張 權(quán),李 新,翟文超,劉恩超,張艷娜,鄭小兵
(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)
衛(wèi)星載荷在軌運(yùn)行期間,由于受到外界復(fù)雜環(huán)境的影響,性能參數(shù)會(huì)不斷衰變,因此需要定期進(jìn)行在軌定標(biāo)以校正載荷衰變[1-2,13-14]。為實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星載荷的輻射定標(biāo),通常采用場(chǎng)地定標(biāo)的方法,即在地面上選取均勻區(qū)域作為輻射定標(biāo)場(chǎng),當(dāng)衛(wèi)星過(guò)境時(shí),通過(guò)地面或飛機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)同步測(cè)量[3]。場(chǎng)地定標(biāo)包括3種方法:反射率基法、輻亮度基法和輻照度基法[4]。反射率基法需要進(jìn)行地物目標(biāo)的特征光譜測(cè)量、輻射測(cè)量,輻照度基法還需要進(jìn)行天空總輻照度和漫射輻照度的測(cè)量,這些輻射量的測(cè)量都需要高光譜儀器[5]??梢?jiàn)-短波紅外波段(400 nm~2 500 nm)是遙感應(yīng)用的重要波段,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各方面[6-7]。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所針對(duì)相應(yīng)需求,研制了可見(jiàn)-短波紅外波段的場(chǎng)地反射率輻射計(jì)和野外輻照度儀等儀器設(shè)備,兩種儀器均具備可見(jiàn)-短波紅外波段的光譜模塊。作為儀器的核心部分,可見(jiàn)-短波紅外波段的光譜模塊的精密程度決定了整個(gè)儀器的精密程度,從而影響到用于場(chǎng)地定標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
由于受到單個(gè)探測(cè)器響應(yīng)波段范圍的限制[8],自行研制儀器均由3個(gè)光譜模塊組成,分別為可見(jiàn)波段(400 nm~1 000 nm)光譜模塊(VIS)、近紅外波段(900 nm~1 700nm)光譜模塊(NIR)、短波紅外波段(1 600 nm~2 500 nm)光譜模塊(SWIR)。光機(jī)裝調(diào)是光電產(chǎn)品研制過(guò)程中重要環(huán)節(jié)之一,它直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性[9-11]。對(duì)于光譜模塊,光機(jī)設(shè)計(jì)和光機(jī)裝調(diào)是緊密聯(lián)系的兩個(gè)環(huán)節(jié)。光機(jī)設(shè)計(jì)決定光機(jī)裝調(diào)方式,光機(jī)裝調(diào)結(jié)果可以驗(yàn)證光機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[9]。本文通過(guò)介紹光譜模塊的光機(jī)裝調(diào)以及對(duì)光機(jī)裝調(diào)結(jié)果的分析,探討光機(jī)裝調(diào)的一些經(jīng)驗(yàn),并驗(yàn)證光機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。
由于Si探測(cè)器發(fā)展時(shí)間較早,在可見(jiàn)波段光譜儀技術(shù)較為成熟,國(guó)內(nèi)外均研制成功了高性能的儀器[12-14]。 隨著短波紅外波段探測(cè)技術(shù)和平場(chǎng)凹面光柵研制技術(shù)的快速發(fā)展[15],短波紅外波段的光譜儀技術(shù)也有了較大發(fā)展。自行研制儀器中的3個(gè)光譜模塊均采用平場(chǎng)凹面光柵分光,線(xiàn)陣探測(cè)器探測(cè)信號(hào)。單個(gè)光柵同時(shí)承擔(dān)光譜色散、光譜成像的功能,將入射光分光會(huì)聚在一個(gè)平面上,線(xiàn)陣列探測(cè)器的光敏面和這一平面重合。入射光經(jīng)過(guò)分光以后不同的波長(zhǎng)會(huì)聚位置不同。其中可見(jiàn)波段光譜模塊采用Si光電二極管陣列,包含512個(gè)像元;近紅外波段光譜模塊采用InGaAs陣列探測(cè)器,包含256個(gè)像元;短波紅外波段光譜模塊采用擴(kuò)展InGaAs陣列探測(cè)器,同樣包含256個(gè)像元。為方便起見(jiàn),可將3個(gè)光譜模塊的像元號(hào)依次編為0~511、512~767和768~1 023。對(duì)光譜模塊進(jìn)行裝調(diào)測(cè)試的最終目的是要確定探測(cè)器像元和波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及光譜分辨率。
