張 權(quán)，李 新，翟文超，劉恩超，張艷娜，鄭小兵

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機械研究所 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

引言

衛(wèi)星載荷在軌運行期間，由于受到外界復(fù)雜環(huán)境的影響，性能參數(shù)會不斷衰變，因此需要定期進行在軌定標以校正載荷衰變[1-2，13-14]。為實現(xiàn)在軌衛(wèi)星載荷的輻射定標，通常采用場地定標的方法，即在地面上選取均勻區(qū)域作為輻射定標場，當衛(wèi)星過境時，通過地面或飛機進行準同步測量[3]。場地定標包括3種方法:反射率基法、輻亮度基法和輻照度基法[4]。反射率基法需要進行地物目標的特征光譜測量、輻射測量，輻照度基法還需要進行天空總輻照度和漫射輻照度的測量，這些輻射量的測量都需要高光譜儀器[5]?？梢?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)測等各方面[6-7]。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所針對相應(yīng)需求，研制了可見-短波紅外波段的場地反射率輻射計和野外輻照度儀等儀器設(shè)備，兩種儀器均具備可見-短波紅外波段的光譜模塊。作為儀器的核心部分，可見-短波紅外波段的光譜模塊的精密程度決定了整個儀器的精密程度，從而影響到用于場地定標的測量數(shù)據(jù)的準確性。

由于受到單個探測器響應(yīng)波段范圍的限制[8]，自行研制儀器均由3個光譜模塊組成，分別為可見波段(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)。光機裝調(diào)是光電產(chǎn)品研制過程中重要環(huán)節(jié)之一，它直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性[9-11]。對于光譜模塊，光機設(shè)計和光機裝調(diào)是緊密聯(lián)系的兩個環(huán)節(jié)。光機設(shè)計決定光機裝調(diào)方式，光機裝調(diào)結(jié)果可以驗證光機設(shè)計的優(yōu)劣[9]。本文通過介紹光譜模塊的光機裝調(diào)以及對光機裝調(diào)結(jié)果的分析，探討光機裝調(diào)的一些經(jīng)驗，并驗證光機設(shè)計的合理性。

1 光譜模塊裝調(diào)

由于Si探測器發(fā)展時間較早，在可見波段光譜儀技術(shù)較為成熟，國內(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技術(shù)和平場凹面光柵研制技術(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個光譜模塊均采用平場凹面光柵分光，線陣探測器探測信號。單個光柵同時承擔光譜色散、光譜成像的功能，將入射光分光會聚在一個平面上，線陣列探測器的光敏面和這一平面重合。入射光經(jīng)過分光以后不同的波長會聚位置不同。其中可見波段光譜模塊采用Si光電二極管陣列，包含512個像元；近紅外波段光譜模塊采用InGaAs陣列探測器，包含256個像元；短波紅外波段光譜模塊采用擴展InGaAs陣列探測器，同樣包含256個像元。為方便起見，可將3個光譜模塊的像元號依次編為0～511、512～767和768～1 023。對光譜模塊進行裝調(diào)測試的最終目的是要確定探測器像元和波長之間的對應(yīng)關(guān)系以及光譜分辨率。

按照3個光譜模塊中平場凹面光柵的參數(shù)，分別設(shè)計光路原理圖，如圖1所示。光譜模塊的整體采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，殼體采用加強筋設(shè)計，有利于整體的穩(wěn)定性、輕量化。根據(jù)平場凹面光柵的成像特點，在結(jié)構(gòu)上分別設(shè)計了各組件的調(diào)整維度。其中，光纖和狹縫采用固定的方式，通過設(shè)計和精密加工保證固定位置的精度。反射鏡通過其固定支座有一個微量的角度調(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)整光譜成像與線陣列像元的重合程度。VIS光譜模塊中，探測器通過其固定支座與殼體的固定，探測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，探測器均固定于散熱模塊中，散熱模塊與光譜模塊框體通過螺釘連接，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個光譜模塊中的探測器像元的覆蓋范圍。

