李碧岑 李明 徐彭梅

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星載大氣監(jiān)測光譜儀高精度星上定標技術

李碧岑 李明 徐彭梅

（北京空間機電研究所，北京 100094）

大氣成分的高精度反演及應用對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，且隨著遙感器運行壽命的不斷延長，需建立高精度、高穩(wěn)定的星上定標系統。文章介紹了一種滿足大氣監(jiān)測光譜儀高精度定標要求的星上定標技術，結合時間調制型傅里葉變換光譜儀的技術特點，制定了星上絕對輻射定標、儀器線形函數ILS測量和光譜定標的方案。采用太陽漫反射板定標法實現全口徑、全視場、全光路絕對輻射定標，定標漫反射板在光譜儀光路的最前端將太陽光譜引入，通過已知的大氣層外太陽光譜照度和地面標定的漫反射板雙向反射分布函數BRDF確立星上絕對輻射定標基準。設置參考漫反射板進行在軌性能衰減的監(jiān)測和校正，采用的QVD漫反射板具有高穩(wěn)定性，可保證全壽命周期內星上絕對輻射定標精度優(yōu)于5%。星上設置單色穩(wěn)頻激光器對光譜儀的儀器線形函數進行定期監(jiān)測，以評估光譜儀的光譜分辨率等光學性能的在軌狀態(tài)。利用太陽光譜和大氣光譜中的特征譜線進行在軌波長校正。

漫反射板 儀器線形函數 波長校正 絕對輻射定標 大氣監(jiān)測光譜儀 航天遙感 “高分五號”衛(wèi)星

0 引言

對于大氣超光譜遙感載荷而言，光譜數據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，即測量光譜輻亮度的精度，是大氣吸收強度的直接表征信息，與載荷定標精度、儀器的信噪比以及反演過程引入的誤差等密切相關；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。上述兩個因素都需要通過發(fā)射前和在軌的精確定標來保證。

國外的空間大氣光譜探測技術研究起步較早，在高精度星上定標系統的設計和應用方面經驗豐富。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光進行輻射定標，但鋁漫反射板會對其反射太陽光譜引入一定的光譜結構，影響反演結果的精度[2]。TANSO-FTS（Thermal and Near Infrared Sensor for Carbon Observation Fourier-Transform Spectrometer）采用Spectralon漫反射板進行星上輻射定標，其入軌后一年的監(jiān)測數據顯示，每軌定標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構很小的石英漫射板（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)射前除了進行亮度和照度的絕對定標外，對載荷的另一重要輻射定標參數系統級雙向反射分布函數（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）進行了詳細測試，即亮度和照度定標結果的比值。系統級BRDF的標定消除了載荷對地光路和星上定標光路的差異對定標精度的影響，且所采用光源的輻射輸出無需精確標定，可有效提升載荷的星上定標精度[2]。

近年來，隨著國內遙感載荷定量化應用需求的不斷提高和衛(wèi)星設計壽命的延長，均開始設計并配備高精度的星上定標裝置[6]，星上定標精度擬提升到5%[7]，以滿足對地遙感的大部分定量化反演要求?！案叻治逄枴弊鳛槲覈最w高光譜觀測衛(wèi)星，具備對大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等要素的定量監(jiān)測能力，其搭載的多個用于大氣監(jiān)測的高光譜載荷采用了高精度星上光譜和輻射定標技術，以滿足高精度數據應用需求[8-10]。本文以某一用于大氣監(jiān)測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方案和星上定標系統的設計。

1 大氣監(jiān)測光譜儀簡介

星載大氣監(jiān)測光譜儀用于大氣中氣體濃度變化的在軌定量監(jiān)測，相比成像型的遙感相機，大氣成分的高精度反演對光譜儀的性能和定標精度均提出了更高要求。除了必須在發(fā)射前進行嚴格的實驗室定標，還必須建立高精度、高穩(wěn)定的星上定標系統，以保證載荷全壽命周期內數據產品的品質。

某大氣監(jiān)測光譜儀采用時間調制型傅里葉變換分光的技術路線，光譜儀主要由二維指向機構、干涉儀組件、后光學組件、分色匯聚光學組件、探測器及信號處理系統等組成，其核心組件為一臺雙角鏡擺臂式干涉儀。入射光經指向鏡進入干涉儀組件，通過干涉儀的光程掃描實現干涉分光后由后光學組件進行壓束，經分色匯聚光學組件分為4個通道并分別匯聚至各譜段的單元探測器上，探測器獲取的干涉信號經傅里葉變換后可得到大氣成分對地表反射太陽輻射的吸收光譜，從而定量反演各成分的濃度分布信息，應用于全球變暖等氣候變化問題的研究。

