李碧岑 李明 徐彭梅

?

星載大氣監(jiān)測(cè)光譜儀高精度星上定標(biāo)技術(shù)

李碧岑 李明 徐彭梅

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

大氣成分的高精度反演及應(yīng)用對(duì)星載超光譜載荷的輻射精度和光譜精度均提出了更高要求，且隨著遙感器運(yùn)行壽命的不斷延長(zhǎng)，需建立高精度、高穩(wěn)定的星上定標(biāo)系統(tǒng)。文章介紹了一種滿足大氣監(jiān)測(cè)光譜儀高精度定標(biāo)要求的星上定標(biāo)技術(shù)，結(jié)合時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀的技術(shù)特點(diǎn)，制定了星上絕對(duì)輻射定標(biāo)、儀器線形函數(shù)ILS測(cè)量和光譜定標(biāo)的方案。采用太陽(yáng)漫反射板定標(biāo)法實(shí)現(xiàn)全口徑、全視場(chǎng)、全光路絕對(duì)輻射定標(biāo)，定標(biāo)漫反射板在光譜儀光路的最前端將太陽(yáng)光譜引入，通過(guò)已知的大氣層外太陽(yáng)光譜照度和地面標(biāo)定的漫反射板雙向反射分布函數(shù)BRDF確立星上絕對(duì)輻射定標(biāo)基準(zhǔn)。設(shè)置參考漫反射板進(jìn)行在軌性能衰減的監(jiān)測(cè)和校正，采用的QVD漫反射板具有高穩(wěn)定性，可保證全壽命周期內(nèi)星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%。星上設(shè)置單色穩(wěn)頻激光器對(duì)光譜儀的儀器線形函數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，以評(píng)估光譜儀的光譜分辨率等光學(xué)性能的在軌狀態(tài)。利用太陽(yáng)光譜和大氣光譜中的特征譜線進(jìn)行在軌波長(zhǎng)校正。

漫反射板 儀器線形函數(shù) 波長(zhǎng)校正 絕對(duì)輻射定標(biāo) 大氣監(jiān)測(cè)光譜儀 航天遙感 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

對(duì)于大氣超光譜遙感載荷而言，光譜數(shù)據(jù)的輻射精度和光譜精度是影響大氣成分反演的重要因素[1]。其中，輻射精度，即測(cè)量光譜輻亮度的精度，是大氣吸收強(qiáng)度的直接表征信息，與載荷定標(biāo)精度、儀器的信噪比以及反演過(guò)程引入的誤差等密切相關(guān)；光譜精度，主要是譜線的位置精度，是影響大氣吸收譜線精確定位的主要因素。上述兩個(gè)因素都需要通過(guò)發(fā)射前和在軌的精確定標(biāo)來(lái)保證。

國(guó)外的空間大氣光譜探測(cè)技術(shù)研究起步較早，在高精度星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)豐富。GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）和SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption Spectro Meter for Atmospheric Cartograp HY）采用鋁漫反射板反射太陽(yáng)光進(jìn)行輻射定標(biāo)，但鋁漫反射板會(huì)對(duì)其反射太陽(yáng)光譜引入一定的光譜結(jié)構(gòu)，影響反演結(jié)果的精度[2]。TANSO-FTS（Thermal and Near Infrared Sensor for Carbon Observation Fourier-Transform Spectrometer）采用Spectralon漫反射板進(jìn)行星上輻射定標(biāo)，其入軌后一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，每軌定標(biāo)使用的漫反射板相比每月一次校正用漫反射板的反射率在0.76μm譜段衰減了約7%[3]。OMI（Ozone Monitoring Instrument）[4]和GOME-2[5]均采用了一種自身光譜結(jié)構(gòu)很小的石英漫射板（Quasi Volume Diffuser, QVD），其在軌性能穩(wěn)定，OMI的QVD漫射板在500nm處的在軌10年衰減小于3%。OMI和GOME-2在發(fā)射前除了進(jìn)行亮度和照度的絕對(duì)定標(biāo)外，對(duì)載荷的另一重要輻射定標(biāo)參數(shù)系統(tǒng)級(jí)雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，即亮度和照度定標(biāo)結(jié)果的比值。系統(tǒng)級(jí)BRDF的標(biāo)定消除了載荷對(duì)地光路和星上定標(biāo)光路的差異對(duì)定標(biāo)精度的影響，且所采用光源的輻射輸出無(wú)需精確標(biāo)定，可有效提升載荷的星上定標(biāo)精度[2]。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)遙感載荷定量化應(yīng)用需求的不斷提高和衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命的延長(zhǎng)，均開(kāi)始設(shè)計(jì)并配備高精度的星上定標(biāo)裝置[6]，星上定標(biāo)精度擬提升到5%[7]，以滿足對(duì)地遙感的大部分定量化反演要求。“高分五號(hào)”作為我國(guó)首顆高光譜觀測(cè)衛(wèi)星，具備對(duì)大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等要素的定量監(jiān)測(cè)能力，其搭載的多個(gè)用于大氣監(jiān)測(cè)的高光譜載荷采用了高精度星上光譜和輻射定標(biāo)技術(shù)，以滿足高精度數(shù)據(jù)應(yīng)用需求[8-10]。本文以某一用于大氣監(jiān)測(cè)的傅里葉變換光譜儀為例，介紹了其高精度在軌光譜和輻射定標(biāo)方案和星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 大氣監(jiān)測(cè)光譜儀簡(jiǎn)介