圖1 光譜模塊光路原理圖Fig.1 Optical path principle of spectral modules

在進行光機裝調(diào)之前，先固定狹縫和光纖頭，初步裝好反射鏡組件、光柵組件和探測器組件。將光譜模塊連接光源后，通過觀察探測器的響應(yīng)曲線來實時微調(diào)其他光學(xué)組件。反射鏡組件一般固定于理論設(shè)計位置。觀察探測器響應(yīng)曲線中的特征波長峰值與像元的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)整探測器沿像元陣列方向的平移位置，使光柵分光的波長范圍大致在探測器的覆蓋范圍之內(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陣列探測器的光敏面高度重合。觀察探測器響應(yīng)曲線的整體趨勢、像元對應(yīng)位置以及半高寬，當曲線位置較好、半高寬相對較窄時，即可將光柵支座固定，采集數(shù)據(jù)后進行數(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)實驗。圖2為3個光譜模塊的裝調(diào)測試示意圖。

圖2 光譜模塊裝調(diào)測試示意圖Fig.2 Schematic of opto-mechanical assembly on spectral modules

2 裝調(diào)結(jié)果分析

光譜模塊的光機裝調(diào)是通過調(diào)整模塊內(nèi)部光學(xué)組件的相對位置來確定探測器輸出譜線和像元的良好對應(yīng)關(guān)系，以達到預(yù)期分辨率的測試。光機裝調(diào)也是對光譜模塊進行光譜定標的過程，因此進行光機裝調(diào)時常選用用于光譜定標的設(shè)備，比如波長校準光源、單色儀等。

2.1 可見波段光譜模塊

可見波段光譜模塊的光譜范圍為400 nm～1 000 nm，常用的波長校準光源有汞氬燈、氖燈、汞燈和氬燈等，其中汞氬燈的輸出波長范圍為184.9 nm～1 047.005 4 nm，完全覆蓋了可見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，因此采用汞氬燈對可見波段光譜模塊進行光機裝調(diào)測試。

實驗所用的汞氬燈為AVANTES公司生產(chǎn)的波長校準光源，如圖3(a)所示。汞氬燈的特征譜線均為已知的波長值，如圖3(b)所示，為可見波段光譜模塊采用汞氬燈測試時的光譜曲線。通過特征峰值的比對，可得到表1中18個特征波長點。在Origin軟件中對表中每個獨立波長點進行高斯擬合，即可獲得每個波長點的中心像元位置，如表1所示。

序號101112131415161718波長/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

為得到可見波段光譜模塊全波段范圍內(nèi)波長與中心像元的對應(yīng)關(guān)系，采用Origin軟件對表1中的波長與中心像元分別進行二次多項式、三次多項式和四次多項式擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 可見波段光譜模塊多項式擬合結(jié)果Fig.4 Polynomial fitting results of VIS module

由圖4可知，二次、三次、四次多項式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均為1，表明線性擬合完全相關(guān)。而殘差平方和(residual sum of squares)隨著階次的增大而減小，但三次和四次多項式擬合相差較小，因此選擇三次多項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0和截止像元號511，即x=0和x=511，可得到可見光譜模塊的光譜范圍為390.246 0 nm～982.466 6 nm。因此可見波段光譜模塊的探測器單個像元的平均分辨率為R=(982.4666～390.2460)/512≈1.1567像素。在Origin軟件中對表1中每個獨立波長點進行高斯擬合，還可獲得每個波長點的半高寬(FWHM)。單個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下的評估分辨率，如表2所示。

表2 可見波段光譜模塊半高寬和評估分辨率Table 2 FWHM and resolution of VIS module

序號101112131415161718波長/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，可見光波段光譜模塊的波長分辨率優(yōu)于4 nm。

2.2 近紅外波段光譜模塊

近紅外波段光譜模塊的光譜范圍為900 mm～1 700 nm，波長校準光源中的氬燈的輸出波長范圍為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，因此采用氬燈對近紅外波段光譜模塊進行光機裝調(diào)測試。

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，氬燈的特征譜線均為已知的波長值，圖5(b)所示為近紅外波段光譜模塊采用氬燈測試時的光譜曲線。通過特征峰值的比對，可得到12個特征峰的波長值，在Origin軟件中對表中每個獨立波長點進行高斯擬合，即可獲得每個波長點的中心像元位置，如表3所示。

表3 近紅外波段光譜模塊譜線中心坐標Table 3 Center coordinates of spectral line of NIR module

序號789101112波長/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)波長與中心像元的對應(yīng)關(guān)系，采用Origin軟件對表3中的波長與中心像元分別進行二次多項式擬合、三次多項式擬合和四次多項式擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，二次、三次、四次多項式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均比較接近，其中四次多項式擬合最大。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式擬合結(jié)果Fig.6 Polynomial fitting results of NIR module