光譜儀在近紅外和短波紅外波段設置了4個工作譜段，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。光譜儀視場角為15.8mrad，絕對輻射定標精度要求優(yōu)于5%。為保證全壽命周期內光譜數據的精度，需設置星上定標系統，定期對光譜儀的光譜和輻射性能進行標定。

2 星上定標方案設計

2.1 星上輻射定標

（1）星上輻射定標方案設計

發(fā)射過程中的振動、在軌運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特性的衰減和變化[11]，使得實驗室定標系數在衛(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年相對于發(fā)射前定標的輻射衰減在近紅外譜段約18%~20%，短波紅外譜段約5%~7%[12]。對于工作在太陽反射譜段的遙感器，多利用太陽這一長期穩(wěn)定的寬帶光源，采用太陽漫反射板定標法對儀器入軌后的輻射性能進行標定，該方法具有全口徑、全視場、全光路等優(yōu)點，具有很高的輻射定標精度。然而，漫反射板會受空間紫外輻照、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光波段衰減明顯。因此，為保證全壽命周期內遙感器的定標精度，除了采用空間環(huán)境下具有高穩(wěn)定性的漫反射材料，需建立對漫反射板反射性能衰減的在軌監(jiān)測手段。

解決方法之一是設計一種比輻射計，通過比較太陽輻照度和漫反射板反射輻亮度進行漫反射板BRDF的變化監(jiān)測[7]，該方法的局限在于僅可對部分譜段以及漫反射板的部分區(qū)域和部分觀測角度下的BRDF進行監(jiān)測，與星上定標的實際狀態(tài)存在偏差。對于口徑相對較小的遙感器，在體積質量等條件允許的情況下，可設置參考漫反射板，通過兩塊漫反射板定標結果的比對實現漫反射板在軌衰減的監(jiān)測和校正。該校正方法與常規(guī)定標的測試狀態(tài)完全一致，精度更高。

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

（2）漫反射板的選用、設計及測試

隨著遙感器設計壽命的延長，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，設計直徑為150mm，置于光譜儀光路的最前端，可保證全視場、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，以實現所需角度下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，光譜儀在軌定標時的太陽入射角度需考慮衛(wèi)星軌道參數及其在軌漂移情況、地氣雜光影響、平臺結構遮擋等因素，并結合這些因素確定太陽定標的時機?？紤]上述因素后，設計全壽命周期內太陽定標時段對應的太陽光與漫反射板的夾角關系如圖1所示，其中為衛(wèi)星坐標系，為衛(wèi)星飛行方向，為穿軌方向，為星下點方向。太陽光相對面的夾角的變化范圍為20°~35°，太陽光在平面內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，則定標期間太陽光與定標漫反射板法線夾角，也就是太陽光入射角變化范圍為55°~70°。

圖1 星上太陽定標期間太陽光與定標漫反射板的夾角關系

針對光譜儀的工作譜段和在軌太陽定標角度，對漫反射板表面粗糙度設計進行了優(yōu)化，如圖2所示。可以看出，當粗糙度大于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的相對變化在5%~7%以內。進一步地，利用顯微鏡和探測器對面均勻性進行測定，得出粗糙度2μm的漫反射板的面均勻性最佳。另一方面，定標漫反射板的BRDF設計需滿足太陽定標時經定標漫反射板反射后的太陽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態(tài)范圍上限，實測結果如圖3所示。

圖2 不同表面粗糙度漫反射板的BRDF相對角度變化情況

圖3 漫反射板出射輻亮度與光譜儀動態(tài)范圍符合情況

在星上定標系統安裝至光譜儀整機后，考慮到裝配誤差和雜光等因素的影響，需在實驗室對定標漫反射板在不同波長和不同太陽光入射角條件下進行系統級BRDF標定[14-15]。使用太陽模擬器作為光源，使其分別照射光譜儀的星上定標通道和對地通道，其中對地通道采用一已知BRDF的標準漫反射板將入射光引入，利用兩次測量的比值獲得漫反射板的系統級BRDF，更為接近星上定標系統的在軌真實工作狀態(tài)，相比利用元件級的漫反射板BRDF進行星上定標，可獲得更高的星上輻射定標精度。經分析（見表1），光譜儀所采用的系統級BRDF標定方法的測量誤差可優(yōu)于3%。