星載大氣監(jiān)測(cè)光譜儀用于大氣中氣體濃度變化的在軌定量監(jiān)測(cè)，相比成像型的遙感相機(jī)，大氣成分的高精度反演對(duì)光譜儀的性能和定標(biāo)精度均提出了更高要求。除了必須在發(fā)射前進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)，還必須建立高精度、高穩(wěn)定的星上定標(biāo)系統(tǒng)，以保證載荷全壽命周期內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的品質(zhì)。

某大氣監(jiān)測(cè)光譜儀采用時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換分光的技術(shù)路線，光譜儀主要由二維指向機(jī)構(gòu)、干涉儀組件、后光學(xué)組件、分色匯聚光學(xué)組件、探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)等組成，其核心組件為一臺(tái)雙角鏡擺臂式干涉儀。入射光經(jīng)指向鏡進(jìn)入干涉儀組件，通過(guò)干涉儀的光程掃描實(shí)現(xiàn)干涉分光后由后光學(xué)組件進(jìn)行壓束，經(jīng)分色匯聚光學(xué)組件分為4個(gè)通道并分別匯聚至各譜段的單元探測(cè)器上，探測(cè)器獲取的干涉信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后可得到大氣成分對(duì)地表反射太陽(yáng)輻射的吸收光譜，從而定量反演各成分的濃度分布信息，應(yīng)用于全球變暖等氣候變化問(wèn)題的研究。

光譜儀在近紅外和短波紅外波段設(shè)置了4個(gè)工作譜段，分別為0.75~0.77μm、1.56~1.72μm、1.92~2.08μm、2.20~2.38μm，其近紅外和短波紅外譜段的光譜分辨率分別優(yōu)于0.6cm–1和0.27cm–1。光譜儀視場(chǎng)角為15.8mrad，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度要求優(yōu)于5%。為保證全壽命周期內(nèi)光譜數(shù)據(jù)的精度，需設(shè)置星上定標(biāo)系統(tǒng)，定期對(duì)光譜儀的光譜和輻射性能進(jìn)行標(biāo)定。

2 星上定標(biāo)方案設(shè)計(jì)

2.1 星上輻射定標(biāo)

（1）星上輻射定標(biāo)方案設(shè)計(jì)

發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)、在軌運(yùn)行期間的空間粒子輻射、污染、元器件老化等因素都可能引起光譜儀光譜響應(yīng)特性的衰減和變化[11]，使得實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)在衛(wèi)星在軌飛行期間可能不再適用，如GOSAT（Greenhouse Gases Observing Satellite）衛(wèi)星搭載的TANSO-FTS光譜儀入軌后3年相對(duì)于發(fā)射前定標(biāo)的輻射衰減在近紅外譜段約18%~20%，短波紅外譜段約5%~7%[12]。對(duì)于工作在太陽(yáng)反射譜段的遙感器，多利用太陽(yáng)這一長(zhǎng)期穩(wěn)定的寬帶光源，采用太陽(yáng)漫反射板定標(biāo)法對(duì)儀器入軌后的輻射性能進(jìn)行標(biāo)定，該方法具有全口徑、全視場(chǎng)、全光路等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的輻射定標(biāo)精度。然而，漫反射板會(huì)受空間紫外輻照、高能粒子轟擊等發(fā)生性能衰變，如聚四氟乙烯材料在紫外和可見(jiàn)光波段衰減明顯。因此，為保證全壽命周期內(nèi)遙感器的定標(biāo)精度，除了采用空間環(huán)境下具有高穩(wěn)定性的漫反射材料，需建立對(duì)漫反射板反射性能衰減的在軌監(jiān)測(cè)手段。