但四次多項式擬合明顯小于二次和三次，因此選擇四次多項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512和截止像元號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器單個像元的平均分辨率為R=(1701.5597-879.8627)/256≈3.2098 nm。在Origin軟件中對表3中每個獨立波長點進行高斯擬合，還可獲得每個波長點的半高寬(FWHM)。單個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下的評估分辨率，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分辨率優(yōu)于15 nm。

2.3 短波紅外波段光譜模塊

短波紅外波段光譜模塊的光譜范圍為1 600 nm～2 500 nm，波長校準光源中沒有完全覆蓋此光譜范圍的光源。單點激光器可以輸出確定的波長值，但是單點激光器存在波長漂移的現(xiàn)象，且波長漂移位置無法確定，而單色儀可以在一定波長范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的一系列等間隔確定波長。綜合2種設(shè)備的特點，采用單點激光器對短波紅外波段光譜模塊進行光機裝調(diào)測試，初步確定光機組件的相對位置，再通過單色儀對該狀態(tài)下光譜模塊的輸出結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果的好壞確定后期的裝調(diào)實驗。

由于光譜模塊輸出譜線的特征峰之間具有一定的相對性，對短波紅外波段光譜模塊進行初步裝調(diào)測試時，為簡化實驗步驟，可選用2種波長的單點激光器(如1 940 nm、2 200 nm)。使用單點激光器進行裝調(diào)時，首先測量本底信號，然后測量即時信號，即時信號減去本底信號為有效信號。圖7為使用1 940 nm激光器時的光譜模塊的有效信號曲線圖。依據(jù)光譜模塊的波長范圍與像元范圍對應(yīng)時的初步推算，可知1 940 nm約在第90個像元附近，2 200 nm約在第160個像元附近。調(diào)整短波紅外波段光譜模塊的反射鏡、光柵和探測器，同時觀察軟件界面采集到的譜線位置，若1 940 nm和2 200 nm譜線對應(yīng)的像元位置分別在90和160附近且譜線分辨率較高時，則可認為裝調(diào)初步合格。初步確定各光學(xué)組件的相對位置后，采用單色儀對裝調(diào)后的短波紅外波段光譜模塊進行測試并采集數(shù)據(jù)。

采用卓立漢光公司生產(chǎn)的Omni系列單色儀，其輸出波長范圍為300 nm～2 500 nm。對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個波長點。在Origin軟件中對每個波長點進行高斯擬合，即可獲得每個波長點的中心像元位置,如表5所示。

圖7 短波紅外波段光譜模塊單點激光器測量信號Fig.7 Measuring signal of SWIR module when using single laser

序號1234567891011波長/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1213141516171819202122波長/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)波長與中心像元的對應(yīng)關(guān)系，采用Origin對表5中的波長和中心像元分別進行二次多項式、三次多項式和四次多項式擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，二次、三次、四次多項式擬合后的R2和調(diào)整后的R2均為1，表明線性擬合完全相關(guān)。但四次多項式擬合的殘差平方和最小，因此選擇四次多項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768和截止像元號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器單個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軟件中對表5中每個獨立波長點進行高斯擬合，還可獲得每個波長點的半高寬(FWHM)。單個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下的評估分辨率，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分辨率優(yōu)于20 nm。

3 結(jié)論

根據(jù)輻射儀器3個光譜模塊的光機結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)了一些進行光機裝調(diào)的參考經(jīng)驗。對于可見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其進行光機裝調(diào)測試，并根據(jù)裝調(diào)數(shù)據(jù)進行光譜分析;對于短波紅外波段光譜模塊，采用單點激光器進行初步光機裝調(diào)測試，另外采用單色儀測試數(shù)據(jù)進行光譜分析。分析結(jié)果表明，3個模塊的光譜分辨率分別優(yōu)于4 nm、15 nm和20 nm，達到了儀器的設(shè)計指標，驗證了光機設(shè)計的合理性。針對不同波段的光譜模塊，采用不同的光機裝調(diào)實驗方法，并對裝調(diào)結(jié)果分別進行定量數(shù)據(jù)分析，可為其他光譜模塊的設(shè)計和裝調(diào)提供有益參考。

表6 短波紅外波段光譜模塊半高寬和評估分辨率Table 6 FWHM and resolution of SWIR module

序號1213141516171819202122波長/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評估分辨率/nm16.56716.43516.70815.56616.56317.25917.95818.75818.44216.16216.372