表1 光譜儀短波紅外譜段定標漫反射板系統級BRDF的測量誤差

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

（3）星上絕對輻射定標精度分析

光譜儀的星上絕對輻射定標是通過已知的大氣層外太陽光譜照度數據、在軌實時太陽矢量（太陽光入射角度）和漫反射板BRDF的地面標定結果確立輻亮度標準，并在衛(wèi)星處于地影區(qū)時進行深空暗背景數據的采集。在某一波數處，太陽光經定標漫反射板散射后入射到光譜儀的輻亮度S()為：

式中()為太陽輻照度；BRDF(iiss)為定標漫反射板的雙向反射分布函數，它是入射光照度和反射光亮度的比值，與入射光波長、入射光線和出射光線的角度有關；i為太陽光和定標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]。太陽定標時光譜儀采集信號為DNS()；深空暗背景觀測時采集信號為DN0()，可得到光譜儀的輻射定標方程：

式中 DN()為光譜儀對地觀測時的測量信號；()為與DN()對應的對地觀測時的入瞳輻亮度。

星上輻射定標需利用定標數據所對應的在軌實測參數，如衛(wèi)星姿態(tài)信息、太陽光相對漫反射板的入射和出射角度，以及參考漫反射板的定標結果等，對定標模型進行修正。修正后仍存在的殘余誤差及其它不可修正項即構成了星上輻射定標精度。以光譜儀短波紅外通道（1.6μm）為例，絕對輻射定標環(huán)節(jié)中的主要誤差來源及參考貢獻值分析如表2所示。其中，太陽照度數據來源于已有科學測量數據，目前其測量不確定度可優(yōu)于2%；太陽定標時和對地觀測時的光譜輸出信號誤差主要源自于儀器的噪聲影響；太陽光入射角度誤差主要受衛(wèi)星姿態(tài)和星上實時太陽矢量計算誤差的影響，會導致入射照度和漫反射板BRDF的不確定，對于朗伯性很好的漫反射板該部分誤差影響很小；雜散光的影響已通過系統級BRDF標定有所抑制，并采用遮光罩、擋光板等措施抑制在軌星表反射太陽光所產生的雜光，該項誤差主要考慮地面測試和分析與在軌真實狀態(tài)的差異；系統非線性誤差來源于干涉信號零光程差處峰值信號所引入的非線性調制因子；根據OMI的QVD漫反射板反射性能的在軌衰減數據，預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）壽命末期星上絕對輻射定標精度為4.33%。此外，譜段1、譜段3和譜段4的星上絕對輻射定標精度分別為3.91%、4.36%和4.39%，均滿足5%的指標要求。

表2 光譜儀短波紅外譜段星上絕對輻射定標誤差分析

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

2.2 星上ILS測量

儀器線形函數（Instrument Line Shape, ILS）表征了光譜儀對于一個給定波長的單色光源的光譜響應，光譜儀的測量光譜是真實光譜與ILS卷積的結果。對于具有超高光譜分辨率且絕對精度要求很高的儀器，其輻射定標和波長定標都需要將基準光譜與ILS卷積，卷積后的結果與光譜儀實測信號比對來完成定標參數的計算。短波紅外譜段的大氣光譜數據反演對ILS的變化非常敏感，需要設置星上ILS測量手段。

本方案設計利用波長為1 664.5nm的窄線寬半導體激光器作為輸入光源進行ILS測量，激光線寬優(yōu)于10MHz，遠小于光譜儀的光譜分辨率，可保證測量結果的準確性。定標激光器內部設置了半導體制冷器和熱敏電阻，對定標激光器進行制冷和精確控溫，以保證輸出激光的頻率穩(wěn)定性。

圖4 利用星上激光器測試的ILS光譜

激光器發(fā)出的單色穩(wěn)頻激光由星上定標漫反射板引入光譜儀光學系統，將光譜儀獲取的單色激光干涉信號進行逆傅里葉變換后即獲得經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函數的半高寬可反映光譜儀的光譜分辨率，光譜分辨率實測結果為0.262cm–1，滿足指標要求。ILS的測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的測量精度約為0.7%。

2.3 在軌波長校正

光譜儀的實驗室光譜定標多采用特征譜線燈[17]、單色激光器、氣體池結合不同光源（積分球、黑體等）的方法[18]，可實現的光譜定標精度很高，但在星上應用方面受限于功耗、體積、質量及壽命等要求，工程實現存在難度。星上光譜定標有采用鹵鎢燈[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，國外已發(fā)射的多個超光譜載荷，如文獻[22]、文獻[23]多借助太陽光譜和大氣吸收光譜進行其在軌波長定標。