解決方法之一是設(shè)計(jì)一種比輻射計(jì)，通過(guò)比較太陽(yáng)輻照度和漫反射板反射輻亮度進(jìn)行漫反射板BRDF的變化監(jiān)測(cè)[7]，該方法的局限在于僅可對(duì)部分譜段以及漫反射板的部分區(qū)域和部分觀測(cè)角度下的BRDF進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與星上定標(biāo)的實(shí)際狀態(tài)存在偏差。對(duì)于口徑相對(duì)較小的遙感器，在體積質(zhì)量等條件允許的情況下，可設(shè)置參考漫反射板，通過(guò)兩塊漫反射板定標(biāo)結(jié)果的比對(duì)實(shí)現(xiàn)漫反射板在軌衰減的監(jiān)測(cè)和校正。該校正方法與常規(guī)定標(biāo)的測(cè)試狀態(tài)完全一致，精度更高。

本文光譜儀的星上絕對(duì)輻射定標(biāo)利用漫反射板引入太陽(yáng)輻射作為定標(biāo)源，采用兩塊180°配置的漫反射板，一塊用于每軌一次的太陽(yáng)定標(biāo)，另一塊作為參考板，使用頻次設(shè)計(jì)為每月一次，用于與常規(guī)板的比對(duì)校正。

（2）漫反射板的選用、設(shè)計(jì)及測(cè)試

隨著遙感器設(shè)計(jì)壽命的延長(zhǎng)，漫反射板的選用需充分考慮材料的在軌衰減情況。QVD漫反射板材料為石英玻璃，對(duì)空間輻射不敏感，在軌性能的衰減僅由表面污染引起，相比聚四氟乙烯（如Spectralon）漫反射板具有極高的在軌穩(wěn)定性。QVD漫反射板可通過(guò)漫反射板表面粗糙度的加工，滿足不同角度、紫外至短波紅外譜段不同光譜的BRDF要求，角度均勻性好[13]。

采用兩塊相同的QVD漫反射板，設(shè)計(jì)直徑為150mm，置于光譜儀光路的最前端，可保證全視場(chǎng)、全口徑和全光路覆蓋。漫反射板前后表面均具有一定粗糙度，后表面鍍鋁膜，以實(shí)現(xiàn)所需角度下BRDF的角均勻性和面均勻性要求。

漫反射板的BRDF與入射角度相關(guān)，光譜儀在軌定標(biāo)時(shí)的太陽(yáng)入射角度需考慮衛(wèi)星軌道參數(shù)及其在軌漂移情況、地氣雜光影響、平臺(tái)結(jié)構(gòu)遮擋等因素，并結(jié)合這些因素確定太陽(yáng)定標(biāo)的時(shí)機(jī)?？紤]上述因素后，設(shè)計(jì)全壽命周期內(nèi)太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)段對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光與漫反射板的夾角關(guān)系如圖1所示，其中為衛(wèi)星坐標(biāo)系，為衛(wèi)星飛行方向，為穿軌方向，為星下點(diǎn)方向。太陽(yáng)光相對(duì)面的夾角的變化范圍為20°~35°，太陽(yáng)光在平面內(nèi)的投影與軸的夾角的變化范圍為10°~27°。漫反射板法線平行于-軸，則定標(biāo)期間太陽(yáng)光與定標(biāo)漫反射板法線夾角，也就是太陽(yáng)光入射角變化范圍為55°~70°。

圖1 星上太陽(yáng)定標(biāo)期間太陽(yáng)光與定標(biāo)漫反射板的夾角關(guān)系

針對(duì)光譜儀的工作譜段和在軌太陽(yáng)定標(biāo)角度，對(duì)漫反射板表面粗糙度設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。可以看出，當(dāng)粗糙度大于2μm后的漫反射板BRDF角度均勻性較高，粗糙度2μm至6.5μm的漫反射板BRDF的相對(duì)變化在5%~7%以內(nèi)。進(jìn)一步地，利用顯微鏡和探測(cè)器對(duì)面均勻性進(jìn)行測(cè)定，得出粗糙度2μm的漫反射板的面均勻性最佳。另一方面，定標(biāo)漫反射板的BRDF設(shè)計(jì)需滿足太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)經(jīng)定標(biāo)漫反射板反射后的太陽(yáng)光譜輻亮度與光譜儀各譜段的平均入射光譜輻亮度相匹配，且不超出光譜儀的動(dòng)態(tài)范圍上限，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同表面粗糙度漫反射板的BRDF相對(duì)角度變化情況

