鄭成超，藺 超，王 龍，紀(jì)振華，鄭玉權(quán)*

(1.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;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039)

1 引言

二氧化碳等溫室氣體排放量的不斷增加導(dǎo)致地球大氣的溫室效應(yīng)加劇，引起的極端氣候變化已經(jīng)嚴(yán)重影響人類活動(dòng)。美國(guó)和歐洲等國(guó)均開(kāi)展了用于溫室氣體探測(cè)的紅外星載高光譜技術(shù)的研究［1］，已有多顆溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星進(jìn)入運(yùn)行軌道并發(fā)揮作用。典型探測(cè)衛(wèi)星包括 IASI、SCAMACHY、TANSO、OCO 及其后續(xù)星 OCO-2［2-4］。其中NASA于2014年7月發(fā)射的OCO-2代表了國(guó)際碳觀測(cè)的最高水平。為了精確監(jiān)測(cè)我國(guó)及全球CO2排放及變化狀態(tài)，在國(guó)家863計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)展了高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀的研究工作，并計(jì)劃于2016年實(shí)現(xiàn)在軌觀測(cè)。

CO2探測(cè)儀采用大氣差分吸收光譜探測(cè)原理，即利用氣體分子的窄帶吸收光譜反演痕量氣體的濃度。要保證CO2濃度的反演精度，就必須精確測(cè)定出溫室氣體的吸收譜線及其強(qiáng)度變化。其中接收該吸收譜線的面陣探測(cè)器的精準(zhǔn)裝調(diào)將是保證反演精度的關(guān)鍵。由于探測(cè)儀要應(yīng)用于低溫真空環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成定焦后，需經(jīng)過(guò)光學(xué)軟件模擬計(jì)算真空環(huán)境下的焦面偏移量［5］，確定真空焦面位置后進(jìn)行熱真空實(shí)驗(yàn)，測(cè)得光譜響應(yīng)函數(shù)，以光譜響應(yīng)函數(shù)的光譜帶寬對(duì)定焦結(jié)果加以驗(yàn)證。

常用的定焦方法包括切光瞳法［6］、自準(zhǔn)直檢焦法［7］及基于圖像對(duì)比度的調(diào)焦法［8］。美國(guó)OCO探測(cè)儀采用切光瞳法來(lái)確定最佳焦平面，于光譜儀狹縫位置前設(shè)置一入瞳罩，罩上開(kāi)一狹縫與光譜儀狹縫平行，通過(guò)移動(dòng)入瞳罩使罩狹縫步進(jìn)。若離焦，光斑將會(huì)隨著入瞳罩移動(dòng)，反之則不動(dòng)。像移動(dòng)的方向決定離焦的方向，移動(dòng)的速率決定離焦的量度。自準(zhǔn)直檢焦法利用物像共軛原理，在焦平面處放置光柵，利用光源將光柵照亮，光柵經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)自準(zhǔn)直反射鏡返回，再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)回到像面，使光柵在焦面附近成像。物像共面說(shuō)明焦面準(zhǔn)確，反之則需調(diào)焦。基于圖像對(duì)比度的調(diào)焦法是建立在搜尋過(guò)程的調(diào)焦方法，對(duì)采集到的多幅圖像選擇某一評(píng)價(jià)函數(shù)判斷哪一幅處于最佳正焦位置。上述兩種方法需用專用的調(diào)焦組件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文綜合考慮采用第三種方法，結(jié)合CO2探測(cè)儀光譜儀的成像特點(diǎn)，提出一種新的聚焦評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和一套適用的定焦系統(tǒng)。光源選擇方面由于傳統(tǒng)單色儀的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度在±0.05 nm左右［9］，精度較低且能量不夠，該系統(tǒng)以可調(diào)諧激光器［10］作為光源，可同時(shí)提高精度和能量。系統(tǒng)以探測(cè)器接收到的狹縫像作質(zhì)量評(píng)估［11］，對(duì)像質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，具有操作靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定焦精度高等特點(diǎn)。

2 原理及影響定焦精度因素分析

2.1 CO2探測(cè)儀系統(tǒng)組成及工作原理

CO2探測(cè)儀系統(tǒng)由指向反射鏡、共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)和0.76、1.61、2.06 μm 三個(gè)通道光柵光譜儀組成。前置系統(tǒng)采用帶有中間像面的無(wú)焦全反射式系統(tǒng)，光束經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)后口徑縮小，再經(jīng)分束器分光，穿過(guò)窄帶濾波片獲得波長(zhǎng)范圍的窄帶平行光，由聚光鏡聚焦在光譜儀狹縫上，經(jīng)過(guò)狹縫的光由準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直照射平面衍射光柵，一級(jí)衍射光經(jīng)成像鏡成像在探測(cè)器上，從而獲得大氣精細(xì)吸收光譜信息［12］。

