CO2探测仪1610 nm通道光谱仪的精细定焦

郑成超，蔺 超，王 龙，纪振华，郑玉权*

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.中国科学院研究生院，北京100039)

1 引言

二氧化碳等温室气体排放量的不断增加导致地球大气的温室效应加剧，引起的极端气候变化已经严重影响人类活动。美国和欧洲等国均开展了用于温室气体探测的红外星载高光谱技术的研究［1］，已有多颗温室气体探测卫星进入运行轨道并发挥作用。典型探测卫星包括 IASI、SCAMACHY、TANSO、OCO 及其后续星 OCO-2［2-4］。其中NASA于2014年7月发射的OCO-2代表了国际碳观测的最高水平。为了精确监测我国及全球CO2排放及变化状态，在国家863计划支持下，中国科学院长春光机所开展了高光谱与高空间分辨率CO2探测仪的研究工作，并计划于2016年实现在轨观测。

CO2探测仪采用大气差分吸收光谱探测原理，即利用气体分子的窄带吸收光谱反演痕量气体的浓度。要保证CO2浓度的反演精度，就必须精确测定出温室气体的吸收谱线及其强度变化。其中接收该吸收谱线的面阵探测器的精准装调将是保证反演精度的关键。由于探测仪要应用于低温真空环境，在实验室环境下完成定焦后，需经过光学软件模拟计算真空环境下的焦面偏移量［5］，确定真空焦面位置后进行热真空实验，测得光谱响应函数，以光谱响应函数的光谱带宽对定焦结果加以验证。

常用的定焦方法包括切光瞳法［6］、自准直检焦法［7］及基于图像对比度的调焦法［8］。美国OCO探测仪采用切光瞳法来确定最佳焦平面，于光谱仪狭缝位置前设置一入瞳罩，罩上开一狭缝与光谱仪狭缝平行，通过移动入瞳罩使罩狭缝步进。若离焦，光斑将会随着入瞳罩移动，反之则不动。像移动的方向决定离焦的方向，移动的速率决定离焦的量度。自准直检焦法利用物像共轭原理，在焦平面处放置光栅，利用光源将光栅照亮，光栅经光学系统到达自准直反射镜返回，再经光学系统回到像面，使光栅在焦面附近成像。物像共面说明焦面准确，反之则需调焦。基于图像对比度的调焦法是建立在搜寻过程的调焦方法，对采集到的多幅图像选择某一评价函数判断哪一幅处于最佳正焦位置。上述两种方法需用专用的调焦组件，结构较为复杂，本文综合考虑采用第三种方法，结合CO2探测仪光谱仪的成像特点，提出一种新的聚焦评价准则和一套适用的定焦系统。光源选择方面由于传统单色仪的波长准确度在±0.05 nm左右［9］，精度较低且能量不够，该系统以可调谐激光器［10］作为光源，可同时提高精度和能量。系统以探测器接收到的狭缝像作质量评估［11］，对像质进行实时评价，具有操作灵活、结构简单、定焦精度高等特点。

2 原理及影响定焦精度因素分析

2.1 CO2探测仪系统组成及工作原理

CO2探测仪系统由指向反射镜、共用望远系统和0.76、1.61、2.06 μm 三个通道光栅光谱仪组成。前置系统采用带有中间像面的无焦全反射式系统，光束经过该系统后口径缩小，再经分束器分光，穿过窄带滤波片获得波长范围的窄带平行光，由聚光镜聚焦在光谱仪狭缝上，经过狭缝的光由准直镜准直照射平面衍射光栅，一级衍射光经成像镜成像在探测器上，从而获得大气精细吸收光谱信息［12］。

分光系统是CO2探测仪的核心部分，直接决定着所得大气吸收光谱的准确度。与OCO-2光学系统结构类似，CO2弱吸收红外波段1 610 nm通道光谱仪同样采用大面积衍射光栅分光，光学系统结构如图1所示。

光谱仪由准直镜、平面闪耀光栅和成像镜组成，共包括4块熔石英非球面透镜。探测器采用近红外HgCdTe面阵探测器，安装在成像系统焦平面上。该通道波段为1.594～1.624 μm，光谱采样分辨率为0.06 nm，光谱分辨率为0.12～0.138 nm，色散谱面长度为15 mm，空间方向为7.2 mm。入射光轴与出射光轴的夹角为23°。

探测仪工作时，HgCdTe面阵探测器记录光谱分布信息的方向记为光谱维;记录空间分布信息的方向记为空间维［13］。面阵探测器由一系列像元组成，像元输出信号由对应光谱内所有光信号强度累加所得，从而实现光电转换。由于大气二氧化碳含量变化在空间尺度变化缓慢，同时为了提高仪器信噪比，将探测器空间维采用12像元合并方法合并为20像元，如图2所示。调焦时以最终成像为检测对象并对像质进行实时评价。通过调整探测器的光谱维、空间维、俯仰、偏摆和离焦方向，进而确定最佳焦面位置。