圖3 漫反射板出射輻亮度與光譜儀動(dòng)態(tài)范圍符合情況

在星上定標(biāo)系統(tǒng)安裝至光譜儀整機(jī)后，考慮到裝配誤差和雜光等因素的影響，需在實(shí)驗(yàn)室對(duì)定標(biāo)漫反射板在不同波長(zhǎng)和不同太陽(yáng)光入射角條件下進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)BRDF標(biāo)定[14-15]。使用太陽(yáng)模擬器作為光源，使其分別照射光譜儀的星上定標(biāo)通道和對(duì)地通道，其中對(duì)地通道采用一已知BRDF的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板將入射光引入，利用兩次測(cè)量的比值獲得漫反射板的系統(tǒng)級(jí)BRDF，更為接近星上定標(biāo)系統(tǒng)的在軌真實(shí)工作狀態(tài)，相比利用元件級(jí)的漫反射板BRDF進(jìn)行星上定標(biāo)，可獲得更高的星上輻射定標(biāo)精度。經(jīng)分析（見(jiàn)表1），光譜儀所采用的系統(tǒng)級(jí)BRDF標(biāo)定方法的測(cè)量誤差可優(yōu)于3%。

表1 光譜儀短波紅外譜段定標(biāo)漫反射板系統(tǒng)級(jí)BRDF的測(cè)量誤差

Tab.1 Instrument BRDF error of calibration diffuser of SWIR channel

（3）星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分析

光譜儀的星上絕對(duì)輻射定標(biāo)是通過(guò)已知的大氣層外太陽(yáng)光譜照度數(shù)據(jù)、在軌實(shí)時(shí)太陽(yáng)矢量（太陽(yáng)光入射角度）和漫反射板BRDF的地面標(biāo)定結(jié)果確立輻亮度標(biāo)準(zhǔn)，并在衛(wèi)星處于地影區(qū)時(shí)進(jìn)行深空暗背景數(shù)據(jù)的采集。在某一波數(shù)處，太陽(yáng)光經(jīng)定標(biāo)漫反射板散射后入射到光譜儀的輻亮度S()為：

式中()為太陽(yáng)輻照度；BRDF(iiss)為定標(biāo)漫反射板的雙向反射分布函數(shù)，它是入射光照度和反射光亮度的比值，與入射光波長(zhǎng)、入射光線和出射光線的角度有關(guān)；i為太陽(yáng)光和定標(biāo)漫反射板法線的夾角；s為出射光與漫反射板法線的夾角，i與s主分別為入射光和出射光的方位角[16]。太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)光譜儀采集信號(hào)為DNS()；深空暗背景觀測(cè)時(shí)采集信號(hào)為DN0()，可得到光譜儀的輻射定標(biāo)方程：

式中 DN()為光譜儀對(duì)地觀測(cè)時(shí)的測(cè)量信號(hào)；()為與DN()對(duì)應(yīng)的對(duì)地觀測(cè)時(shí)的入瞳輻亮度。

星上輻射定標(biāo)需利用定標(biāo)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的在軌實(shí)測(cè)參數(shù)，如衛(wèi)星姿態(tài)信息、太陽(yáng)光相對(duì)漫反射板的入射和出射角度，以及參考漫反射板的定標(biāo)結(jié)果等，對(duì)定標(biāo)模型進(jìn)行修正。修正后仍存在的殘余誤差及其它不可修正項(xiàng)即構(gòu)成了星上輻射定標(biāo)精度。以光譜儀短波紅外通道（1.6μm）為例，絕對(duì)輻射定標(biāo)環(huán)節(jié)中的主要誤差來(lái)源及參考貢獻(xiàn)值分析如表2所示。其中，太陽(yáng)照度數(shù)據(jù)來(lái)源于已有科學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，目前其測(cè)量不確定度可優(yōu)于2%；太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)和對(duì)地觀測(cè)時(shí)的光譜輸出信號(hào)誤差主要源自于儀器的噪聲影響；太陽(yáng)光入射角度誤差主要受衛(wèi)星姿態(tài)和星上實(shí)時(shí)太陽(yáng)矢量計(jì)算誤差的影響，會(huì)導(dǎo)致入射照度和漫反射板BRDF的不確定，對(duì)于朗伯性很好的漫反射板該部分誤差影響很?。浑s散光的影響已通過(guò)系統(tǒng)級(jí)BRDF標(biāo)定有所抑制，并采用遮光罩、擋光板等措施抑制在軌星表反射太陽(yáng)光所產(chǎn)生的雜光，該項(xiàng)誤差主要考慮地面測(cè)試和分析與在軌真實(shí)狀態(tài)的差異；系統(tǒng)非線性誤差來(lái)源于干涉信號(hào)零光程差處峰值信號(hào)所引入的非線性調(diào)制因子；根據(jù)OMI的QVD漫反射板反射性能的在軌衰減數(shù)據(jù)，預(yù)估本方案參考漫反射板BRDF的8年衰減小于0.5%。綜合分析可知，光譜儀短波紅外通道（1.6μm）壽命末期星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度為4.33%。此外，譜段1、譜段3和譜段4的星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分別為3.91%、4.36%和4.39%，均滿足5%的指標(biāo)要求。

