通道光學(xué)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。這種采用單通道演示樣機(jī)方法能夠準(zhǔn)確、高效地驗(yàn)證光學(xué)設(shè)計(jì)的正確性，為后續(xù)工程項(xiàng)目的開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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Validation method of single-channel optical system design of CO2detector

GAO Ming-hui*，ZHENG Yu-quan
(Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)

The single-channel demonstration is adopted to validate the rationality and feasibility of CO2detector optical system.Atmosphere spectrum is tested by experiment with the mode of sun light and diffuser.The spectrum calibration of the single-channel demonstration is carried out in lab.The matching calculation of two spectral position obtained from above two ways is carried on by using spectral matching algorithm.The result shows that the absorption peak point deviation is less than 0.006 nm in the line depth stable position，which could meet accuracy requirement of algorithm.This way can not only verify the validity of the matching algorithm，but also the rationality and feasibility of optical system design.The research provides the theoretical and practical optical reference data for spectrometer design in the future.

detector；single-channel optical system；diffuser；spectrum matching

TP722.3

A

10.3788/CO.20140706.0949

2095-1531(2014)06-0949-07

高明輝(1971—)，男，吉林榆樹(shù)人，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析，檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的研究。E-mail：ccgaomh@163.com

鄭玉權(quán)(1972—)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士，研究員，主要從事航空航天高光譜成像技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光譜輻射定標(biāo)等方面的研究。E-mail：zhengyq@skao.ac.cn

2014-09-21；

2014-11-24

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2010AA1221091001)

*Corresponding author，E-mail：ccgaomh@163.com