大气成分探测红外光谱仪系统指标分析

齐卫红 尉昊赟 阴丽娜

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

（2 清华大学精密仪器与机械学系，北京 100084）

1 引言

全球的气候变化不仅是一个自然科学的问题，还对自然环境、社会经济和国家安全等方面产生了重大影响。温室效应、臭氧损耗和酸雨是主要的三大大气问题，研究这些问题的核心是确定温室气体、衡量气体、臭氧、氮氧化物、硫化物、水汽等各种气体在大气圈内的垂直分布、水平分布、总量分布及其变化规律。

气体的吸收(辐射)特征通常比液体、固体更为精细，而且随着压力的降低，吸收谱线变得更加锐利；随着浓度的降低，吸收谱线的强度变得更加微弱。因此大气遥感的光谱探测应用需要合适的光谱分辨率和探测光谱信噪比才能满足后续数据分析应用的需求，此外光谱覆盖范围也是决定能探测什么的重要因素。因此，进行大气成分探测的仪器需要具有高光谱分辨率、高信噪比和宽光谱覆盖范围，而傅里叶变换红外光谱仪具有高通量、多通道、高光谱分辨率和宽光谱范围等优点，能够满足大气成分探测的需求，并且已经在大气成分探测领域有了广泛的应用。本文从大气成分探测总体指标需求分析入手，以傅里叶变换红外光谱仪方案为基础，进行了总体技术指标的影响因素分析，并给出了样机的性能测试结果。

2 总体指标需求分析

2.1 光谱范围

由于分子组成的差异，不同大气成份在红外区域的光谱有其各自的特点，选择 750～4 100cm–1的光谱范围可以有效地探测到绝大部分所关注的大气成份。

将探测光谱范围进行分解，选用不同的探测通道进行探测可以有效地提高探测光谱信噪比，对此，参考国外设计经验[1]，本文将整个探测光谱宽度分成2个探测通道进行探测为：750～1 900cm–1，1 850～4 100cm–1。

2.2 光谱分辨率

大气的红外辐射光谱密集且复杂，因此光谱仪必须具有较高的光谱分辨能力。受到大气分子发射/吸收谱线的固有宽度限制，不同高度的观测区域对光谱分辨率的要求不同。图1给出了微弱吸收特征光谱的半高全宽度的变化情况[2]，从图中可以看到，在约30km以上的大气层中，大气分子发射/吸收谱线宽度主要由多普勒展宽决定，该值约为0.003cm–1；在30km以下大气层中，谱线宽度主要由洛仑兹展宽决定，并随海拔高度的降低逐渐增大。从数据反演的角度来看，仪器分辨率最基本的要求是保证光谱吸收谱线分开，即仪器的分辨率不宜大于图1中微弱吸收特征光谱的半高全宽度，对应的光谱分辨率需求约为 0.1cm–1。

图1 不同海拔高度的大气分子发射/吸收谱线宽度Fig.1 Variation of typical spectral line w idths w ith altitude

需要指出的是，虽然上述光谱的分辨率可以满足绝大部分大气成份反演的需求，但是：1）低分辨率会导致弱吸收信号的平滑淹没；2）由于大气吸收特征谱线变化带有明显的高度变化特征，因而在反演分析中，吸收峰的形状特征能用来实现垂直分布廓线信息的反演。由此提高光谱分辨率，能提高系统的探测能力和反演数据的垂直分辨能力。图2、3为利用ACE-FTS一个太阳掩星观测序列所得到的数据，采用不同光谱分辨率计算的比对结果。从图中可以看到，在光谱分辨率下降后，很多微弱的吸收特征被抹平而无法识别，同时吸收峰的形状也变得缺少细节(如图2、3中的方框所示)，造成可利用信息丢失，数据的垂直分辨能力下降。因此，在具有大气成份廓线反演需求的应用中，选用类似ACE-FTS的0.02cm–1光谱分辨率是比较适宜的，此时系统的噪声水平仍较小，探测数据具有较高的探测光谱信噪比[3]。图1中TES在有廓线反演需求的临边观测模式中，也选用相当的光谱分辨率。

图2 0.02cm－1分辨率下的观测光谱Fig.2 A tmospheric spectral characteristic of 0.02cm－1 resolution

图3 0.1cm－1分辨率下的观测光谱Fig.3 Atmospheric spectral characteristic of 0.1cm－1 resolution

2.3 探测光谱

探测光谱信噪比(SNR)是决定傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer, FTS)系统辐射分辨率的重要因素，对数据恢复精度有着密切关系。傅里叶变换红外光谱数据最基本的分析方法是采用数据拟合法。使用这种方法的前提是每个分子状态转化的吸收系数是精确已知的，但因为吸收/发射不是单色，而是覆盖一定的光谱宽度，其形状与分子的种类、温度、气压以及其他分子的相互作用等因素密切相关，而且这些因素多是非线性的。因此，在实际反演分析中，吸收系数的计算结果准确度依赖于探测信号对于各种影响因素的敏感程度，当影响吸收特性的信号被噪声淹没时，吸收系数的计算精度也就受到了限制。对理想情况而言，1%的反演精度需要100∶1的光谱SNR。