表2 光譜儀短波紅外譜段星上絕對(duì)輻射定標(biāo)誤差分析

Tab.2 On-board absolute radiometric calibration accuracy of SWIR channel

2.2 星上ILS測(cè)量

儀器線形函數(shù)（Instrument Line Shape, ILS）表征了光譜儀對(duì)于一個(gè)給定波長(zhǎng)的單色光源的光譜響應(yīng)，光譜儀的測(cè)量光譜是真實(shí)光譜與ILS卷積的結(jié)果。對(duì)于具有超高光譜分辨率且絕對(duì)精度要求很高的儀器，其輻射定標(biāo)和波長(zhǎng)定標(biāo)都需要將基準(zhǔn)光譜與ILS卷積，卷積后的結(jié)果與光譜儀實(shí)測(cè)信號(hào)比對(duì)來(lái)完成定標(biāo)參數(shù)的計(jì)算。短波紅外譜段的大氣光譜數(shù)據(jù)反演對(duì)ILS的變化非常敏感，需要設(shè)置星上ILS測(cè)量手段。

本方案設(shè)計(jì)利用波長(zhǎng)為1 664.5nm的窄線寬半導(dǎo)體激光器作為輸入光源進(jìn)行ILS測(cè)量，激光線寬優(yōu)于10MHz，遠(yuǎn)小于光譜儀的光譜分辨率，可保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。定標(biāo)激光器內(nèi)部設(shè)置了半導(dǎo)體制冷器和熱敏電阻，對(duì)定標(biāo)激光器進(jìn)行制冷和精確控溫，以保證輸出激光的頻率穩(wěn)定性。

圖4 利用星上激光器測(cè)試的ILS光譜

激光器發(fā)出的單色穩(wěn)頻激光由星上定標(biāo)漫反射板引入光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，將光譜儀獲取的單色激光干涉信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換后即獲得經(jīng)光譜儀展寬后的輸入激光光譜，即光譜儀的ILS，如圖4所示。另外，ILS函數(shù)的半高寬可反映光譜儀的光譜分辨率，光譜分辨率實(shí)測(cè)結(jié)果為0.262cm–1，滿足指標(biāo)要求。ILS的測(cè)量精度主要由激光器溫度和輸出功率的不穩(wěn)定度和光譜儀信號(hào)噪聲決定，激光器溫度和輸出功率的不穩(wěn)定度<0.1%，光譜儀噪聲<0.7%，ILS的測(cè)量精度約為0.7%。

2.3 在軌波長(zhǎng)校正

光譜儀的實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)多采用特征譜線燈[17]、單色激光器、氣體池結(jié)合不同光源（積分球、黑體等）的方法[18]，可實(shí)現(xiàn)的光譜定標(biāo)精度很高，但在星上應(yīng)用方面受限于功耗、體積、質(zhì)量及壽命等要求，工程實(shí)現(xiàn)存在難度。星上光譜定標(biāo)有采用鹵鎢燈[19]和稀土摻雜漫反射板[20-21]的方式，但摻雜漫射板的光譜特征分辨率較低，不適用于具有超高光譜分辨率的遙感器。目前，國(guó)外已發(fā)射的多個(gè)超光譜載荷，如文獻(xiàn)[22]、文獻(xiàn)[23]多借助太陽(yáng)光譜和大氣吸收光譜進(jìn)行其在軌波長(zhǎng)定標(biāo)。

光譜儀處于太陽(yáng)定標(biāo)模式時(shí)，利用太陽(yáng)定標(biāo)獲得的光譜信號(hào)里的太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)線的波長(zhǎng)信息進(jìn)行在軌波長(zhǎng)校正；光譜儀工作在常規(guī)觀測(cè)模式時(shí)，通過(guò)對(duì)地面均勻場(chǎng)景進(jìn)行觀測(cè)，利用探測(cè)光譜信號(hào)里的大氣吸收線的波長(zhǎng)信息進(jìn)行在軌波長(zhǎng)校正。太陽(yáng)光譜中的特征吸收線較大氣吸收光譜更為尖銳，獲得的波長(zhǎng)位置更為精確，而大氣吸收光譜無(wú)Doppler效應(yīng)的影響，兩種方法相結(jié)合，可得到更為準(zhǔn)確的光譜校正結(jié)果。

使用太陽(yáng)光譜和大氣吸收光譜進(jìn)行星上波長(zhǎng)定標(biāo)計(jì)算時(shí)，首先使用已知的太陽(yáng)光譜或大氣吸收光譜與光譜儀的ILS進(jìn)行卷積，將卷積后的已知光譜與光譜儀實(shí)測(cè)得到的測(cè)量光譜采用標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行比較后確定測(cè)量光譜各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值，完成波長(zhǎng)定標(biāo)。