光譜儀處于太陽定標模式時，利用太陽定標獲得的光譜信號里的太陽夫瑯禾費線的波長信息進行在軌波長校正；光譜儀工作在常規(guī)觀測模式時，通過對地面均勻場景進行觀測，利用探測光譜信號里的大氣吸收線的波長信息進行在軌波長校正。太陽光譜中的特征吸收線較大氣吸收光譜更為尖銳，獲得的波長位置更為精確，而大氣吸收光譜無Doppler效應的影響，兩種方法相結合，可得到更為準確的光譜校正結果。

使用太陽光譜和大氣吸收光譜進行星上波長定標計算時，首先使用已知的太陽光譜或大氣吸收光譜與光譜儀的ILS進行卷積，將卷積后的已知光譜與光譜儀實測得到的測量光譜采用標準差法進行比較后確定測量光譜各采樣點對應的波長值，完成波長定標。

圖5 星上波長定標時的數據處理示意

星上波長定標時的數據處理示意如圖5所示。沿波數軸按一定步長對測量光譜進行逐次平移，逐次計算平移后的測量光譜與已知光譜的標準差，標準差為最小時的測量光譜與波數軸的對應關系即為星上波長定標結果。標準差的計算公式為，

式中為采樣點數；ν為采樣點對應的波數；0()為已知光譜數據；()為測量光譜數據。

3 星上定標系統設計和工作過程描述

根據上述星上定標方案，設計的光譜儀星上定標系統組成如圖6所示，由漫反射板定標機構、激光器和定標控制器組成，定標控制器用于機構轉動和激光器電流的控制。星上定標流程示意圖如圖7所示，為避免太陽光的影響衛(wèi)星處于地影區(qū)內進行ILS測量和深空冷背景數據采集。衛(wèi)星出地影區(qū)后、星下點日出前進行太陽定標?？紤]氣體反演精度對每軌定標數據的精度要求，設計對太陽和深空冷背景的觀測每軌進行，每月進行一次ILS測量。

圖6 星上定標系統組成示意

圖7 星上定標流程示意

兩塊漫反射板的切換由定標機構的轉動實現，定標時光譜儀的指向機構指向漫反射板方向，將太陽輻射引入干涉儀。參考板不使用時，受定標機構外殼保護，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。定標機構采用電機直驅方式，采用2組微動開關判斷漫反射板工作位置，結構形式簡單、可靠性高。圖8為定標機構組成和設計示意。

圖8 星上定標機構組成

對應用于大氣成分定量監(jiān)測的超光譜載荷而言，星上絕對輻射定標是保證氣體濃度反演精度的關鍵，而儀器線形函數測量和波長校正是進行輻射定標的前提。光譜儀的星上定標工作原理如圖9所示，定標采集的光譜數據需首先進行ILS卷積處理和波長校正，而后才能進行輻射定標數據的處理。通過星上ILS測量與發(fā)射前ILS的比對，可監(jiān)測光譜儀在軌光譜響應特性的變化情況。根據星上太陽定標數據和暗背景測量數據獲得星上絕對輻射定標方程，并與發(fā)射前定標方程進行比對，對發(fā)射前定標參數進行修正，同時評估漫反射板和儀器的在軌衰減或變化情況。

圖9 光譜儀星上定標原理示意

4 結束語

星載大氣監(jiān)測光譜儀星上定標方案的設計在總結和借鑒國外先進載荷在軌應用經驗的基礎上，結合傅里葉變換光譜載荷的技術特點，設計的星上定標系統具備全口徑、全視場、全光路絕對輻射定標和ILS測量能力。漫反射板定標裝置具有在軌高穩(wěn)定性和可靠性，漫反射板的系統級BRDF可降低定標裝置裝配誤差和系統雜光的影響，可保證全壽命周期光譜儀各譜段絕對輻射定標精度均優(yōu)于5%。ILS卷積作為光譜數據處理的必要環(huán)節(jié)，星上窄線寬穩(wěn)頻激光器的設計可滿足光譜儀短波紅外譜段的星上ILS測量要求，并可在軌實時評估光譜儀的光譜分辨率等光學性能。配備滿足高精度反演要求、在軌穩(wěn)定性好的星上定標裝置，是定量遙感載荷發(fā)展的重要趨勢，本文介紹的高精度星上定標技術可應用于工作在太陽反射譜段的星載光譜儀等具有高精度定量應用需求的遙感器，為我國的環(huán)境綜合監(jiān)測、氣候變化研究、資源勘查、防災減災等行業(yè)提供高質量、高可靠度的高光譜遙感數據服務。

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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光學專業(yè)碩士學位，工程師。研究方向為航天光學遙感器總體設計、定標技術。E-mail：mou_lbc@163.com。

2018-03-21

國家重大科技專項工程

（編輯：劉穎）