冀春延,趙敏杰,周海金,司福祺,劉建國(guó)

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(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 230036)

0 引言

紫外高光譜探測(cè)儀在光路設(shè)計(jì)上包含地球觀(guān)測(cè)光路(主光路)和太陽(yáng)定標(biāo)光路(定標(biāo)光路),其中地球觀(guān)測(cè)光路用于獲取地球大氣散射光光譜,太陽(yáng)定標(biāo)光路用于獲取太陽(yáng)參考譜,并經(jīng)過(guò)反演得到地球大氣污染物信息。因此太陽(yáng)參考譜的定標(biāo)精度決定了氣體反演精度,需要在實(shí)驗(yàn)室完成定標(biāo)光路的絕對(duì)輻照度定標(biāo)[1,2]。

實(shí)驗(yàn)室輻照度定標(biāo)常采用直接平行光定標(biāo)法、間接平行光標(biāo)定法以及直接發(fā)散光標(biāo)定法[3]。美國(guó)航空航天局研制的太陽(yáng)后向散射紫外探測(cè)儀(SBUV),定標(biāo)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)燈置于球面反射鏡焦點(diǎn),產(chǎn)生平行光源直接輻照儀器漫反射板,從而標(biāo)定輻照度響應(yīng)度,稱(chēng)為直接平行光定標(biāo)法,該方法較難實(shí)現(xiàn),并且最終引入了5.6%的絕對(duì)定標(biāo)不確定度[4];中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的空間紫外遙感儀器(SURSI)采用了間接平行光方式標(biāo)定,氙燈位于離軸拋物面鏡焦點(diǎn)處,產(chǎn)生的平行光經(jīng)熔石英窗口輻照自身的漫反射板[5];歐洲航天局研制的對(duì)流層監(jiān)測(cè)儀(TROPOMI)以及臭氧檢測(cè)儀器(OMI)等采用直接發(fā)散光標(biāo)定輻照度,選用標(biāo)定后的鹵鎢燈直接對(duì)載荷內(nèi)部的漫射板照射,實(shí)現(xiàn)輻照度定標(biāo)[6?8]。三種方法相比,直接發(fā)散光定標(biāo)引入更小的不確定度,且定標(biāo)快捷容易實(shí)現(xiàn)。

本研究采用直接發(fā)散光標(biāo)定法對(duì)紫外高光譜大氣成分探測(cè)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室輻照度定標(biāo),通過(guò)搭建定標(biāo)平臺(tái)對(duì)其定標(biāo)光路全視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,確立了輻照度定標(biāo)系數(shù),并且對(duì)俯仰角、方位角等因素完成校正,對(duì)定標(biāo)過(guò)程引入的不確定度進(jìn)行了分析。

1 輻照度定標(biāo)方法

紫外高光譜探測(cè)儀是基于二維面陣CCD陣列的遙感探測(cè)設(shè)備,一維用于記錄太陽(yáng)和大氣輻射的光譜信息(光譜維),另一維用于記錄輻射的空間分布信息(空間維)。圖1為定標(biāo)光路結(jié)構(gòu)圖。定標(biāo)光路工作時(shí),太陽(yáng)擋板旋轉(zhuǎn)一定角度,太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)窗口照射到安裝在漫射板旋轉(zhuǎn)座上的石英漫反射板或聚四氟乙烯漫反射板,經(jīng)漫射板反射后,漫射光經(jīng)光路切換凹面鏡匯聚,依次到達(dá)望遠(yuǎn)鏡次鏡表面、狹縫,最終分光后進(jìn)入光譜儀。

圖1 定標(biāo)光路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Calibration light path structure

定標(biāo)光路需要在地面完成輻照度響應(yīng)度定標(biāo),獲得的輻照度定標(biāo)系數(shù)將對(duì)日觀(guān)測(cè)采集到的原始灰度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)參考譜,結(jié)合主光路對(duì)地觀(guān)測(cè)所獲得的測(cè)量譜,借助差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣痕量氣體的反演。采用直接發(fā)散光方式定標(biāo),紫外高光譜探測(cè)儀輻照度響應(yīng)度計(jì)算公式為

