大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪设计与实现

董欣徐彭梅侯立周



大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪设计与实现

董欣徐彭梅侯立周

（北京空间机电研究所，北京 100094）

GF-5卫星的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是中国目前光谱分辨率最高的红外超光谱探测载荷，它基于时间调制傅里叶变换光谱探测技术，通过太阳掩星观测方式在750~4 160cm–1（2.4~13.3μm）光谱范围内，实现光谱分辨率0.03cm–1的大气透射光谱探测。该载荷的两大技术特点和难点是高光谱分辨率和自主精密太阳跟踪，采用大光程差摆臂角镜傅里叶变换光谱仪实现了红外宽谱段、高分辨率光谱探测，研制了图像反馈太阳跟踪装置实现在轨自主精密太阳跟踪。文章回顾了该载荷的系统设计、关键技术及实现情况，给出了地面测试与试验结果，可为同类载荷研制提供参考。

傅里叶变换光谱仪 甚高光谱分辨率 太阳掩星 大气折射校正 “高分五号”卫星

0 引言

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪采用时间调制傅里叶变换光谱探测技术[1-5]，在轨日出期间通过太阳掩星观测，在地球大气层8~100km高度内以不同切高分层测量太阳的大气透射光谱[6-8]。将之与大气外太阳光谱比较后，可得到对应不同切高的大气透过率曲线，进而根据不同大气成分的特征吸收情况反演其在该层大气中的含量信息。由于所测光谱谱段范围宽（750~4 160cm–1）、光谱分辨率高（0.03cm–1），因此可反演出多达几十种痕量气体和大气化学成分的含量信息[9-11]，有助于我们更清晰地了解人类赖以生存的大气环境的变迁。

探测仪采用结构紧凑、高鲁棒性的摆臂角镜干涉仪进行红外宽谱段、大光程差干涉调制，实现0.03cm–1的光谱分辨率；针对国外同类载荷四象限跟踪技术无法有效应对日出时太阳被云雾遮挡的情况，探测仪首次研制了大规模图像反馈太阳跟踪系统实现在轨日出期间的太阳精准跟踪。本文回顾了探测仪系统设计与实现、太阳跟踪策略与大气折射校正方法、地面测试与试验情况，可为同类载荷的研制提供参考。

1 探测仪系统描述

1.1 技术指标

探测仪搭载于“高分五号”卫星，运行于705km的地球太阳同步轨道，在轨日出过程中能自动指向捕获并精确跟踪太阳，将太阳辐射稳定引入傅里叶变换光谱仪中进行精细光谱测量。探测仪主要技术指标见表1。

表1 探测仪主要技术指标

Tab.1 Specifications of instrument

1.2 探测仪系统组成与工作原理

如图1所示，探测仪系统由光机主体、管理控制器、温度控制器、制冷机控制器组成。光机主体内主要包括太阳跟踪组件及其控制器、前光学组件、干涉仪组件、后光学组件、探测器杜瓦组件及信号处理器等。太阳跟踪组件在可见光谱段完成自动太阳跟踪并将太阳红外辐射稳定引入干涉仪；干涉仪完成干涉调制，其中计量激光器出射的单色稳频激光与红外光束共光路配置，产生的激光干涉信号由激光信号处理器处理生成光程差计量信号用于扫描控制；探测器杜瓦组件及信号处理器完成干涉图信号采集。

图1 探测仪系统组成

探测仪原理光路如图2所示，太阳辐射由二维太阳跟踪反射镜引入，分色片1将可见光反射至折镜1，并经透镜成像于太阳跟踪相机焦面，所成太阳图像用于闭环太阳跟踪控制；红外辐射则透过分色片1进入由离轴抛物镜1和2组成的前光学组件，在这里设置孔径光阑和视场光阑以限制系统有效通光口径和视场，同时进行5倍光束压缩；由抛物镜2出射的红外准直光束进入8倍光程差放大的摆臂角镜干涉仪，在分束器处分成反射和透射光束，两光束分别入射到角镜1和角镜2后被回复反射，然后再经过分束器透射和反射后，分别入射到端镜不同位置上，由于端镜是反射镜并被调整到与入射光束垂直，因此两光束沿着来路原路返回，并最终在分束器原分束位置处相遇产生干涉；干涉光束从端镜中心孔出射进入由抛物镜3和折镜2组成的后光学组件，再经探测器杜瓦窗口入射到分色片2，分色后分别入射到光伏型InSb和MCT探测器上，产生干涉信号。

