超高分辨率光譜定標技術發展概況

劉倩倩，鄭玉權

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

20世紀50年代以來，隨著科學、工農業技術的高速發展，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氟氯烴化物(CFCS)等工農業生產以及人類生活所排放的氣體量不斷增加，造成全球氣候變暖，溫室效應日益加劇，從而生態系統受到嚴重破壞，甚至威脅人類的健康和生存。因此，精確監測全球溫室氣體的排放狀況已成為全球各國氣候研究的一個重要方向。歐美等航天發達國家都在積極開展溫室氣體探測遙感儀器的研制工作［1］，作為發展中國家的中國也正在著手發展自己的溫室氣體遙感系統來監測本國和世界其他國家溫室氣體的排放情況。

大氣痕量分子光譜儀［2］(ATMOS)首次采用了高分辨率傅里葉變換型傳感器監測大氣痕量氣體分子，使人類進入了太空觀測大氣的新時代。隨著大面積光柵刻劃技術、探測器探測能力以及圖像處理水平等技術的進步，目前，溫室氣體探測遙感儀器的光譜分辨率越來越高，已經實現了高靈敏度、高空間分辨率溫室氣體探測，可精確監測大氣中溫室氣體的含量。如美國國家航空航天局(NASA)于2009年發射失敗的第一顆天基大氣CO2觀測專用的軌道碳觀測衛星［3］(Orbiting Carbon Observatory，OCO)及計劃于2013年發射的后繼星OCO-2，其CO2測量精度均被預計為(1～2)×10－6。高光譜分辨率溫室氣體探測遙感技術利用了痕量氣體診斷性光譜特征的“指紋區”—可見近紅外和紅外光譜區，通過探測器在光譜維的光譜通道展開得到高精度光譜遙感數據，進而精確反演在大氣中探測到的溫室氣體的含量信息［4］。

光譜輻射定標是高光譜分辨率溫室氣體探測遙感儀器精確定量化應用的基礎，其中光譜定標是輻射定標的前提和保證。光譜定標的主要任務是確定各光譜通道的中心波長位置和通過特性(半寬度和光譜響應函數)，并以標準光譜信號為基準，監測儀器在軌工作狀態下各通道的波長位置及光譜穩定性，校正波長偏移，并測定光譜響應函數［5］。光譜定標可以確定遙感器系統光譜特性指標，進而為提高儀器本身可信度提供重要依據。因此為了保證超高分辨率溫室氣體探測遙感器能夠高精度反演大氣中溫室氣體含量及其變化，發射前和在軌時都要對儀器進行光譜定標，以監測各光譜通道的中心波長和帶寬變化情況［6］。本文論述了當前高光譜分辨率溫室氣體遙感器主要采用的光譜定標技術，并且在對比幾種國外高光譜分辨率大氣痕量氣體探測儀光譜定標技術的基礎上，闡述了不同光譜定標技術的原理、實施方法以及技術特點，并展望了未來超高分辨率光譜定標技術的發展。

2 超高分辨率光譜定標技術發展概況

對于具有N個通道的高光譜遙感器來說，第i個通道的輸出為［7］:

式中:Eλ為太陽光在波長λ處的輻照度;β為系統的瞬時視場;A為系統的有效光學面積;ρ(λ)為地面的反射率;τ?(λ)為大氣的光譜透過率;τo(λ)為系統的光學效率;Ss(λ)為遙感器色散系統的傳遞函數;Rd(λ)為探測器的光譜響應率;Re(λ)為電子學系統的光譜響應率;Eλ、ρ(λ)、τ?(λ)是與系統無關的量，β和A為系統設計參量，而系統第i個通道的相對光譜響應函數表示為:

考慮到實際應用中的光學效率τo(λ)，遙感器色散系統的傳遞函數Ss(λ)、探測器的光譜響應率Re(λ)和電子學系統的光譜響應率Ee(λ)的影響，系統的光譜響應Si通常可由高斯函數來表征［7］:

高斯函數的半高寬a即為系統的光譜分辨率δλ:

通過抽樣測量第i個波段內數個點的光譜響應，利用光譜定標裝置的標定數據，經過數據處理就可獲得超光譜成像的光譜響應度曲線。圖1可以較好地表征系統第i波段的實際光譜響應的高斯擬合曲線，做歸一化處理后兩端響應50%的波長差作為光譜帶寬δλ，擬合的高斯相對光譜響應度曲線最大值對應的位置即為譜段的中心波長λc(i)。

圖1 光譜響應的高斯擬合曲線Fig.1 Gauss fitting curve of spectral response

通過光譜定標可以得到系統各通道的光譜響應曲線、中心波長以及光譜分辨率(半高寬)等參數。這些參數可以用來表征高光譜遙感器的光譜探測能力。只有在精確標定了探測器光譜特性(中心波長和半高寬等參數)的前提下，才能保證遙感器準確測量到氣體分子的吸收光譜，實現氣體含量的精確反演。

圖2為探測器典型的相對光譜響應度曲線，其中相對光譜響應度曲線最大值對應的位置即為該譜段的中心波長λc(i)，光譜取樣間隔Δλ是指相鄰通道的中心波長之差，光譜分辨率即為光譜帶寬δλ。圖3為光譜定標數據立方體及光譜響應曲線。

目前高光譜遙感器常用的光譜定標方法主要有譜線燈定標法、單色準直光定標法、可調諧激光器定標法和基于大氣分子特征吸收譜線的氣體吸收池定標法等。

2.1 采用譜線燈的光譜定標技術

元素光譜燈是指能夠發出特定波長光譜的各種不同氣體或金屬蒸汽的蒸汽放電燈，其準確的譜線信息可以根據美國國家標準技術研究院(NIST)的元素光譜燈發射線數據庫查到。根據遙感儀器的探測波段，選擇在該波段內至少擁有兩條以上發射譜線的元素光譜燈進行光譜定標。實驗中主要用到的定標儀器包括譜線燈、漫射板(漫透射板或漫反射板)以及計算機等，如圖4所示。實驗裝置中把漫透射板放在譜線燈和待標定儀器之間，以保證譜線燈發出的光能均勻地充滿遙感器的入瞳。

圖2 光譜響應度曲線及光譜參數定義Fig.2 Spectral response curves and define illustration of spectral parameters

圖3 光譜定標數據立方體及光譜響應曲線Fig.3 Data cube of spectral calibration and spectral response curves

圖4 譜線燈光譜定標裝置圖Fig.4 Diagram of spectrum lamp spectral calibration setup

采用光譜燈進行光譜定標時，首先點燃譜線燈使之穩定十幾分鐘后再進行測量。通過光譜定標燈提供的若干條已知波長的譜線照射，遙感器的CCD探測器會輸出“像元序號—響應信號”光譜圖，并通過計算機對測量數據進行記錄并處理譜線燈光譜定標輸出數據。數據處理主要包括數據的預處理、尋峰、峰位-波長配對以及回歸分析。在對輸出數據進行暗信號校正等預處理后，通過尋峰處理找到光譜燈譜線對應的CCD像元序號，包括峰的提取、篩選與定位，然后將峰位和波長進行配對，最后采用數理統計中的回歸分析找出像元序號與波長之間合適的相關關系函數表達式，建立光譜CCD像元位置與其波長值關系的多項式定標函數，得到儀器的光譜定標方程［8］，從而完成像元中心波長的定標。式(5)即為用i階勒讓德正交多項式表示光譜CCD像元位置與其波長值關系的定標函數。

式中:Ci為第i階勒讓德多項式系數項;x為CCD像素位置;fli(x)是第i階勒讓德多項式項;f(x)對應于像素位置x的定標波長。

光譜定標要求所選擇的譜線燈能夠發射出待定標儀器波長范圍內的譜線，且譜線數量足夠、分布均勻;譜線的波長不確定度小，帶寬小于待定標儀器的帶寬的1/10;譜線的強度足夠，且相差不大;能夠通過調整儀器積分時間使探測器既不飽和，又具有較高的信噪比。圖5顯示了ORIEL提供的氬燈光譜譜線圖。

圖5 氬燈發出的特征譜線Fig.5 Typical line output of 6030 argon lamp

大氣痕量氣體掃描成像光譜儀［9］(The SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHarto-graphY，SCIAMACHY)用于探測大氣中的主要痕量氣體(H2O、CO2、CH4、N2O、CO)的分布，SCIAMACHY［10］具有 8個光譜通道，包括第1～4通道的紫外光譜區和第5～8通道的近紅外光譜區，其中第7光譜通道(1.940～2.040 μm)的光譜分辨率可以達到0.2 nm。