实现较高地探测光谱SNR可以从2个方面入手，一是增强探测目标强度，二是减小系统噪声水平。从探测目标的角度考虑，大气成份探测可以利用大气发射光谱或大气对太阳光的吸收光谱，直接采用太阳光作为系统的输入辐射源，信号强度在同等系统光学参数下是其他2种辐射源强度的102～104倍，因此直接采用太阳光作为系统观测的辐射源能获得最佳的探测光谱SNR；在满足探测光谱SNR的情况下，以太阳光作为系统观测的辐射源，可以大幅减小光学系统尺寸，从而实现系统的小型化。

从降低系统噪声水平的角度，FTS干涉信号强度探测的噪声来源主要包括目标光子噪声、探测器噪声、量化噪声等。在以直射太阳光作为辐射源，并选用高质量的探测器、开发高质量电子学系统的情况下，目标光子噪声是系统中最主要的噪声来源，因此在系统观测目标确定后，干涉信号最优的噪声水平也基本确定。对于FTS，干涉信号零光程差处干涉信号信噪比SNRI与光谱信号信噪比SNRS之间存在如下经验关系：

式中 M为光谱通道数目，是光谱探测宽度σB与光谱分辨率Δσ的比值，。由此可见，受Δσ和的制约，光谱分辨率越高(Δσ越小)，则SNRS越小；越窄，则越高。

2.4 技术指标

根据上述指标需求分析，并结合用户数据反演分析需求，确定主要技术指标见表1。

表1 样机的主要技术指标Tab.1 M ain technical specification of breadboard

3 系统设计

3.1 方案简介

1）系统总体组成：时间调制型傅里叶变换红外光谱仪可以获得较大的光程差，从而实现极高的光谱分辨率，因此成为探测大气成分的有效手段。本方案采用改进型迈克耳逊干涉仪作为大气成分探测红外光谱仪的核心模块。在傅里叶变换红外光谱仪中，光谱分辨率Δσ与最大光程差MPD之间满足：

因此，要实现0.02cm–1的光谱分辨率，最大光程差至少要达到25cm。为实现大行程并有效降低系统尺寸，干涉调制模块选用摆臂式结构[4-5]，并通过端镜的进一步折叠达到8倍于机械行程光程差效果，从而达到3.2cm的机械摆程，即实现25cm的光程差，满足光谱分辨率的需求。

依据光谱范围和扫描周期需求，选用的探测器组件要求响应波段宽、响应速度快、灵敏度高、噪声低、线性度好、动态范围大。经调研，本文选用光伏型HgCdTe(长波通道)和InSb(短波通道)探测器双通道探测方案。

样机的设计光谱不确定度为0.005cm–1，要求采样参考系统具有很高的准确度。方案选择分布式反馈激光器作为共干涉光路激光计量模块的光源。

在上述基本选型的基础上，系统的总体方案框图如图4所示。

图4 光谱仪系统总体方案框图Fig.4 Spectrometer product tree

2）模型光学系统：本样机的光学系统模型如图5所示。

图5 探测仪光路Fig.5 Spectrometer optical layout

作为干涉型光谱仪，该仪器不仅要满足几何光学评价标准，还要满足干涉评价效果，即足够好的调制效率、满足光谱分辨需求以及提供足够的信号强度。以下从调制效率、仪器线型函数和SNR这3个方面分析在上述总体光学设计的基础上，对系统实现相应的指标需求所需要的进一步约束。

3.2 干涉调制度分析

FTS干涉信号的调制效率M定义为

式中 MT(σ)为光束倾斜因子； MS(σ)为光束剪切因子； MW(σ)为综合波前误差因子； Mp(σ)为偏振调制因子。对于本FTS样机的光学系统，由于选用角镜—端镜联合配置方案，光路往返折叠，可以有效消除光束剪切影响。因此本系统中主要考虑光学倾斜的调制、综合波前差的调制和偏振态的影响。

3.3 仪器线性函数分析

仪器线型函数(Instrument Line Shape, ILS)是当一个单色光源均一地覆盖系统的视场时，傅里叶光谱仪对其光谱的测量结果。通常情况下，FTS中以最大光程差倒数的1/2作为系统的光谱分辨率，但事实上相邻光谱能否分辨，由ILS的半高全宽度决定，因此ILS的分析是确定仪器真实光谱分辨能力的重要参数。对于低分辨率 FTS，用最大光程差影响来分析足以反映系统的 ILS，但对于本系统的高光谱分辨率FTS，还需要考虑视场的变化因素的影响[7]。