图2 HgCdTe面阵探测器示意图Fig.2 Schematic diagram of HgCdTe plane detector

2.2 光谱仪定焦原理

光谱仪的定焦是令面阵探测器的靶面与光谱仪的最佳色散焦平面重合，保证探测器接收到高质量的光谱响应信息。各通道的光谱响应信息是各通道探测器输出与入射波长之间的关系［14］。光谱仪在第i个通道的输出信号可表示为:

式中，Eλ为太阳光在波长为λ处的辐照度;A为系统有效光学面积;β为系统的瞬时视场;ρ(λ)为地物光谱反射率;τo(λ)为系统的光学系统透过率;τa(λ)为大气光谱透过率;Ss(λ)为光谱仪色散系统的传递函数;Ra(λ)为探测器的光谱响应率;Re(λ)为电子学系统增益。其中，Eλ、ρ(λ)、τa(λ)为与光谱仪系统无关的量，其它参数则是由系统决定，因此系统第i个通道的相对光谱响应函数Si(λ可表示为:

单色光对系统的作用正比于狭缝单色像在探测器光敏面上所占的面积。狭缝宽度不同，系统接受的能量和光谱覆盖范围也不同。如探测器光敏面线度为a，狭缝像宽度为l，其Ss(λ)如图3所示。

图3 不同狭缝像宽度下的光谱响应曲线Fig.3 Spectral response curve under different width of slit image

考虑到狭缝具有一定的宽度和 τo(λ)、Ss(λ)、Rd(λ)、Re(λ)等因素时，系统的光谱响应Si(λ)通常可由高斯函数来模拟，即:

该模拟高斯函数的全高半高宽即为系统的光谱分辨率δλ，即:

式(3)、(4)中，K为常数;λi为该波段的中心波长;σi为高斯曲线的均方差。图4可以较好地表征系统第i波段的实际光谱响应的高斯拟合曲线，对其做归一化处理后两端响应50%的波长差作为光谱带宽δλ。

探测器处于任何位置都有与之相对应的光谱带宽。当探测器处于焦平面位置时，光谱响应的半宽度存在最小值，以此可作为探测器是否正焦的依据。因此，选用像元光谱响应曲线的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数，其符合聚焦评价函数无偏性、单峰性、灵敏度高、较高信噪比、计算量小等5个特点。通过实时调整探测器方位，寻找该单峰评价函数的极小值，进而完成焦平面的确定。

图4 光谱响应的高斯拟合曲线Fig.4 Gauss fitting curve of spectral response

2.3 影响光谱仪定焦精度的因素

要保证 CO2浓度1～4 ppm的反演精度，1 610 nm通道的光谱分辨率要达到0.12～0.138 nm的指标。光谱仪的定焦精度可由光谱响应的光谱分辨率反映。其影响因素包括光源带宽、面阵探测器像元尺寸、闪耀光栅的参数与位置和色散系统的像差等。

对探测器进行标定时，要求标定光源的带宽要低于δλ/10，该系统采用的New Focus TLB-6700可调谐激光器带宽可达0.001 nm，完全满足定焦精度要求。

减小探测器像元尺寸可提高光谱分辨率，但制造工艺难度也增大。CO2探测仪采用HgCdTe面阵红外探测器，像元尺寸为30 μm ×30 μm，可保证分辨率精度要求。

光栅的入射角度和光栅刻线数都会对光谱分辨率产生影响，在符合分辨率指标前提下，设计光栅入射角为41.106°，光栅刻线密度为969 g/mm。

光谱仪色散系统的像差(主要为离焦)同样会影响系统的光谱分辨率。假设由像差引起的弥散斑在波长坐标中的半径为σd，则光学系统其点扩散函数可以由高斯曲线近似表示成:

可见像差的存在会使得光谱波段带宽变大，当σd=1/3σi时，σ增加5.4%。只有保证上述各因素在合适范围内，才能使定焦精度达到0.12～0.138 nm指标。

3 CO2探测仪光谱仪定焦实验

根据CO2探测光谱仪的成像特点及定焦原理，本文研制了一套适用于CO2探测光谱仪的定焦系统。其原理如图5所示［15］。由于光谱仪定焦精度要求高，放置探测仪主框架的大理石平台在进行实验之前需经过经纬仪水平标定，实验中成像镜位置与连接工装的六维调整架也需经纬仪监测微小晃动量。另外，实验前还需进行各镜组的定心装调和空气间隔检测、狭缝的研磨(为校正谱线弯曲，狭缝为弯曲狭缝)与安装以及平面闪耀光栅的精准装调。