式中:Ec(λ)為修正后的輻照度值;V(λ)為儀器的響應(yīng)值;Ea(λ)為修正前的輻照度值;εc為輻照度修正因子,與入射角等因素有關(guān)。

搭建的輻照度定標(biāo)平臺(tái)如圖2所示。定標(biāo)裝置包括高精度二維轉(zhuǎn)臺(tái)、1000 W標(biāo)準(zhǔn)燈、機(jī)械導(dǎo)軌等,紫外高光譜探測(cè)儀放置在轉(zhuǎn)臺(tái)中心。實(shí)驗(yàn)通過(guò)激光器調(diào)整光源中心與漫射板的位置:將激光器平行放置于定標(biāo)燈后,激光經(jīng)過(guò)定標(biāo)光源中心照射在漫反射板,通過(guò)激光器和定標(biāo)燈的上下調(diào)整,確保光源中心和漫射板中心高度一致。二維轉(zhuǎn)臺(tái)可進(jìn)行水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng),其中旋轉(zhuǎn)角度以圖中旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?實(shí)現(xiàn)定標(biāo)光源不同角度的入射。定標(biāo)燈放置于機(jī)械導(dǎo)軌上,機(jī)械導(dǎo)軌可通過(guò)輸入?yún)?shù)調(diào)整定標(biāo)燈與光譜儀之間的距離,來(lái)改變進(jìn)入太陽(yáng)窗口的輻照度。實(shí)驗(yàn)中調(diào)整合適的距離,保證定標(biāo)燈入射光充滿(mǎn)整個(gè)視場(chǎng),使光譜儀響應(yīng)具有較高的信噪比,其中定標(biāo)燈到漫射板的初始距離由激光測(cè)距儀確定。平臺(tái)搭建完成后采取控制變量法進(jìn)行測(cè)試,采集不同角度、距離下的載荷響應(yīng)以及暗背景,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,具體測(cè)試參數(shù)如表1所示。

圖2 輻照度定標(biāo)平臺(tái)Fig.2 Irradiance calibration platform

表1 輻照度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)Table 1 Irradiance calibration test parameters

2 輻照度定標(biāo)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

2.1 輻照度定標(biāo)數(shù)據(jù)

定標(biāo)光路裝配石英(QVD)漫反射板和聚四氟乙烯(F4)漫反射板,測(cè)試時(shí)通過(guò)地面測(cè)試系統(tǒng)切換到定標(biāo)光路測(cè)試模式,并在系統(tǒng)中控制漫反射板的切換,根據(jù)表1的測(cè)試參數(shù),對(duì)兩板分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)燈測(cè)試,實(shí)現(xiàn)輻照度定標(biāo),圖3為QVD和F4漫射板對(duì)應(yīng)的儀器采集光譜圖。

圖3 儀器采集光譜圖。(a)石英漫反射板;(b)聚四氟乙烯漫反射板Fig.3 Instrument acquisition spectrum.(a)QVD diffuser,(b)F4 diffuser

對(duì)獲得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行暗背景扣除,即可得到有效視場(chǎng)內(nèi)的光譜結(jié)果,用于后續(xù)的分析計(jì)算。圖4為在俯仰角0°、方位角13°、扣除暗背景后紫外2(UV2)和可見(jiàn)1(VIS1)通道三組入射距離30、40、50 cm下的中心視場(chǎng)光譜,其中入射距離均為激光測(cè)距儀測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)燈到漫射板中心的距離。由圖可知,光譜測(cè)試結(jié)果平滑、完整。

圖4 中心視場(chǎng)光譜。(a)UV2;(b)VIS1Fig.4 Spectrum of the central field of view.(a)UV2,(b)VIS1