圖5 星上波長(zhǎng)定標(biāo)時(shí)的數(shù)據(jù)處理示意

星上波長(zhǎng)定標(biāo)時(shí)的數(shù)據(jù)處理示意如圖5所示。沿波數(shù)軸按一定步長(zhǎng)對(duì)測(cè)量光譜進(jìn)行逐次平移，逐次計(jì)算平移后的測(cè)量光譜與已知光譜的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差為最小時(shí)的測(cè)量光譜與波數(shù)軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系即為星上波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為，

式中為采樣點(diǎn)數(shù)；ν為采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波數(shù)；0()為已知光譜數(shù)據(jù)；()為測(cè)量光譜數(shù)據(jù)。

3 星上定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作過(guò)程描述

根據(jù)上述星上定標(biāo)方案，設(shè)計(jì)的光譜儀星上定標(biāo)系統(tǒng)組成如圖6所示，由漫反射板定標(biāo)機(jī)構(gòu)、激光器和定標(biāo)控制器組成，定標(biāo)控制器用于機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)和激光器電流的控制。星上定標(biāo)流程示意圖如圖7所示，為避免太陽(yáng)光的影響衛(wèi)星處于地影區(qū)內(nèi)進(jìn)行ILS測(cè)量和深空冷背景數(shù)據(jù)采集。衛(wèi)星出地影區(qū)后、星下點(diǎn)日出前進(jìn)行太陽(yáng)定標(biāo)。考慮氣體反演精度對(duì)每軌定標(biāo)數(shù)據(jù)的精度要求，設(shè)計(jì)對(duì)太陽(yáng)和深空冷背景的觀測(cè)每軌進(jìn)行，每月進(jìn)行一次ILS測(cè)量。

圖6 星上定標(biāo)系統(tǒng)組成示意

圖7 星上定標(biāo)流程示意

兩塊漫反射板的切換由定標(biāo)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，定標(biāo)時(shí)光譜儀的指向機(jī)構(gòu)指向漫反射板方向，將太陽(yáng)輻射引入干涉儀。參考板不使用時(shí)，受定標(biāo)機(jī)構(gòu)外殼保護(hù)，與空間環(huán)境隔離，以保證其在軌所受空間輻射和污染的影響降至最低。定標(biāo)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)直驅(qū)方式，采用2組微動(dòng)開(kāi)關(guān)判斷漫反射板工作位置，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、可靠性高。圖8為定標(biāo)機(jī)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)示意。

圖8 星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)組成

對(duì)應(yīng)用于大氣成分定量監(jiān)測(cè)的超光譜載荷而言，星上絕對(duì)輻射定標(biāo)是保證氣體濃度反演精度的關(guān)鍵，而儀器線形函數(shù)測(cè)量和波長(zhǎng)校正是進(jìn)行輻射定標(biāo)的前提。光譜儀的星上定標(biāo)工作原理如圖9所示，定標(biāo)采集的光譜數(shù)據(jù)需首先進(jìn)行ILS卷積處理和波長(zhǎng)校正，而后才能進(jìn)行輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)星上ILS測(cè)量與發(fā)射前ILS的比對(duì)，可監(jiān)測(cè)光譜儀在軌光譜響應(yīng)特性的變化情況。根據(jù)星上太陽(yáng)定標(biāo)數(shù)據(jù)和暗背景測(cè)量數(shù)據(jù)獲得星上絕對(duì)輻射定標(biāo)方程，并與發(fā)射前定標(biāo)方程進(jìn)行比對(duì)，對(duì)發(fā)射前定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行修正，同時(shí)評(píng)估漫反射板和儀器的在軌衰減或變化情況。

圖9 光譜儀星上定標(biāo)原理示意

4 結(jié)束語(yǔ)

星載大氣監(jiān)測(cè)光譜儀星上定標(biāo)方案的設(shè)計(jì)在總結(jié)和借鑒國(guó)外先進(jìn)載荷在軌應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傅里葉變換光譜載荷的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的星上定標(biāo)系統(tǒng)具備全口徑、全視場(chǎng)、全光路絕對(duì)輻射定標(biāo)和ILS測(cè)量能力。漫反射板定標(biāo)裝置具有在軌高穩(wěn)定性和可靠性，漫反射板的系統(tǒng)級(jí)BRDF可降低定標(biāo)裝置裝配誤差和系統(tǒng)雜光的影響，可保證全壽命周期光譜儀各譜段絕對(duì)輻射定標(biāo)精度均優(yōu)于5%。ILS卷積作為光譜數(shù)據(jù)處理的必要環(huán)節(jié)，星上窄線寬穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì)可滿足光譜儀短波紅外譜段的星上ILS測(cè)量要求，并可在軌實(shí)時(shí)評(píng)估光譜儀的光譜分辨率等光學(xué)性能。配備滿足高精度反演要求、在軌穩(wěn)定性好的星上定標(biāo)裝置，是定量遙感載荷發(fā)展的重要趨勢(shì)，本文介紹的高精度星上定標(biāo)技術(shù)可應(yīng)用于工作在太陽(yáng)反射譜段的星載光譜儀等具有高精度定量應(yīng)用需求的遙感器，為我國(guó)的環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)、氣候變化研究、資源勘查、防災(zāi)減災(zāi)等行業(yè)提供高質(zhì)量、高可靠度的高光譜遙感數(shù)據(jù)服務(wù)。