SCIAMACHY內置空心陰極譜線燈用于星上光譜輻射定標。發射前首先在實驗室采用外置光譜燈與內置空心陰極燈對探測器像元中心波長定標結果進行比較校準［10］。實驗結果表明，內置光譜燈光譜定標時會受到儀器內部其他光路系統的遮擋，使得使用內置譜線燈標定中心波長的位置與采用外置光譜燈標定中心波長的位置偏移0.07 nm，通過比較兩次光譜定標的譜線線形對內置光源定標結果數據表進行校正。SCIAMACHY在軌進行譜線燈星上光譜定標時，把其作為不確定因素，并且通過Falk［11］算法得到譜線的像元位置，最后根據實際與理論計算譜線位置擬合推演各譜段準確的中心波長，從而精確監測探測器中心波長的穩定性。

譜線燈定標法是采用物質標準譜線法［12］進行光譜定標的一種快速而方便的方法。摻雜稀土元素的特征譜線法與之類似，也是一種為多數遙感器常用的星上光譜輻射定標方法。

2000年發射的EO-1上的高光譜成像儀載荷Hyperion［13］就采用了摻雜漫反射板法標定探測器像元的中心波長。利用摻雜稀土元素的特征譜線進行光譜定標時，首先使光源照射到一塊光譜反射比基本為100%的聚四氟乙烯板上，該板反射的輻射充滿探測器的視場并記錄下數據。然后，將該聚四氟乙烯板移開并用一塊摻有一種稀土元素的聚四氟乙烯板取代，兩幀數據對應的比值去除了探測器光譜響應和光源光譜輸出的影響，再將測得的比值去除系統的參數模型的影響，最后與摻有稀土元素平板的光譜曲線做最小方差擬合，便可以得到探測器每個像元的中心波長值。中光譜分辨率成像光譜儀［14］(Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)也利用該方法對在軌時探測器的光譜特性進行監測校正。

譜線燈光譜定標法具有結構簡單，易操作的優點。目前大部分高分辨率溫室氣體探測遙感器都選用譜線燈用于星上光譜輻射定標。例如便攜式弱光成像光譜儀(PHILLS)［15］、高分辨率成像光譜儀(HRIS)［16］、SCIAMACHY［17］等儀器在軌運行中都用到了具有相應的定標燈進行光譜定標，監測探測器工作狀態下光譜特性的穩定性。

利用譜線燈光譜定標會存在一些不確定的因素:例如NIST所給出波長的不確定度，定標燈的穩定性，采用算法的不確定度，譜峰定位的不確定度以及回歸過程的不確定度等;同時定標燈譜線的帶寬與當前高光譜分辨率溫室氣體探測遙感探測器的光譜帶寬相比較寬。這些因素都限制了該技術在高分辨率光譜定標方面的應用。

2.2 單色儀+平行光管的光譜定標技術

單色準直光定標法是利用連續輸出的單色準直光作為定標光源對儀器的光譜響應進行標定的光譜定標方法。該方法可同時實現寬光譜范圍的中心波長和光譜分辨率的標定，具有定標精度高、實用性強的優點，而且彌補了傳統標準譜線定標方法不能對光譜帶寬進行準確標定的不足。

采用單色儀對遙感器進行光譜定標時，通常是將寬帶光源發出的光耦合進單色儀中，經過平行光管產生單色平行光進入待標定遙感器的入瞳中，進而標定儀器每個像元的中心波長和光譜響應函數。圖6為單色儀光譜定標的基本原理圖。

圖6 單色儀光譜定標基本原理圖Fig.6 Basic schematic diagram of monochromator spectral calibration

單色儀光譜定標步驟最早由Grgg Vane［18］教授提出，并在機載可見紅外成像光譜儀(AVIRIS)［19］后續定標過程中對部分環節進行了改進，其定標基本步驟被中分辨率成像光譜儀(MODIS)［20］、緊湊型機載光譜遙感器(COMPASS)［21］等大部分色散型光譜成像儀以及 SCIAMACHY［10］采用。圖7顯示了AVIRIS光譜定標系統框圖［19］。