分光系統(tǒng)是CO2探測(cè)儀的核心部分，直接決定著所得大氣吸收光譜的準(zhǔn)確度。與OCO-2光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，CO2弱吸收紅外波段1 610 nm通道光譜儀同樣采用大面積衍射光柵分光，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光譜儀由準(zhǔn)直鏡、平面閃耀光柵和成像鏡組成，共包括4塊熔石英非球面透鏡。探測(cè)器采用近紅外HgCdTe面陣探測(cè)器，安裝在成像系統(tǒng)焦平面上。該通道波段為1.594～1.624 μm，光譜采樣分辨率為0.06 nm，光譜分辨率為0.12～0.138 nm，色散譜面長(zhǎng)度為15 mm，空間方向?yàn)?.2 mm。入射光軸與出射光軸的夾角為23°。

探測(cè)儀工作時(shí)，HgCdTe面陣探測(cè)器記錄光譜分布信息的方向記為光譜維;記錄空間分布信息的方向記為空間維［13］。面陣探測(cè)器由一系列像元組成，像元輸出信號(hào)由對(duì)應(yīng)光譜內(nèi)所有光信號(hào)強(qiáng)度累加所得，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。由于大氣二氧化碳含量變化在空間尺度變化緩慢，同時(shí)為了提高儀器信噪比，將探測(cè)器空間維采用12像元合并方法合并為20像元，如圖2所示。調(diào)焦時(shí)以最終成像為檢測(cè)對(duì)象并對(duì)像質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。通過(guò)調(diào)整探測(cè)器的光譜維、空間維、俯仰、偏擺和離焦方向，進(jìn)而確定最佳焦面位置。

圖2 HgCdTe面陣探測(cè)器示意圖Fig.2 Schematic diagram of HgCdTe plane detector

2.2 光譜儀定焦原理

光譜儀的定焦是令面陣探測(cè)器的靶面與光譜儀的最佳色散焦平面重合，保證探測(cè)器接收到高質(zhì)量的光譜響應(yīng)信息。各通道的光譜響應(yīng)信息是各通道探測(cè)器輸出與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系［14］。光譜儀在第i個(gè)通道的輸出信號(hào)可表示為:

式中，Eλ為太陽(yáng)光在波長(zhǎng)為λ處的輻照度;A為系統(tǒng)有效光學(xué)面積;β為系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng);ρ(λ)為地物光譜反射率;τo(λ)為系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率;τa(λ)為大氣光譜透過(guò)率;Ss(λ)為光譜儀色散系統(tǒng)的傳遞函數(shù);Ra(λ)為探測(cè)器的光譜響應(yīng)率;Re(λ)為電子學(xué)系統(tǒng)增益。其中，Eλ、ρ(λ)、τa(λ)為與光譜儀系統(tǒng)無(wú)關(guān)的量，其它參數(shù)則是由系統(tǒng)決定，因此系統(tǒng)第i個(gè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)Si(λ可表示為:

單色光對(duì)系統(tǒng)的作用正比于狹縫單色像在探測(cè)器光敏面上所占的面積。狹縫寬度不同，系統(tǒng)接受的能量和光譜覆蓋范圍也不同。如探測(cè)器光敏面線度為a，狹縫像寬度為l，其Ss(λ)如圖3所示。

圖3 不同狹縫像寬度下的光譜響應(yīng)曲線Fig.3 Spectral response curve under different width of slit image

考慮到狹縫具有一定的寬度和 τo(λ)、Ss(λ)、Rd(λ)、Re(λ)等因素時(shí)，系統(tǒng)的光譜響應(yīng)Si(λ)通常可由高斯函數(shù)來(lái)模擬，即:

該模擬高斯函數(shù)的全高半高寬即為系統(tǒng)的光譜分辨率δλ，即:

式(3)、(4)中，K為常數(shù);λi為該波段的中心波長(zhǎng);σi為高斯曲線的均方差。圖4可以較好地表征系統(tǒng)第i波段的實(shí)際光譜響應(yīng)的高斯擬合曲線，對(duì)其做歸一化處理后兩端響應(yīng)50%的波長(zhǎng)差作為光譜帶寬δλ。