2.2 輻照度的影響因素

輻照度響應(yīng)與入射角度有關(guān),包括方位角和俯仰角。直接發(fā)散光在空間輻射存在不均一性;標(biāo)準(zhǔn)燈照亮漫反射板形成面光源,隨著入射角度的變化,入射光在漫反射板形成的不均一面光源發(fā)生改變,探測(cè)器的響應(yīng)也隨之變化。此外,輻照度響應(yīng)與CCD自身的空間維和光譜維響應(yīng)相關(guān)[9?13]。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,三個(gè)入射距離為30、40、50 cm。紫外高光譜探測(cè)儀內(nèi)置的QVD漫射板和F4漫射板尺寸均為橫向46 mm、縱向5 mm,由于縱向?qū)挾认鄬?duì)于橫向?qū)挾容^窄,對(duì)于發(fā)散光源的空間分布影響較小,因此主要討論發(fā)散光在漫射板的橫向分布。在漫射板橫向分布上,輻照度隨著距離的增加以距離平方的反比而減小,標(biāo)準(zhǔn)燈到各點(diǎn)的實(shí)際距離與中心入射距離存在偏差。圖5給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的三組距離在四個(gè)方位角下的各空間維的偏差百分比示意圖。由圖5可知,同一方位角下對(duì)漫射板不均一性的影響隨著距離的增大逐漸減小。載荷測(cè)得的太陽(yáng)方位角范圍由衛(wèi)星的軌道參數(shù)決定,在此范圍內(nèi)方位角對(duì)入射光在漫射板的橫向分布產(chǎn)生影響,使各點(diǎn)的偏差隨著方位角的變化而改變。三個(gè)入射距離下各空間維在各方位角的偏差如圖6所示,同一距離下偏差隨著方位角的增大而增大。

圖5 四個(gè)方位角13°(a)、20°(b)、25°(c)、30°(d)下各空間維的偏差百分比Fig.5 Offset of each spatial dimension under four azimuth of 13°(a),20°(b),25°(c)and 30°(d)

圖6 三個(gè)入射距離30 cm(a)、40 cm(b)、50 cm(c)下各空間維的偏差百分比Fig.6 Offset of each spatial dimension under three distance 30 cm(a),40 cm(b)and 50 cm(c)

2.3 輻照度定標(biāo)結(jié)果

將方位角因素修正后計(jì)算二維CCD上各像元點(diǎn)處的輻照度值,由于儀器各像元響應(yīng)的差異性,需要根據(jù)各像元的光譜響應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)燈的照度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)燈到漫射板的實(shí)際距離計(jì)算響應(yīng)像元點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的輻照度值。

利用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)標(biāo)定的特定波長(zhǎng)下的輻照度值,采用三次樣條插值法計(jì)算其他波長(zhǎng)下的輻照度。三次樣條插值法計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、收斂性好,插值結(jié)果具有較高的光滑度[14,15]。以空間維100行為例,圖7為對(duì)實(shí)驗(yàn)距離50 cm、方位角13°下校正后的UV2、VIS1、VIS2三個(gè)通道下的照度值,其中三角符號(hào)表示NIST給定的50 cm處的照度值。

圖7 NIST標(biāo)定的輻照度與校正后的插值結(jié)果對(duì)比。(a)紫外2;(b)可見(jiàn)1;(c)可見(jiàn)2Fig.7 Comparison of NIST-calibrated irradiance and corrected interpolation results.(a)UV2,(b)VIS1,(c)VIS2

2.4 輻照度定標(biāo)系數(shù)計(jì)算

對(duì)二維CCD探測(cè)器的每一個(gè)像元點(diǎn)計(jì)算修正后的三個(gè)距離30、40、50 cm處的照度值。用數(shù)組[Xl,i,j,Yl,i,j]表示響應(yīng)值與輻照度值組合,Xl,i,j代表不同距離下的像元響應(yīng)值,Yl,i,j為修正后的輻照度插值結(jié)果,下標(biāo)l表示為三個(gè)實(shí)驗(yàn)距離,i代表行號(hào),即空間維像元號(hào),j代表列號(hào),為光譜維像元號(hào)。建立輻照度定標(biāo)模型,采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)性回歸分析求解輻照度定標(biāo)系數(shù)a、b,其計(jì)算公式為

選擇俯仰角5°、方位角20°下空間維85維、波長(zhǎng)396.516 nm處的像元點(diǎn)為例,給出了UV2通道下對(duì)鹵鎢燈的線(xiàn)性回歸結(jié)果,定標(biāo)方程為

三個(gè)通道下的輻照度定標(biāo)系數(shù)a、b在空間維100維、俯仰角5°、方位角20°的有效視場(chǎng)內(nèi)的結(jié)果如圖8所示。