圖7 AVIRIS單色儀光譜定標系統框圖Fig.7 Diagram of spectral calibration system for AVIRIS monochromator

AVIRIS光譜定標系統主要由鹵鎢燈光源、Jarrell-Ash生產的82-487型單色儀、單色儀控制器、平行光管以及計算機組成［18］。實驗中把鹵鎢燈放置單色儀入口處，調整單色儀出入口尺寸并放置于平行光管的前焦面上，調節平行光管，使其充滿儀器入瞳。接著通過單色儀控制器以1 nm為步長調節單色儀，選擇數個光譜譜段，計算機采集定標數據記錄下儀器特定光譜譜段的響應輸出值，畫出某個光譜譜段波長與響應輸出值之間的關系圖，從而確定段中心波長位置和半高寬度，然后畫出譜段與相應中心波長值的關系圖［18］。最后用最小二乘法擬合的方法推測其他未測譜段的中心波長。AVIRIS光譜定標的最大偏差為2.1 nm。

在發射前，為了保證SCIAMACHY儀器本身的可靠性，利用單色準直光在真空罐中對探測器的光譜特性進行標定。其中針對SCIAMACHY［13］探測器的譜段范圍選擇240～700 nm氙氣燈和400～2 400 nm鹵素燈作為光源;單色儀的光譜為240～2 400 nm，在 λ=300 nm 帶寬，Δλ≥1 nm，在λ=600 nm帶寬，Δλ≥10 nm(單色儀已校準，內部雜散光影響可以忽略);采用類似AVIRIS光譜定標方案及數據處理方法完成對探測器各光譜譜段的中心波長和半高寬的標定［14］。由于SCIAMACHY三個分光光柵對入射光的偏振態非常靈敏，所以同時利用單色儀發出具有一定極化方向的單色偏振準直光對儀器進行偏振態修正［22］。

單色準直光光譜定標法可以實現同時高精度標定寬光譜范圍的中心波長和光譜分辨率。但是由于單色儀出縫造成出射單色平行光不均勻會對定標結果產生1 nm的影響。繼AVIRIS之后，很多高光譜分辨率遙感器在采用單色準直進行光譜定標時均采取一定措施對單色儀出射光進行勻光，例如COMPASS［23］在單色儀之后采用積分球進行勻光。但是經過勻光后的信號會變弱，而目前的大面陣探測器譜響應度和探測器圖像處理水平有限，這些因素都會對高分辨率光譜定標造成一定困難。

在采用單色準直光對探測器進行光譜定標時，要求單色儀的波長準確度達到 δλ/10(δλ為探測器的光譜分辨率)，標定單色儀的帶寬要低于δλ/10。隨著大氣溫室氣體空間探測遙感技術的發展，對于光譜分辨率高達0.04 nm的溫室氣體探測儀器來說，光譜定標是一個關鍵。若要實現對高光譜分辨率溫室氣體探測器相對光譜響應度的標定，所采用的標定單色儀波長準確度要達0.004 nm以上，帶寬要低于0.004 nm。而目前定標單色儀的波長準確度在 ±0.05 nm［24］，美國MODEL2062 2-m單色儀配備2 400 lp/mm的光柵能提高到0.003 nm的光譜分辨率。因此，采用單色儀不能精確標定高光譜分辨率溫室氣體探測器的中心波長，但是可以對探測器帶寬定標。

利用單色儀對高光譜分辨率遙感器帶寬定標時，定標裝置輸出單色準直光，如圖6所示。分別用已知相對光譜響應度的光譜輻射計和待標定遙感器對單色準直光觀測，根據二者的輸出信號比值和光譜輻射計的相對光譜響應度就可以確定出探測器每個譜段的相對光譜響應度曲線。

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標定時，通過單色儀的掃描，讀出遙感器的輸出信號Vs(λ)，然后用一個已知相對光譜響應度S(λ)的參考探測器取代待標定遙感器，重復上述操作，獲得參考探測器的輸出V(λ)，則待標定遙感探測器相對光譜響應度Ss(λ)可用下式計算:

再對Ss(λ)作歸一化處理，可以得出相對光譜響應度曲線，從而得到探測器的半寬度、中心波長等參數。

2.3 可調諧激光器的光譜定標技術

隨著與波長調制技術相結合的可調諧激光器技術的發展，可調諧激光器在高分辨率光譜定標領域得到了廣泛應用。可調諧激光器具有在連續調諧范圍內進行窄線寬掃描的特點［25］，例如目前市面可以買到絕對波長精度＜5 pm，波長分辨率為1 pm的可調諧激光光源。光譜定標時，使可調諧激光器在一定范圍內連續改變輸出激光的波長，根據探測器在特定光譜譜段的響應輸出值，利用相應數據處理算法對定標數據進行分析處理，完成光譜定標工作。

采用可調諧激光器進行超高分辨率光譜定標時主要用到的實驗儀器有可調諧激光器、波長計、平行光管以及積分球等。在保證儀器系統參數不變的情況，針對系統帶寬把激光器的波長調諧到待定標儀器波長范圍內的特定波長，等待激光器發出的激光達到穩定狀態，然后調節激光器輸出不同波長值，最后通過采集多幅光譜圖完成光譜定標。

NASA的第一顆天基大氣CO2觀測專用衛星OCO［26］主要由 3個通道光柵光譜儀組成:0.757～0.772 μm(O2的吸收波段);1.590 ～1.621 μm(CO2的弱吸收波段)和 2.041～2.082 μm(CO2的強吸收波段)。在 O2的吸收波段光譜分辨率可以達到0.04 nm，CO2氣體理論監測精度可以達(1 ～2)×10－6［27］。

實驗室對OCO的光譜特性進行標定時選擇采用對應光譜通道的3個瞬時線寬均小于1 mHz可調諧二極管激光器，并在激光器后放置旋轉的毛玻璃消除激光散斑影響。激光器發出的激光經過光纖傳輸一部分進入波長計用來實時監測激光的波長，而其余部分的光則照射在位于平行光管前焦距上的積分球上，經過積分球進行勻光之后的激光經過平行光管均勻地充滿真空罐內探測器的入瞳。經過可調諧激光器每次掃描，探測器得到相應的光譜響應曲線。OCO采用的可調諧激光器定標裝置，如圖8所示。

激光的光強可以通過探測器在任何時間內的采樣疊加得到，并通過對采集到的信號在采樣時間內進行平均，從而消除激光信號浮動對采集信號的影響，提高了儀器的信噪比。實驗中可以通過激光掃描得到部分像元的光譜響應函數，然后根據各像元之間光譜響應函數的規律性變化確定所有像元的光譜特征參數［28］。

圖8 可調諧激光器光譜定標裝置圖Fig.8 Diagram of tunable laser spectral calibration setup

圖9表明某一次掃描時響應像元中心波長的三次擬合關系使殘差最小。

確定OCO探測器中間響應像元的光譜響應函數曲線時，首先在中間響應像元左右取160個Δλ分段點進行采樣，圖10(b)中垂直線代表某個波段預先設定好的Δλ分段點。通過在每個預先設定好的Δλ插入合適的光譜響應函數，建立一個查找表描述Δλ采樣點的光譜響應函數;然后用一個合適的三次多項式對Δλ分段采樣點處的光譜響應函數進行擬合，歸一化得到掃描時響應像元的光譜響應函數輪廓表;最后通過對響應像元的光譜響應函數平均歸一化得到每次掃描時中間像元光譜響應函數曲線。通過對激光器的19次依次掃描重復以上處理過程，就得到每次掃描過程中所有中間像元的光譜響應函數曲線。

圖9 像元中心波長的多項式擬合過程Fig.9 Polynomial fitting process of spectral dispersion

圖10 一次掃描過程中11個像元的光譜響應曲線和函數Fig.10 Spectral response curves and functions of 11 pixels in scanning

為了確定OCO探測器所有像元的光譜響應函數，通過分別找到一個多項式描述預先設置好的160個Δλ分段點作為像元的序列號函數。由于掃描過程中可能不包含光譜譜段邊緣處的像元光譜響應變化信息，因此在波段邊緣處像元的光譜響應函數不能用光滑多項式擬合。所有Δλ分段點用多項式擬合后，再次對每個像元光譜響應函數進行歸一化，就得到每個像元以Δλ分段點的光譜響應函數曲線。圖11顯示某次掃描時邊緣像元和中間像元的光譜響應曲線，實驗結果表明邊緣像元的光譜響應曲線可能不是所希望的對稱線形。