探測(cè)器處于任何位置都有與之相對(duì)應(yīng)的光譜帶寬。當(dāng)探測(cè)器處于焦平面位置時(shí)，光譜響應(yīng)的半寬度存在最小值，以此可作為探測(cè)器是否正焦的依據(jù)。因此，選用像元光譜響應(yīng)曲線的全高半寬度(FWHM)作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，其符合聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)無(wú)偏性、單峰性、靈敏度高、較高信噪比、計(jì)算量小等5個(gè)特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整探測(cè)器方位，尋找該單峰評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值，進(jìn)而完成焦平面的確定。

圖4 光譜響應(yīng)的高斯擬合曲線Fig.4 Gauss fitting curve of spectral response

2.3 影響光譜儀定焦精度的因素

要保證 CO2濃度1～4 ppm的反演精度，1 610 nm通道的光譜分辨率要達(dá)到0.12～0.138 nm的指標(biāo)。光譜儀的定焦精度可由光譜響應(yīng)的光譜分辨率反映。其影響因素包括光源帶寬、面陣探測(cè)器像元尺寸、閃耀光柵的參數(shù)與位置和色散系統(tǒng)的像差等。

對(duì)探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，要求標(biāo)定光源的帶寬要低于δλ/10，該系統(tǒng)采用的New Focus TLB-6700可調(diào)諧激光器帶寬可達(dá)0.001 nm，完全滿足定焦精度要求。

減小探測(cè)器像元尺寸可提高光譜分辨率，但制造工藝難度也增大。CO2探測(cè)儀采用HgCdTe面陣紅外探測(cè)器，像元尺寸為30 μm ×30 μm，可保證分辨率精度要求。

光柵的入射角度和光柵刻線數(shù)都會(huì)對(duì)光譜分辨率產(chǎn)生影響，在符合分辨率指標(biāo)前提下，設(shè)計(jì)光柵入射角為41.106°，光柵刻線密度為969 g/mm。

光譜儀色散系統(tǒng)的像差(主要為離焦)同樣會(huì)影響系統(tǒng)的光譜分辨率。假設(shè)由像差引起的彌散斑在波長(zhǎng)坐標(biāo)中的半徑為σd，則光學(xué)系統(tǒng)其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以由高斯曲線近似表示成:

可見(jiàn)像差的存在會(huì)使得光譜波段帶寬變大，當(dāng)σd=1/3σi時(shí)，σ增加5.4%。只有保證上述各因素在合適范圍內(nèi)，才能使定焦精度達(dá)到0.12～0.138 nm指標(biāo)。

3 CO2探測(cè)儀光譜儀定焦實(shí)驗(yàn)

根據(jù)CO2探測(cè)光譜儀的成像特點(diǎn)及定焦原理，本文研制了一套適用于CO2探測(cè)光譜儀的定焦系統(tǒng)。其原理如圖5所示［15］。由于光譜儀定焦精度要求高，放置探測(cè)儀主框架的大理石平臺(tái)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需經(jīng)過(guò)經(jīng)緯儀水平標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)中成像鏡位置與連接工裝的六維調(diào)整架也需經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)微小晃動(dòng)量。另外，實(shí)驗(yàn)前還需進(jìn)行各鏡組的定心裝調(diào)和空氣間隔檢測(cè)、狹縫的研磨(為校正譜線彎曲，狹縫為彎曲狹縫)與安裝以及平面閃耀光柵的精準(zhǔn)裝調(diào)。

系統(tǒng)由可調(diào)諧激光器、波長(zhǎng)計(jì)、分束光纖、積分球、平行光管以及計(jì)算機(jī)組成。選用瞬時(shí)線寬極窄(＜200 kHz)的可調(diào)諧激光器可提供良好的單色光源，在激光器后放置旋轉(zhuǎn)毛玻璃消除激光散斑的影響。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)分束光纖傳輸一部分進(jìn)入波長(zhǎng)計(jì)，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光功率及波長(zhǎng)的穩(wěn)定性;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(jīng)積分球勻光后進(jìn)入平行光管，然后經(jīng)平行光管的擴(kuò)束和準(zhǔn)直使其均勻地充滿探測(cè)器的入瞳。經(jīng)過(guò)可調(diào)諧激光器每次掃描，探測(cè)器得到相應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線。計(jì)算機(jī)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。光譜儀定焦系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖5 光譜儀定焦系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic of system establishing best focal plane of spectrometer

表1 光譜儀定焦系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of system for establishing best focal plane of spectrometer