按照3個(gè)光譜模塊中平場(chǎng)凹面光柵的參數(shù),分別設(shè)計(jì)光路原理圖,如圖1所示。光譜模塊的整體采用鋁合金框架結(jié)構(gòu),殼體采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì),有利于整體的穩(wěn)定性、輕量化。根據(jù)平場(chǎng)凹面光柵的成像特點(diǎn),在結(jié)構(gòu)上分別設(shè)計(jì)了各組件的調(diào)整維度。其中,光纖和狹縫采用固定的方式,通過(guò)設(shè)計(jì)和精密加工保證固定位置的精度。反射鏡通過(guò)其固定支座有一個(gè)微量的角度調(diào)整,可用于調(diào)整整體光路的偏移。光柵具備微量旋轉(zhuǎn)、微量前后以及微量左右的裝調(diào)余量,用于多維度調(diào)整光譜成像與線(xiàn)陣列像元的重合程度。VIS光譜模塊中,探測(cè)器通過(guò)其固定支座與殼體的固定,探測(cè)器支座沿像元陣列方向具備微量平移裝調(diào)余量;NIR光譜模塊和SWIR光譜模塊中,探測(cè)器均固定于散熱模塊中,散熱模塊與光譜模塊框體通過(guò)螺釘連接,兩者在沿像元陣列方向也有微量平移裝調(diào)余量。因此在理論上可以保證3個(gè)光譜模塊中的探測(cè)器像元的覆蓋范圍。
圖1 光譜模塊光路原理圖Fig.1 Optical path principle of spectral modules
在進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)之前,先固定狹縫和光纖頭,初步裝好反射鏡組件、光柵組件和探測(cè)器組件。將光譜模塊連接光源后,通過(guò)觀察探測(cè)器的響應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)實(shí)時(shí)微調(diào)其他光學(xué)組件。反射鏡組件一般固定于理論設(shè)計(jì)位置。觀察探測(cè)器響應(yīng)曲線(xiàn)中的特征波長(zhǎng)峰值與像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)調(diào)整探測(cè)器沿像元陣列方向的平移位置,使光柵分光的波長(zhǎng)范圍大致在探測(cè)器的覆蓋范圍之內(nèi)。最后調(diào)整光柵的位置,光柵的調(diào)整較為靈活,具有旋轉(zhuǎn)和前后左右的多維度調(diào)整,便于使光柵分光匯聚平面與線(xiàn)陣列探測(cè)器的光敏面高度重合。觀察探測(cè)器響應(yīng)曲線(xiàn)的整體趨勢(shì)、像元對(duì)應(yīng)位置以及半高寬,當(dāng)曲線(xiàn)位置較好、半高寬相對(duì)較窄時(shí),即可將光柵支座固定,采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果調(diào)整后期的裝調(diào)實(shí)驗(yàn)。圖2為3個(gè)光譜模塊的裝調(diào)測(cè)試示意圖。
圖2 光譜模塊裝調(diào)測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic of opto-mechanical assembly on spectral modules
光譜模塊的光機(jī)裝調(diào)是通過(guò)調(diào)整模塊內(nèi)部光學(xué)組件的相對(duì)位置來(lái)確定探測(cè)器輸出譜線(xiàn)和像元的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系,以達(dá)到預(yù)期分辨率的測(cè)試。光機(jī)裝調(diào)也是對(duì)光譜模塊進(jìn)行光譜定標(biāo)的過(guò)程,因此進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)時(shí)常選用用于光譜定標(biāo)的設(shè)備,比如波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源、單色儀等。
可見(jiàn)波段光譜模塊的光譜范圍為400 nm~1 000 nm,常用的波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源有汞氬燈、氖燈、汞燈和氬燈等,其中汞氬燈的輸出波長(zhǎng)范圍為184.9 nm~1 047.005 4 nm,完全覆蓋了可見(jiàn)波段光譜模塊的光譜范圍,而且汞氬燈具有較多明顯的特征峰值,因此采用汞氬燈對(duì)可見(jiàn)波段光譜模塊進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)所用的汞氬燈為AVANTES公司生產(chǎn)的波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源,如圖3(a)所示。汞氬燈的特征譜線(xiàn)均為已知的波長(zhǎng)值,如圖3(b)所示,為可見(jiàn)波段光譜模塊采用汞氬燈測(cè)試時(shí)的光譜曲線(xiàn)。通過(guò)特征峰值的比對(duì),可得到表1中18個(gè)特征波長(zhǎng)點(diǎn)。在Origin軟件中對(duì)表中每個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,即可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的中心像元位置,如表1所示。
序號(hào)101112131415161718波長(zhǎng)/nm772.376794.818800.616811.531826.452842.465852.144912.297922.45中心像元320.259 7340.057 6345.422 0354.452 1368.024 5381.712 4391.012 2445.644 1454.962 9