圖11 像元的響應函數(實線代表掃描中間像元的響應，虛線代表邊緣像元的響應)［28］Fig.11 Pixel response profiles derived from the tunable diode-laser data(the core pixel(sold)，the wing pixel(dash))

為了確保OCO探測器光譜定標的準確度，OCO還采用已經標定的超高光譜分辨率地面凝視型FTS進行交叉定標，通過比對兩者對太陽光譜的響應曲線，對可調諧激光器光譜定標結果進行優化，提高了儀器的定標精度。

可調諧激光器可以窄線寬掃描，所以與單色準直光相比可調諧激光器光譜定標法可以實現更高精度中心波長和更高光譜分辨率的標定，但是采用可調諧激光器進行光譜定標時，在探測器的光譜范圍內不能同時得到多條譜線、一次性完成定標工作，另外激光器波長不穩定等隨機因素也會對定標結果造成一定的影響。

2.4 氣體吸收池的光譜定標技術

氣體吸收池法作為目前高分辨率溫室氣體探測遙感器經常采用的光譜定標方法之一，它是基于大氣分子特征吸收譜線，具有高精確度的一種高分辨率光譜定標方法。由于氣體分子吸收線極其狹窄，遠小于探測器的光譜分辨率，而且氣體分子吸收光譜資料很容易通過有關數據庫獲取，利用氣體分子吸收光譜數據庫中相關氣體吸收譜線信息可以精確標定探測器各個譜段的中心波長。溫室氣體探測器TANSO-FTS(Thermal and Near Infrared Sensor for Carbon Observation)［30］采用氣體吸收池法實現精確標定探測器的光譜特性。

氣體吸收池光譜定標法需要采用的定標裝置包括光源、平行光管和氣體池等。光譜定標過程中，光源發出的光經過平行光管準直為一束平行光，然后平行光從入射光口耦合進入氣體吸收池中，光經過具有一定光程吸收池內部氣體的吸收，最后從氣體池出射光口出射的光變為帶有定標氣體特征吸收譜線的平行光。出射平行光被探測器所接收得到一個光譜響應曲線，然后根據已知的氣體分子吸收庫的數據(例如HITRAN數據庫等)，通過模擬計算出吸收譜線。把通過模擬計算出吸收譜線與實際測量得到的光譜曲線進行匹配，確定探測器的中心波長，實現高分辨率光譜定標。氣體吸收池光譜定標法的實驗裝置如圖12所示，圖13為模擬計算的吸收譜線與實驗測量光譜曲線進行匹配實現對象像中心波長的精確標定。

圖12 氣體池光譜定標裝置圖Fig.12 Diagram of gas cell spectral calibration setup

實驗過程中須測量同樣外界條件下充氣和真空氣狀態的儀器的光譜響應曲線(或者測量同樣外界條件下入氣口和出氣口的儀器的光譜響應曲線)，最后將氣體(出氣口)實驗的結果除以真空(入氣口)實驗的結果，即為氣體本身的吸收光譜，如圖14所示。根據定標氣體吸收線在儀器探測譜段內吸收強度以及儀器本身的信噪比、環境影響等因素，選擇吸收池的光程對實現探測器高分辨率光譜定標，減小定標誤差尤為重要。采用氣體吸收池光譜定標方法所能達到的理論定標精度很高，實驗中通過采取降低氣體分壓比、穩定定標環境(特別是氣流影響)、嚴格控制溫度等措施可以提高實際定標精度［31］。

圖13 模擬計算吸收譜線與實驗測量光譜曲線的匹配Fig.13 Match of simulated spectral absorption lines with experimental curve

圖14 獲得的氣體吸收譜線Fig.14 Acquired gas absorption lines

TANSO-FTS用于精確監測大氣中CO2和CH4含量，由4個傅里葉型光譜儀組成。4個光譜儀的光譜分別為:0.758～0.775 μm(O2的吸收波段)，1.562 ～ 1.724 μm(CO2、CH4的吸收波段);1.923 ～2.083 μm(CO2強的吸收波段);5.556 ～14.286 μm(CO2、CH4、O3的吸收波段)，其中 O2吸收譜段的光譜分辨率高達0.04 nm［32］。