基于CO2探測(cè)儀光譜儀的工作原理和成像特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于該光譜儀的數(shù)據(jù)采集處理軟件。圖6為光譜儀定焦系統(tǒng)軟件界面。在對(duì)光譜儀進(jìn)行定焦的過(guò)程中，可以通過(guò)該軟件觀察不同波長(zhǎng)的狹縫像實(shí)時(shí)圖像(界面左上)、選擇不同視場(chǎng)的輸入界面(界面左下)、像元離散采樣曲線(界面右下)。該軟件對(duì)面陣探測(cè)器原始感光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成RAW格式的二進(jìn)制文件，利用MATLAB編程對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到擬合高斯光譜響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算得到準(zhǔn)確的光譜分辨率。由全高半寬度信息反饋焦面調(diào)整方位并作為正焦的最終評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖6 光譜儀定焦系統(tǒng)軟件界面Fig.6 Data interface of system for establishing best focal plane for spectrometer

圖7 光譜儀定焦系統(tǒng)實(shí)物Fig.7 Photo of system for establishing best focal plane for spectrometer

根據(jù)光譜儀定焦原理圖搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備并調(diào)試系統(tǒng)至最佳工作狀態(tài)，如圖7所示。通過(guò)觀察狹縫像在面陣探測(cè)器像面位置調(diào)整光譜維(上下端距離邊界像元個(gè)數(shù))與空間維(左右像元位置)，以相同波長(zhǎng)的不同視場(chǎng)(FOV)曲線位置調(diào)整俯仰方位，以不同波長(zhǎng)(1 597、1 609、1 621 nm)的相同視場(chǎng)位置調(diào)整偏擺方位，以像元離散采樣曲線全高半寬度為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)調(diào)整離焦方位。微調(diào)六維調(diào)整架，通過(guò)千分表示數(shù)與離散采樣曲線半寬度建立位移表搜尋最佳位置。對(duì)定焦結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到光譜響應(yīng)曲線，通過(guò)ILS對(duì)定焦結(jié)果復(fù)核，反饋調(diào)整量，逐輪精調(diào)至最佳焦平面位置，經(jīng)過(guò)人工修墊、打銷固定后完成探測(cè)器的精密裝調(diào)。

4 CO2探測(cè)儀光譜儀定焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及軟件處理，得到不同波段的狹縫像以及像元ILS曲線。探測(cè)器空間維采用12像元合并方法合并為20像元，取FOV=3、10、17三個(gè)視場(chǎng)方向。光譜維采樣通道為49、252、449，波長(zhǎng)范圍分別為1 596.8～1 597.2 nm、1 609.3～1 609.7 nm、1 620.8～1 621.2 nm 三個(gè)波段。圖8給出了FOV=10時(shí)，三波段的狹縫像(對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng))與ILS數(shù)據(jù)處理結(jié)果。具體定焦結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 各波段狹縫像與ILS測(cè)量結(jié)果Fig.8 Slit image and ILS measurement of different wavebands

根據(jù)圖8及表2可分析得出，通過(guò)狹縫像具體位置說(shuō)明已修正平移與旋轉(zhuǎn)方向。相同視場(chǎng)情況下三波段線型與波段帶寬基本一致，說(shuō)明偏擺方向得以修正。相同波段下不同視場(chǎng)FWHM偏差在0.003～0.005 nm左右，俯仰方向得以修正。全波段全視場(chǎng)線型半高寬在0.124 6～0.133 3范圍之內(nèi)，平均半高寬0.128 1 nm與理論最小值相吻合，說(shuō)明已修正離焦方向。

表2 CO2探測(cè)光譜儀定焦結(jié)果Tab.2 Results of optical focusing of CO2spectrometer

5 結(jié)論

本文根據(jù)CO2探測(cè)儀成像特點(diǎn)及工作原理設(shè)計(jì)了一套適用于1 610 nm通道光譜儀的定焦系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:定焦后采集的光譜響應(yīng)曲線平均半高寬為0.128 1 nm，與預(yù)期理論值指標(biāo)相吻合。系統(tǒng)以線寬極窄的可調(diào)諧激光器作為光源，波長(zhǎng)調(diào)整精度達(dá)到0.01 nm。與傳統(tǒng)單色儀相比，可調(diào)諧激光器具有較高的波長(zhǎng)調(diào)整精度、能量集中度以及極窄的光譜帶寬。但激光器波長(zhǎng)不穩(wěn)定和激光散斑的存在，使得該系統(tǒng)需增加消除散斑裝置和激光能量監(jiān)視器，導(dǎo)致該方法具有一定的局限性。綜合比較該方法具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊且定焦精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其他類型的成像光譜儀的定焦裝調(diào)具有一定指導(dǎo)借鑒意義。

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