圖8 三個(gè)通道UV2、VIS1、VIS2下的輻照度定標(biāo)系數(shù)a(a)-(c)、b(d)-(f)Fig.8 Irradiance calibration coefficient results of three channels a(a)-(c)and b(d)-(f)

3 不確定度分析

紫外高光譜探測(cè)儀對(duì)于輻照度定標(biāo)過(guò)程中的偏差要求為小于5%,通過(guò)分析紫外高光譜探測(cè)儀的輻照度定標(biāo)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)影響其定標(biāo)精度的因素主要來(lái)自于定標(biāo)燈的不穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)臺(tái)精度誤差、儀器響應(yīng)非穩(wěn)定性、光譜定標(biāo)不確定度以及回歸計(jì)算誤差。具體不確定度的主要來(lái)源分析如下:

1)定標(biāo)燈的輻照度不確定度:1000 W鹵鎢燈輻照度由NIST標(biāo)定,定標(biāo)過(guò)程的不確定度由證書(shū)給出,由于不同波長(zhǎng)處的不確定度存在差異,通過(guò)平均處理確定每個(gè)通道下的不確定度,如紫外2通道下平均不確定度為2.5%。

2)實(shí)驗(yàn)選用的二維轉(zhuǎn)臺(tái)由實(shí)驗(yàn)室自主制造,其機(jī)械定位精度為0.01°,轉(zhuǎn)臺(tái)不確定度將會(huì)傳遞到輻照度修正中。

3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)同一測(cè)試條件下的標(biāo)準(zhǔn)光源采集了多組數(shù)據(jù),設(shè)置CCD積分時(shí)間為0.4 s,連續(xù)采集100組數(shù)據(jù),對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理,計(jì)算各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,得到儀器的響應(yīng)非穩(wěn)定性不確定度。非穩(wěn)定性不確定度δc的計(jì)算公式為:

式中:n為測(cè)試組數(shù),DNi為第i次的測(cè)量數(shù)據(jù),為測(cè)試期間的平均值,根據(jù)上式分別計(jì)算各角度的非穩(wěn)定不確定度,對(duì)于同一通道下的計(jì)算結(jié)果,各角度下的不確定度偏差在±0.2%以?xún)?nèi)。

4)回歸計(jì)算不確定度在輻照度定標(biāo)系數(shù)計(jì)算過(guò)程中引入,由最小二乘法回歸分析引起。由回歸直線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)值之差決定,采用殘差標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)計(jì)算每個(gè)像元點(diǎn)不確定度,通過(guò)對(duì)每一個(gè)通道各個(gè)像元點(diǎn)的不確定度均值計(jì)算得到線(xiàn)性回歸不確定度。

對(duì)于以上不確定度進(jìn)行合成,合成不確定度由各不確定度平方和開(kāi)方得到,即誤差傳遞公式

式中:δa為定標(biāo)燈不確定度,δb為二維轉(zhuǎn)臺(tái)不確定度,δc為儀器響應(yīng)非穩(wěn)定性不確定度,δd為線(xiàn)性回歸不確定度。各通道不確定度分析如表2所示。

表2 不確定度結(jié)果Table 2 Uncertainty results

4 結(jié)論

研究了紫外高光譜探測(cè)儀的輻照度定標(biāo)技術(shù)。根據(jù)紫外高光譜探測(cè)儀的定標(biāo)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇了直接發(fā)散光定標(biāo)方法,相應(yīng)建立了定標(biāo)平臺(tái),對(duì)不同的角度、距離進(jìn)行了多組測(cè)試,通過(guò)線(xiàn)性回歸分析計(jì)算其輻照度定標(biāo)方程,獲得了輻照度定標(biāo)系數(shù),同時(shí)完成了對(duì)方位角等因素的校正。分析討論了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各不確定度來(lái)源,最終計(jì)算得到的合成不確定度滿(mǎn)足定標(biāo)精度要求(5%以下)。輻照度定標(biāo)工作的完成為紫外高光譜探測(cè)儀的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持,不確定度分析為數(shù)據(jù)的可靠性提供了保障,輻照度定標(biāo)系數(shù)對(duì)于后續(xù)的在軌測(cè)試、太陽(yáng)參考譜獲取等工作建立了工作基礎(chǔ)。