[1] CRISP D, FISHER B M, O’DELL C, et al. The ACOS CO2Retrieval Algorithm-Part II: Global XCO2Data Characterization[J]. Atmos. Meas. Tech, 2012, 5: 687-707.

[2] DOBBER M, DIRKSEN R, LEVELT P, et al. Ozone Monitoring Instrument Calibration[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44(5): 1209-1238.

[3] KUZE A, O’BRIEN D M, TAYLOR T E, et al. Vicarious Calibration of the GOSAT Sensors Using the Railroad Valley Desert Playa[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(5): 1781-1795.

[4] DOBBER M, DIRKSEN R, LEVELT P, et al. Ozone Monitoring Instrument In-flight Performance and Calibration[C]. Optical Design and Engineering II. Jena: SPIE, 2005.

[5] CALLIES J, CORPACCIOLI E, EISINGER M, et al. GOME-2 Ozone Instrument On-board the European METOP Satellites[C]. Weather and Environmental Satellites. Bellingham: SPIE, 2004.

[6] 李曉暉, 顏昌翔. 成像光譜儀星上定標(biāo)技術(shù)[J]. 中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué), 2009, 2(4): 309-315. LI Xiaohui, YAN Changxiang. Onboard Calibration Technologies for Hyper-Spectral Imager[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2009, 2(4): 309-315. (in Chinese)

[7] 趙艷華, 董建婷, 張秀茜, 等. 漫反射板全光路全視場(chǎng)全口徑在軌輻射定標(biāo)技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2016, 37(2): 92-99. ZHAO Yanhua, DONG Jianting, ZHANG Xiuqian, et al. In-orbit Radiometric Calibration Technology Based on Diffuse Reflection Plate in Full Bore, Full FOV and Full Optical Path[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(2): 92-99. (in Chinese)

[8] 趙敏杰, 司福祺, 江宇, 等. 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀定標(biāo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 9(1): 57-60. ZHAO Minjie, SI Fuqi, JIANG Yu, et al. Design of Calibration Mechanism on Space-Borne Differential Optical Absorption Spectrometer[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2014, 9(1): 57-60. (in Chinese)

[9] 范斌, 陳旭, 李碧岑, 等. “高分五號(hào)”衛(wèi)星光學(xué)遙感載荷的技術(shù)創(chuàng)新[J]. 紅外與激光工程, 2017, 46(1): 0102002-1-7. FAN Bin, CHEN Xu, LI Bicen, et al. Technical Innovation of Optical Remote Sensing Payloads Onboard GF-5 Satellite[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(1): 0102002-1-7. (in Chinese)

[10] 甘偉偉. 溫室氣體監(jiān)測(cè)儀全過(guò)程定標(biāo)軟件開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)[D]. 合肥: 中國(guó)科技大學(xué), 2017. GAN Weiwei. Development and Implementation of Whole Process Calibration Software for The Greenhousegases Monitoring Instrument[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2017. (in Chinese)

[11] 楊本永, 張黎明, 楊寶云, 等. 光學(xué)傳感器星上定標(biāo)漫射板空間穩(wěn)定性測(cè)試與分析[J]. 中國(guó)激光, 2009, 36(11): 3026-3030. YANG Benyong, ZHANG Liming, YANG Baoyun, et al. Space Stability Measurement and Analysis of Diffuser Panel Used for On-Board Calibration for Satellite Optical Sensors[J]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(11): 3026-3030. (in Chinese)

[12] KUZE A, TAYLOR T E, KATAOKA F, et al. Long-Term Vicarious Calibration of GOSAT Short-Wave Sensors: Techniques for Error Reduction and New Estimates of Radiometric Degradation Factors[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(7): 3991-4004.

[13] BILGEHAN G, HANS B, PENGMEI X, BICEN L. Solar Diffusers in Earth Observation Instruments with an Illumination Angle of up to 70°: Design and Verification of Performance in BRDF[C]. Conference on Earth Observing Systems. San Diego: SPIE, 2015.