實驗室在標定TANSO-FTS中心波長時首先采用了1.31 μm激光器［33］，但考慮到激光器波長不穩定等隨機因素對定標結果的影響，同時采用氣體吸收池光譜定標法對激光器標定的TANSOFTS各譜段中心波長的結果進行校準。采用氣體池對TANSO-FTS進行光譜定標實驗中選用孔徑為130 mm，池體長為1 m，光學路徑長為3 m的氣體池。通過流量計控制池內的壓力穩定在標準氣壓下，把氣體池放置于熱輻射光源和TANSOFTS探測器之間，利用氣體池模擬大氣吸收過程進行測試［34］，如圖15 所示。

圖15 TANSO-FTS采用氣體池模擬大氣吸收過程［33］Fig.15 Simulation of atmospheric absorption process using gas cell［35］ for TANSO-FTS

圖16 CO2吸收池方法的光譜定標結果［33］Fig.16 Spectral calibration by CO2cell measurement

圖16顯示利用模擬氣體池模擬大氣吸收過程對TANSO-FTS探測器進行光譜定標的實驗結果。實驗中通過選擇氣體池內氣體的至少50條吸收線計算出CO2采樣吸收波數和參考吸收波數的差異，準確標定出激光器發出激光的波長。通過氣體吸收池實驗校正后，對TANSO-FTS探測器光譜定標結果精度達到已標定激光光譜采樣(0.2 cm－1)的2%［35］。同時利用吸收池質量流量調整控制閥控制吸收池內CO2的濃度在0% ～100%內變化，可以測定儀器響應與濃度變化的線性關系。

SCIAMACHY探測器進行光譜特性標定時，第7通道采集到的雙線信息會妨礙定標有效性，而第8通道壞像元則造成全通道中心波長位置偏移從而影響定標結果準確性。實驗中單獨針對這兩個特殊通道采用氣體吸收池模擬大氣吸收過程進行光譜定標［36］。光譜定標數據表明SCIAMACHY 波長穩定性達0.003 nm［15］。

3 超高分辨率光譜定標技術發展趨勢

物質特征譜線光譜定標法在中心波長和光譜帶寬確定上不如采用單色準直光的光譜定標方法準確，但比較容易實現;單色準直光定標法雖然可以實現寬光譜范圍高精度的定標，但是受到單色儀本身標定準確度以及實驗中其他不確定因素的影響，限制了定標精度的進一步提高;而可調諧激光器發出的激光不穩定性也成為基于可調諧激光器的高分辨率光譜定標的瓶頸;采用氣體池實現高分辨率光譜定標的方法雖然理論上可以達到很高的精度，但是對定標環境的要求比較高，氣流、溫度等因素都可能對定標精度造成顯著影響。

目前國際上的主要大氣探測遙感器SCIAMACHY、溫室氣體觀測衛星(GOSAT)、OCO都采用多種定標技術相互結合互補的方法對遙感儀器的光譜特性以及在軌穩定性進行標定。從當前的技術發展來看，未來高分辨率光譜定標主要向以下幾個方面發展:(1)采取提高單色儀的波長準確度、分辨率或者提高激光掃描波長穩定性等措施實現定標儀器本身可靠性;(2)綜合月亮、太陽星上定標結果，加強對儀器光譜特性的在軌監測;(3)優化光譜定標數據處理算法;(4)綜合應用多種光譜定標方法等。針對大氣痕量氣體探測高光譜分辨率、高精度反演的特點，可選擇在實驗室采用傳統單色準直光標定儀器帶寬的基礎上，采用可調諧激光器或者氣體吸收池精確標定探測器的中心波長，同時采取交叉定標對實驗室光譜定標結果進行優化，以提高溫室氣體探測遙感器光譜特性的標定準確度，確保儀器可信度，從而保證儀器對大氣中溫室氣體含量的反演精度。

國外高分辨率溫室氣體探測遙感器光譜定標的成功經驗也為我國近期開展的溫室氣體探測任務的順利實施提供了借鑒。

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