CO2探測儀單通道光學系統(tǒng)設計驗證方法

高明輝,鄭玉權

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

CO2探測儀單通道光學系統(tǒng)設計驗證方法

高明輝*,鄭玉權

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

為驗證CO2探測儀光學設計的合理性和可行性，采用單通道模擬樣機，利用太陽光加漫反射板模式對大氣光譜進行實驗測試，并在實驗室對單通道模擬樣機進行光譜定標。利用光譜配準算法對兩種方法得出的譜線位置進行匹配計算，結果表明：在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準峰值點偏差小于0.006 nm，滿足算法的精度要求。此種方法不僅驗證了匹配算法的有效性，也驗證了光學系統(tǒng)設計的合理性和可行性，為以后的光譜儀設計提供了理論與實驗數(shù)據(jù)。

探測儀；單通過光學系統(tǒng)；漫反射板；光譜配準

1 引言

全球氣候的不斷變化受到越來越廣泛的關注，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、微塵等污染物質進入大氣，這些氣體都具有明顯的溫室效應。但對于溫室氣體的監(jiān)測，主要依據(jù)該氣體的發(fā)射光譜和吸收光譜的強弱。在波長1.594～2.08 μm范圍內，CO2和CH4具有很強的吸收譜［2］，根據(jù)此特性進行相應的光學設計，以此來獲得氣體的譜線，通過譜線進行濃度的反演。一般地，在地面驗證其光學系統(tǒng)的合理和可行性。國外TANSO(Thermal and Nearinfrared Sensor for carbon Observation)衛(wèi)星光學載荷的光學測試采用在實驗室搭建光學平臺，光源采用波長為1.31 μm的激光二極管［3］，通過探測器進行測試。國內大多也是在實驗室采用可調諧的激光器作為光源，通過搭建的光學系統(tǒng)和探測器實現(xiàn)特定光譜、光強度和反射率的測試。國外的單通道光學系統(tǒng)如美國的AIRS衛(wèi)星采用卡薩格林的反射式光學結構，前端利用濾光片分光，反射鏡片多達5片，結構如圖1所示。

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

國內設計結構主要采用非球面透鏡方式，準直系統(tǒng)透鏡數(shù)量僅為兩片，結構簡單，易于保證系統(tǒng)的成像質量，突破了傳統(tǒng)的國外設計方式。隨著科學應用需求的提高，絕對輻射定標驗證是未來光譜儀星上定標的基本要求。由于內部參考標準定標光路只能從光譜儀光路中間某個部位切入，不能進行全光路定標，因此無法實現(xiàn)絕對定標，只能對切入點之后的光路進行相對定標。如果在整個光路的最前方放置漫反射體，利用太陽作為定標參考標準，采用可展開收起的機械結構實現(xiàn)全光路定標，從而實現(xiàn)絕對輻射定標。另外，標準燈在軌期間自身性能會出現(xiàn)下降，也逐漸不滿足光譜儀的輻射定標要求［4-7］。因此，為保持地面與空間模擬的狀態(tài)一致，采用太陽作為入射光源，也作為輻射參考標準，提出一種利用太陽光、漫反射板和探測器進行驗證的方法。

2 太陽與漫反射板驗證數(shù)據(jù)處理

太陽是一個高度穩(wěn)定的光源。經(jīng)地球輻射收支衛(wèi)星(Earth Radiation Budget Satellite，ERBS)實測資料表明，從1984年到1999年的地球輻射量，太陽輻射的變化不超過0.2%。太陽的輻射總量近似為1 365 W/m2，其中短波輻射量占99.5%，長波輻射占0.5%，太陽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年的太陽輻射數(shù)據(jù)Fig.2 Sun radiation data from 1984 to 1999 recorded by ERBS

太陽到達CO2探測儀的輻射通量密度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)簡化計算載荷在不同時間實際接收的太陽輻射通量密度。

通過衛(wèi)星指向，使在CO2探測儀與太陽直射入射方向相對固定的條件下，漫反射板的輻射亮度L(λ，dn)可由下式計算［11-15］：

式中：f(α，β)為漫反射板與太陽直射方向夾角的角度修正因子，α，β分別為太陽直射光相對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)下式即可完成對探測儀絕對輻射定標系數(shù)的在軌校驗。

漫反射板經(jīng)老化實驗后，其太陽定標方位下的雙向反射分布函數(shù)，可通過現(xiàn)有反射率測量設備進行監(jiān)測，同時記錄監(jiān)視探測器地面試驗輸出數(shù)值作為星上漫反射板衰減監(jiān)測的先驗數(shù)據(jù)。