[14] ROBERT A B, STENVEN W B, KEITH R L, et al. System-level Pre-launch Calibration of On-board Solar Diffusers[C]. Earth Observing Systems XII. San Diego: SPIE, 2007.

[15] 李明, 宗肖穎. 定標(biāo)漫反射板實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)級(jí)BRDF測(cè)量方法[J]. 紅外與激光工程, 2017, 46(1): 0117004-1-7. LI Ming, ZONG Xiaoying. In-lab System-level BRDF Measurement Method of Calibration Diffuser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(1): 0117004-1-7. (in Chinese)

[16] GEORGI T G, JAMES J B. BRDF Study of Gray-scale Spectralon[C]. SPIE Conference on Earth Observing Systems. San Diego: SPIE, 2008.

[17] 周海金, 劉文清, 司福祺, 等. 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀光譜定標(biāo)技術(shù)研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2012, 32(11): 2881-2885. ZHOU Haijin, LIU Wenqing, SI Fuqi, et al. Spectral Calibration for Space-borne Differential Optical Absorption Spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(11): 2881-2885. (in Chinese)

[18] 劉倩倩, 鄭玉權(quán). 超高分辨率光譜定標(biāo)技術(shù)發(fā)展概況[J]. 中國(guó)光學(xué), 2012, 5(6): 566-577. LIU Qianqian, ZHENG Yuquan. Development of Spectral Calibration Technologies with Ultra-high Resolutions[J]. Chinese Optics, 2012, 5(6): 566-577. (in Chinese)

[19] 高靜, 計(jì)忠瑛, 王忠厚, 等. 空間調(diào)制干涉光譜成像儀的星上定標(biāo)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2010, 30(4): 1013-1017. GAO Jing, JI Zhongying, WANG Zhonghou, et al. Stability Analysis of On-board Calibration System of Spatial Modulated Imaging Fourier Transform Spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010, 30(4): 1013-1017. (in Chinese)

[20] BEATRICE C, CHRISTINE G, IVAN C, et al. MERIS FM Performances[C]. Earth Observing Systems III. San Diego: SPIE, 1998.

[21] 劉宇翔, 伏瑞敏, 李明, 等. 稀土摻雜漫反射板星上光譜定標(biāo)技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(6): 48-54. LIU Yuxiang, FU Ruimin, LI Ming, et al. On-board Spectral Calibration Technologies with Rare Earth Doped Diffuser Plate[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015, 36(6): 48-54. (in Chinese)

[22] VRIES J D, HOOGEVEEN R, VOORS R, et al. Technology Evolution of the TROPOMI Instrument[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Munich: IEEE, 2012.

[23] VRIES J D,ROBERT V, RUUD D, et al. In-orbit Performance of the Ozone Monitoring Instrument[C]. Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites IX. Druges: SPIE, 2005.

High Precision On-board Calibration for Spaceborne Atmospheric Monitoring Spectrometer

LI Bicen LI Ming XU Pengmei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Radiometric accuracy and spectral accuracy should be very high for spaceborne hyperspectral payload applied in atmospheric composition retrieval. With extension of the lifetimes of spaceborne optical sensors, it is required to establish an on-board calibration system with high accuracy and high stability. The calibration techniques which can meet the high on-board calibration accuracy for atmospheric monitoring spectrometer are described in this paper. According to the characteristics of time modulated Fourier transform spectrometer, the methods of absolute radiometric calibration, instrument line shape (ILS) measurement and spectral calibration are presented. Solar diffuser is used to realize the absolute radiometric calibration on orbit covering full aperture, full field of view and whole detecting link of instrument. The calibration diffuser in front of the optical path of the spectrometer reflects the sunlight into the instrument, and the standard radiance is obtained using the known exoatmospheric solar irradiance and the BRDF (bidirectional reflectance distribution function) of the diffuser calibrated on ground. And another diffuser as a calibration reference is used to monitor and correct the degradation and variation of the calibration unit and the instrument. The absolute radiometric calibration accuracy in total life time is better than 5% by use of Quasi Volume Diffuser (QVD) which have the advantage of very stable optical performance in space. Monochromatic lasers are employed for regular ILS measurement from which the on-orbit status of optical performance like spectral resolution can be evaluated. Spectral lines in solar spectrum and atmospheric spectrum are used to correct the wavelength shift of instrument.

diffuser; instrument line shape; wavelength correction; absolute radiometric calibration; atmospheric monitoring spectrometer; space remote sensing; GF-5 satellite

V447+.1

A

1009-8518(2018)03-0060-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.007

李碧岑，女，1985年生，2010年獲西安電子科技大學(xué)光學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)楹教旃鈱W(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)、定標(biāo)技術(shù)。E-mail：mou_lbc@163.com。

2018-03-21

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：劉穎）