為得到可見(jiàn)波段光譜模塊全波段范圍內(nèi)波長(zhǎng)與中心像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用Origin軟件對(duì)表1中的波長(zhǎng)與中心像元分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式和四次多項(xiàng)式擬合,擬合結(jié)果如圖4所示。
圖4 可見(jiàn)波段光譜模塊多項(xiàng)式擬合結(jié)果Fig.4 Polynomial fitting results of VIS module
由圖4可知,二次、三次、四次多項(xiàng)式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均為1,表明線(xiàn)性擬合完全相關(guān)。而殘差平方和(residual sum of squares)隨著階次的增大而減小,但三次和四次多項(xiàng)式擬合相差較小,因此選擇三次多項(xiàng)式擬合作為最終的擬合結(jié)果。其擬合方程如下:
y= 390.24599+1.23103x-7.96013×
10-5x2-1.2029×10-7x3
(1)
代入起始像元編號(hào)0和截止像元號(hào)511,即x=0和x=511,可得到可見(jiàn)光譜模塊的光譜范圍為390.246 0 nm~982.466 6 nm。因此可見(jiàn)波段光譜模塊的探測(cè)器單個(gè)像元的平均分辨率為R=(982.4666~390.2460)/512≈1.1567像素。在Origin軟件中對(duì)表1中每個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,還可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的半高寬(FWHM)。單個(gè)像元的平均分辨率與半高寬的乘積即為光譜模塊在特定波長(zhǎng)下的評(píng)估分辨率,如表2所示。
表2 可見(jiàn)波段光譜模塊半高寬和評(píng)估分辨率Table 2 FWHM and resolution of VIS module
序號(hào)101112131415161718波長(zhǎng)/nm772.376794.818800.616811.531826.452842.465852.144912.297922.45半高寬/nm2.723 62.974 62.875 33.022 92.871 73.361 02.831 13.118 23.112 1評(píng)估分辨率/nm3.150 33.440 73.325 83.496 53.321 73.887 73.274 63.606 83.599 7
從表2可知,可見(jiàn)光波段光譜模塊的波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于4 nm。
近紅外波段光譜模塊的光譜范圍為900 mm~1 700 nm,波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源中的氬燈的輸出波長(zhǎng)范圍為696.5 nm~1 704 nm,完全覆蓋了近紅外波段光譜模塊的光譜范圍,而且氬燈具有較多明顯的特征峰值,因此采用氬燈對(duì)近紅外波段光譜模塊進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)測(cè)試。
圖5 氬燈和近紅外波段光譜模塊的光譜圖Fig.5 Spectral curve of argon lamp and NIR module
如圖5(a)所示,氬燈的特征譜線(xiàn)均為已知的波長(zhǎng)值,圖5(b)所示為近紅外波段光譜模塊采用氬燈測(cè)試時(shí)的光譜曲線(xiàn)。通過(guò)特征峰值的比對(duì),可得到12個(gè)特征峰的波長(zhǎng)值,在Origin軟件中對(duì)表中每個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,即可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的中心像元位置,如表3所示。
表3 近紅外波段光譜模塊譜線(xiàn)中心坐標(biāo)Table 3 Center coordinates of spectral line of NIR module
序號(hào)789101112波長(zhǎng)/nm1 243.932 11 350.419 11 409.361 504.651 651.9861 694.058中心像元623.707 8656.388 3675.193 6705.768 7753.635 0764.223 9
為得到近紅外波段光譜模塊全波段范圍內(nèi)波長(zhǎng)與中心像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用Origin軟件對(duì)表3中的波長(zhǎng)與中心像元分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合、三次多項(xiàng)式擬合和四次多項(xiàng)式擬合,擬合結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知,二次、三次、四次多項(xiàng)式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均比較接近,其中四次多項(xiàng)式擬合最大。而殘差平方和隨著階次的增大而減小,