3 探測器輸出信噪比計算

太陽照射到漫反射板的反射光通過系統(tǒng)的，照射到探測器上，由探測器輸出信噪比驗證光學系統(tǒng)的設計是否合理和可行。

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

漫反射板在探測器處的亮度為：

全波段漫反射板輻亮度：214.084 6 W/m2/sr。

由上面的計算，計算探測器處的光輻射通量。在λ1～λ2波段內，探測器接收面處的輻照度為［16］：

探測器的有效面積為A，則λ1～λ2波段內探測器接收的輻射通量為：

由以上公式計算出的探測器信噪比如表1所示。

表1 采用太陽和漫反射板模式計算的探測器信噪比Tab.1 Detector SNR calculated through adopting the mode of sun and diffuser

經(jīng)過太陽和漫反射板計算的探測器信噪比，能夠滿足系統(tǒng)技術要求，采取太陽加漫反射板的方式是合理的，也驗證光學系統(tǒng)的合理性。

4 工作原理和組成

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

其中，驗證的單通道的光學系統(tǒng)如圖4所示。其中光學系統(tǒng)的透鏡采用JGS1(熔石英)材料。光學系統(tǒng)的公差分析，準直鏡組偏心公差為10″；成像鏡組偏心公差為10″；光柵的傾斜和旋轉為10″。準直鏡系統(tǒng)中的準直透鏡1到準直透鏡2的間距在探測儀工作時要求較高，間距偏差不超過±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±3 μm。

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

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

5 試驗與討論

采用理論計算的高分辨率太陽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(見圖5)獲取的實際觀測譜進行匹配計算。在試驗室首先對單通道的演示樣機進行焦面和光譜定標，焦面的準確調整是采用線寬極窄(1 MHz)的可調激光器輸出單色光經(jīng)光纖耦合后照明樣機狹縫，通過調整探測器方位對演示驗證樣機焦面進行了精確裝調，示意圖如圖5所示。

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

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

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

焦面校準和光譜定標試驗完成后，采用演示樣機直接觀測室外大氣譜驗證實驗結果。為獲得大氣光譜參考標準，利用LBLRTM大氣模擬軟件和HITRAN分子吸收庫計算室外觀測的模擬參考光譜，計算分辨率為0.004 nm，直接觀測的原始圖像(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。

模擬參考光譜與實測樣機線形函數(shù)卷積后經(jīng)歸一化與樣機實際觀測光譜的比較如圖9所示，結果表明，光譜特征與相對吸收深度非常吻合，驗證了樣機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偏差。

圖7 演示驗證樣機采集原始圖像Fig.7 Demonstration of original image collection

圖8 理論計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 理論模擬光譜與實測大氣譜比較曲線圖Fig.9 Comparison curves between theory simulation spectrum and actual atmospheric spectrum

進一步采用自行開發(fā)的光譜配準算法對譜線位置進行了匹配計算，匹配算法采用實驗室內定標后預校準的測量譜線與大氣理論參考譜線均方根最小為優(yōu)化目標，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，進而校準儀器中心波長矩陣表，其中譜線搜索匹配算法采用的是高斯-牛頓算法。譜線匹配光譜標定方法框圖如圖10所示。

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

譜線匹配結果如圖11所示，結果表明在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準峰值點偏差小于0.006 nm，取763～766 nm進行放大，利于分析譜線配準效果，也初步驗證配準算法的有效性，從而驗證單通道光學系統(tǒng)的合理性和可行性，為下一步工程設計提供正確的光學參考條件。

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

6 結論

通過利用單通道原理樣機，在焦面精確調整和光譜中心波長定標后，由LBLRTM大氣模擬軟件和HITRAN分子吸收庫來計算室外觀測的模擬參考光譜，并進行外部的實際大氣光譜的測試，采用光譜配準算法對兩種譜線位置進行匹配計算，得出在吸收線深度穩(wěn)定位置的配準峰值點偏差小于0.006 nm，驗證匹配算法的有效性和單通道光學設計的合理性和可行性。這種采用單通道演示樣機方法能夠準確、高效地驗證光學設計的正確性，為后續(xù)工程項目的開展打下了堅實的技術基礎。

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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，吉林榆樹人，博士，副研究員，碩士生導師，主要從事光機結構設計、分析，檢測設備設計等方面的研究。E-mail：ccgaomh@163.com

鄭玉權(1972—)，男，內蒙古通遼人，博士，研究員，主要從事航空航天高光譜成像技術、光學系統(tǒng)設計、光譜輻射定標等方面的研究。E-mail：zhengyq@skao.ac.cn

2014-09-21；

2014-11-24

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(No.2010AA1221091001)

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