系统由可调谐激光器、波长计、分束光纤、积分球、平行光管以及计算机组成。选用瞬时线宽极窄(＜200 kHz)的可调谐激光器可提供良好的单色光源，在激光器后放置旋转毛玻璃消除激光散斑的影响。激光器发出的激光经过分束光纤传输一部分进入波长计，用来实时监测激光功率及波长的稳定性;而其余部分的光则照射在位于平行光管前焦距上的积分球上，经积分球匀光后进入平行光管，然后经平行光管的扩束和准直使其均匀地充满探测器的入瞳。经过可调谐激光器每次扫描，探测器得到相应的光谱响应曲线。计算机用来进行数据的采集和处理。光谱仪定焦系统主要技术指标如表1所示。

图5 光谱仪定焦系统原理图Fig.5 Schematic of system establishing best focal plane of spectrometer

表1 光谱仪定焦系统主要技术参数Tab.1 Parameters of system for establishing best focal plane of spectrometer

基于CO2探测仪光谱仪的工作原理和成像特点，自主设计开发了适用于该光谱仪的数据采集处理软件。图6为光谱仪定焦系统软件界面。在对光谱仪进行定焦的过程中，可以通过该软件观察不同波长的狭缝像实时图像(界面左上)、选择不同视场的输入界面(界面左下)、像元离散采样曲线(界面右下)。该软件对面阵探测器原始感光数据存储成RAW格式的二进制文件，利用MATLAB编程对该数据进行处理，得到拟合高斯光谱响应函数，进而计算得到准确的光谱分辨率。由全高半宽度信息反馈焦面调整方位并作为正焦的最终评价依据。

图6 光谱仪定焦系统软件界面Fig.6 Data interface of system for establishing best focal plane for spectrometer

图7 光谱仪定焦系统实物Fig.7 Photo of system for establishing best focal plane for spectrometer

根据光谱仪定焦原理图搭建实验设备并调试系统至最佳工作状态，如图7所示。通过观察狭缝像在面阵探测器像面位置调整光谱维(上下端距离边界像元个数)与空间维(左右像元位置)，以相同波长的不同视场(FOV)曲线位置调整俯仰方位，以不同波长(1 597、1 609、1 621 nm)的相同视场位置调整偏摆方位，以像元离散采样曲线全高半宽度为聚焦评价函数调整离焦方位。微调六维调整架，通过千分表示数与离散采样曲线半宽度建立位移表搜寻最佳位置。对定焦结果进行数据处理，得到光谱响应曲线，通过ILS对定焦结果复核，反馈调整量，逐轮精调至最佳焦平面位置，经过人工修垫、打销固定后完成探测器的精密装调。

4 CO2探测仪光谱仪定焦实验结果

通过搭建实验平台以及软件处理，得到不同波段的狭缝像以及像元ILS曲线。探测器空间维采用12像元合并方法合并为20像元，取FOV=3、10、17三个视场方向。光谱维采样通道为49、252、449，波长范围分别为1 596.8～1 597.2 nm、1 609.3～1 609.7 nm、1 620.8～1 621.2 nm 三个波段。图8给出了FOV=10时，三波段的狭缝像(对应中心波长)与ILS数据处理结果。具体定焦结果见表2。

图8 各波段狭缝像与ILS测量结果Fig.8 Slit image and ILS measurement of different wavebands

根据图8及表2可分析得出，通过狭缝像具体位置说明已修正平移与旋转方向。相同视场情况下三波段线型与波段带宽基本一致，说明偏摆方向得以修正。相同波段下不同视场FWHM偏差在0.003～0.005 nm左右，俯仰方向得以修正。全波段全视场线型半高宽在0.124 6～0.133 3范围之内，平均半高宽0.128 1 nm与理论最小值相吻合，说明已修正离焦方向。

表2 CO2探测光谱仪定焦结果Tab.2 Results of optical focusing of CO2spectrometer

5 结论

本文根据CO2探测仪成像特点及工作原理设计了一套适用于1 610 nm通道光谱仪的定焦系统。实验结果表明:定焦后采集的光谱响应曲线平均半高宽为0.128 1 nm，与预期理论值指标相吻合。系统以线宽极窄的可调谐激光器作为光源，波长调整精度达到0.01 nm。与传统单色仪相比，可调谐激光器具有较高的波长调整精度、能量集中度以及极窄的光谱带宽。但激光器波长不稳定和激光散斑的存在，使得该系统需增加消除散斑装置和激光能量监视器，导致该方法具有一定的局限性。综合比较该方法具有操作简单、结构紧凑且定焦精度高等优点，对其他类型的成像光谱仪的定焦装调具有一定指导借鉴意义。

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