圖6 近紅外波段光譜模塊多項(xiàng)式擬合結(jié)果Fig.6 Polynomial fitting results of NIR module
但四次多項(xiàng)式擬合明顯小于二次和三次,因此選擇四次多項(xiàng)式擬合作為最終的擬合結(jié)果。其擬合方程如下:
y= 18913.55462-122.01506x+0.29637x2-
3.09225×10-4x3+1.20063×10-7x4
(2)
代入起始像元編號(hào)512和截止像元號(hào)767,即x=512和x=767,可得到近紅外波段光譜模塊的光譜范圍為879.8627 nm~1701.5597 nm。因此近紅外波段光譜模塊的探測(cè)器單個(gè)像元的平均分辨率為R=(1701.5597-879.8627)/256≈3.2098 nm。在Origin軟件中對(duì)表3中每個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,還可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的半高寬(FWHM)。單個(gè)像元的平均分辨率與半高寬的乘積即為光譜模塊在特定波長(zhǎng)下的評(píng)估分辨率,如表4所示。
表4 近紅外波段光譜模塊半高寬與評(píng)估分辨率Table 4 FWHM and resolution of NIR module
從表4可以得出,近紅外波段光譜模塊的波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于15 nm。
短波紅外波段光譜模塊的光譜范圍為1 600 nm~2 500 nm,波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源中沒(méi)有完全覆蓋此光譜范圍的光源。單點(diǎn)激光器可以輸出確定的波長(zhǎng)值,但是單點(diǎn)激光器存在波長(zhǎng)漂移的現(xiàn)象,且波長(zhǎng)漂移位置無(wú)法確定,而單色儀可以在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的一系列等間隔確定波長(zhǎng)。綜合2種設(shè)備的特點(diǎn),采用單點(diǎn)激光器對(duì)短波紅外波段光譜模塊進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)測(cè)試,初步確定光機(jī)組件的相對(duì)位置,再通過(guò)單色儀對(duì)該狀態(tài)下光譜模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)分析結(jié)果的好壞確定后期的裝調(diào)實(shí)驗(yàn)。
由于光譜模塊輸出譜線(xiàn)的特征峰之間具有一定的相對(duì)性,對(duì)短波紅外波段光譜模塊進(jìn)行初步裝調(diào)測(cè)試時(shí),為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟,可選用2種波長(zhǎng)的單點(diǎn)激光器(如1 940 nm、2 200 nm)。使用單點(diǎn)激光器進(jìn)行裝調(diào)時(shí),首先測(cè)量本底信號(hào),然后測(cè)量即時(shí)信號(hào),即時(shí)信號(hào)減去本底信號(hào)為有效信號(hào)。圖7為使用1 940 nm激光器時(shí)的光譜模塊的有效信號(hào)曲線(xiàn)圖。依據(jù)光譜模塊的波長(zhǎng)范圍與像元范圍對(duì)應(yīng)時(shí)的初步推算,可知1 940 nm約在第90個(gè)像元附近,2 200 nm約在第160個(gè)像元附近。調(diào)整短波紅外波段光譜模塊的反射鏡、光柵和探測(cè)器,同時(shí)觀察軟件界面采集到的譜線(xiàn)位置,若1 940 nm和2 200 nm譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)的像元位置分別在90和160附近且譜線(xiàn)分辨率較高時(shí),則可認(rèn)為裝調(diào)初步合格。初步確定各光學(xué)組件的相對(duì)位置后,采用單色儀對(duì)裝調(diào)后的短波紅外波段光譜模塊進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)。
采用卓立漢光公司生產(chǎn)的Omni系列單色儀,其輸出波長(zhǎng)范圍為300 nm~2 500 nm。對(duì)短波紅外波段光譜模塊選用了1 650 nm~2 490 nm(間隔40 nm)范圍內(nèi)的22個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)。在Origin軟件中對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,即可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的中心像元位置,如表5所示。