通过对系统调制度和仪器线性函数分析，得到分析结果如表2所示。

表2 ILS与调制度的分析结果Tab.2 Analysis results of ILS and modulation efficiency

3.4 信噪比分析

对于一个FTS系统，其信道模型如图6所示。目标辐射源信号，通过光谱仪光学信道、电学信道传输，并通过采样过程，获得相对应的数字信号。在光学信道中，将引入背景噪声(主要由光谱仪系统内部器件的红外辐射产生)；在电学信道中，将引入探测器相关的一系列噪声(如光子噪声、热噪声、暗电流噪声等)和由采样过程导致的量化噪声、采样噪声等。为便于分析，通常将各种噪声源等效到输入端的噪声输入辐亮度，噪声等效光谱辐射率(Noise Equivalent Spectral Radiance，NESR)来进行评估[8]。NESR与SNR之间的关系如下：

式中 ()Bσ为输入光谱。

根据文献[8-9]，NESR计算公式为

图6 傅里叶变换红外光谱仪信道模型Fig.6 Fourier transform infrared spectrometer channel model

对于不同的噪声源，其叠加满足：

式中in为第i种噪声源的噪声谱密度。NESR式中仪器效率()ξσ可表示为

式中 ()Tσ为系统透过率，是系统光路各光学元件透过率iτ的乘积。()Mσ为调制效率。

对于系统中每一噪声源，均可计算相应的NESR数值[10-11]，通过比较这些数值，可以分析系统中不同噪声源对于系统影响的强弱，为系统设计提供技术指标分配和优化依据。经过NESR理论模型分析与仿真，影响NESR的因素分析结果如图7所示。

图7 NESR影响因素分析结果Fig.7 Analysis result for NESR influence factors

4 样机测试结果

4.1 试验装置

针对系统设计指标需求，样机的性能测试项目主要包括：1）表征仪器实际光谱分辨能力的ILS测试，2）表征仪器辐射信号探测质量的SNR测试。在样机测试中，测试系统配置如图8所示。其中：黑体辐射源温度在 300 ℃ ～ 1 200℃内可调、为测试系统提供基准输入信号源；高精度气室控制系统可以精确控制气体池灌注的气体成份(CO、NH3、H2O等)、浓度和温度，为测试提供准确的光谱吸收及其特征参数；专用光学辅助测试装置对黑体辐射源的输入信号进行准直调整，以匹配样机的输入需求。整个试验装置通过控制中心操作，完成性能测试工作。

图8 样机性能测试系统示意图Fig.8 Prototype performance test system

4.2 测试结果

4.2.1 ILS测试

根据ILS的定义，ILS测试需要测量单一波数输入的光谱响应特征。在本试验中，利用高精度气室控制系统，控制气体池中气体至很低的浓度，产生尖锐的吸收峰来实现。其中CO气体在2 000cm–1的中红外区域有大量分立的强吸收谱线，十分便于进行 ILS分析计算。因此选用 CO作为吸收气体。

测试所用参数如下：1）视场(Field of View)扫描点源视场为330μrad；2）CO压强为66.66Pa，观测温度T=296K，光源为 1 000K黑体，吸收长度为 5cm，最大光程差为25.2cm。

对CO在2 050～2 210cm–1范围内的吸收谱线进行测量数据和理论分析数据的对比结果如图9所示。可以看出，两者测量数据和模型分析数据的吻合良好，在本波段内ILS的半高全宽为0.024 8cm–1。

图9 CO全吸收带内测试与模型分析结果对比Fig.9 Test results compared w ith the model analysis in CO absorption band

4.2.2 信噪比测试

在FTS中主要的噪声源为白噪声，因此在样机信噪比测试过程中，采用统计分析的方法，对目标进行多次测量，利用式(9)获得系统的信噪比为

图10 1 000K黑体目标探测SNR测量与理论建模分析结果Fig.10 Measured and Modeling SNR for 1 000K blackbody scene

5 结束语

由于大气的红外特征吸收谱线很窄，光谱间隔非常小，因此对大气成分探测仪器的性能要求较高。本文对大气成分探测需求进行了分析，确定了大气成分探测光谱仪采用傅里叶变换光谱技术。基于傅里叶变换光谱探测技术的大气成分探测红外光谱仪具有光谱分辨率高、光谱覆盖范围宽、测量信噪比高等特点，可以满足大气成分探测的需求。在此基础上确定了以改进型迈克尔逊干涉仪核心模块的基本方案，并进行系统技术指标影响因素分析，确定该方案能够满足指标要求。通过对样机的测试结果进行了分析，证明该样机的光谱分辨率、信噪比等指标与理论设计分析结果较为接近，达到或优于系统指标需求。该样机是基于星载太阳掩星探测模式所研制的超高光谱分辨率傅里叶变换红外光谱仪，其核心干涉仪模块对于临边和天底角观测模式的大气成分探测仪器也有一定的借鉴意义。

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