圖7 短波紅外波段光譜模塊單點(diǎn)激光器測(cè)量信號(hào)Fig.7 Measuring signal of SWIR module when using single laser
序號(hào)1234567891011波長(zhǎng)/nm1 6501 6901 7301 7701 8101 8501 8901 9301 9702 0102 050中心像元5.35116.22527.12138.07149.10560.13371.26282.47793.71105.115116.476序號(hào)1213141516171819202122波長(zhǎng)/nm2 0902 1302 1702 2102 2502 2902 3302 3702 4102 4502 490中心像元128.014139.613151.316163.009174.969186.903198.868211.119223.383235.513248.146
為得到全波段范圍內(nèi)波長(zhǎng)與中心像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用Origin對(duì)表5中的波長(zhǎng)和中心像元分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式和四次多項(xiàng)式擬合,擬合結(jié)果如圖8所示。
由圖8可知,二次、三次、四次多項(xiàng)式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均為1,表明線(xiàn)性擬合完全相關(guān)。但四次多項(xiàng)式擬合的殘差平方和最小,因此選擇四次多項(xiàng)式擬合作為最終的擬合結(jié)果,擬合方程如(3)式所示。
圖8 短波紅外波段光譜模塊多項(xiàng)式擬合結(jié)果Fig.8 Polynomial fitting results of SWIR module
y= 806.83779-6.35498x+0.01819x2-
1.40159×10-5x3+3.8138×10-9x4
(3)
代入起始像元編號(hào)768和截止像元號(hào)1023,即x=768和x=1 023,可得到短波紅外波段光譜模塊的光譜范圍為1 630.188 7 nm~2 515.342 4 nm。因此該光譜模塊的探測(cè)器單個(gè)像元的平均分辨率為R=(2 515.342 4~1 630.188 7)/256≈3.457 6 nm。在Origin軟件中對(duì)表5中每個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合,還可獲得每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的半高寬(FWHM)。單個(gè)像元的平均分辨率與半高寬的乘積即為光譜模塊在特定波長(zhǎng)下的評(píng)估分辨率,如表6所示。
從表6可以看出,短波紅外波段光譜模塊的波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于20 nm。
根據(jù)輻射儀器3個(gè)光譜模塊的光機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),總結(jié)了一些進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)的參考經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于可見(jiàn)波段光譜模塊和近紅外波段光譜模塊,分別采用汞氬燈和氬燈對(duì)其進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)測(cè)試,并根據(jù)裝調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析;對(duì)于短波紅外波段光譜模塊,采用單點(diǎn)激光器進(jìn)行初步光機(jī)裝調(diào)測(cè)試,另外采用單色儀測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析。分析結(jié)果表明,3個(gè)模塊的光譜分辨率分別優(yōu)于4 nm、15 nm和20 nm,達(dá)到了儀器的設(shè)計(jì)指標(biāo),驗(yàn)證了光機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。針對(duì)不同波段的光譜模塊,采用不同的光機(jī)裝調(diào)實(shí)驗(yàn)方法,并對(duì)裝調(diào)結(jié)果分別進(jìn)行定量數(shù)據(jù)分析,可為其他光譜模塊的設(shè)計(jì)和裝調(diào)提供有益參考。
表6 短波紅外波段光譜模塊半高寬和評(píng)估分辨率Table 6 FWHM and resolution of SWIR module
序號(hào)1213141516171819202122波長(zhǎng)/nm2 0902 1302 1702 2102 2502 2902 3302 3702 4102 4502 490半高寬/nm4.7914.7534.8324.5024.7904.9925.1945.4255.3344.6744.735評(píng)估分辨率/nm16.56716.43516.70815.56616.56317.25917.95818.75818.44216.16216.372