图2 探测仪原理光路

2 探测仪关键技术及实现

2.1 大光程差摆臂角镜干涉仪

依据傅里叶变换光谱仪原理，实现高光谱分辨率的关键是完成大光程差干涉调制。因此针对探测仪的极高光谱分辨率指标，研制了大光程差摆臂角镜干涉仪实现对被测光束的干涉调制，满足了系统0.03cm–1光谱分辨率要求。干涉仪光路原理如图2所示，它主要由分束器和补偿器、角镜和端镜组成。其中分束器中心部分镀制红外分束膜，外环一边镀制红外增透膜，一边镀制反射膜。由于端镜对干涉光路的折叠作用，使得光程差相比常规迈克尔逊干涉仪增加一倍，同时也从原理上消除了由于角镜顶点位置相对分束器不对称而引入的光束剪切误差，使干涉仪对微振动具有很好的免疫能力。干涉仪计量激光光路设置在主光路旁边，与主光束共光路用以实时计量光程差，为干涉仪光程扫描控制系统提供光程差反馈和为信号链干涉图采样提供采样同步信号。

干涉仪光路设计见图3（a），分束器和补偿器采用ZnSe基底，在分束器不同位置分别镀制红外宽带分束膜、反射膜和增透膜，补偿器镀制宽带增透膜，并且分束器和补偿器设置楔角以避免非分束面的反射光进入探测器；干涉仪光机组件模装图见图3（b），摆臂长度120mm，采用十字片簧挠性枢轴在±15°摆动角度内实现±25cm的光程差；计量激光器和计量激光接收装置都集成在干涉仪主结构上；摆臂机构由干涉仪锁定解锁装置控制锁销插入和拔出完成锁定和解锁。

图3 大光程差摆臂角镜干涉仪组件

干涉仪控制器采用数字伺服控制系统控制干涉仪摆臂往复摆动，实现等光程差速度双边干涉扫描。控制器利用计量激光系统提供实时光程差信号作为反馈输入，利用运动轨迹生成模块并结合前馈环节，实现了高精度、高鲁棒性扫描控制，摆臂扫描速度稳定度达到99.7%。

2.2 图像反馈太阳跟踪系统

在轨日出期间对太阳精确稳定跟踪是太阳掩星载荷正常工作的前提，特别对于日出初期由于受到大气折射及云雾遮挡，太阳经常会出现变形甚至分块的情况，常用的四象限跟踪技术由于无法识别分块情况而不能精准跟踪其中辐射较强的分块，也就难以测得有效的大气底层的信息，而底层大气通常更受用户所关注。针对这个问题，探测仪采用了图像反馈太阳跟踪技术，在太阳变形和分块的情况下，可以实时识别并跟踪辐射较强的分块，从而最大程度的保证有效观测到大气底层的大气成分信息。该技术涉及太阳跟踪策略设计、大气折射校正方法和图像反馈太阳跟踪系统的设计与实现。

太阳跟踪组件用于在轨日出时捕获并自动跟踪太阳，将太阳辐射稳定地引入傅里叶变换干涉仪中。主要由太阳跟踪器、分色片1及太阳跟踪相机组成（如图4所示）。其中，分色片为锗材料并镀制分色膜，反射可见光透过红外光；太阳跟踪相机为CMOS相机，像素规模512像素×512像素，帧频25Hz，视场20mrad，约为太阳视角的2倍，相机镜头前设置合适衰减片以满足动态范围要求；太阳跟踪器设计为内外环转轴正交串联构型以使内外环转动解耦，利用内环俯仰外环偏转实现跟踪反射镜对太阳的二维跟踪，内外环转轴均采用挠性枢轴，由于枢轴无摩擦力矩干扰，结合音圈电机驱动单元和高精度旋变角度传感器，可以达到优于25μrad的跟踪稳定度。为满足发射段力学环境要求，太阳跟踪器上还设计了内外环同步全自由度锁定装置。锁定时，由锁定电机同步驱动4个伞齿轮，每个伞齿轮分别驱动各自滚珠丝杠直线导轨带动滑块和顶杆运动，4个顶杆同步穿过外环上的锁孔并顶住内环反射镜，实现内外环4向同步锁定。

图4 太阳跟踪器与太阳跟踪相机

太阳跟踪控制系统功能见图5（a）。在轨日出初期，太阳跟踪控制器根据来自卫星的太阳矢量控制太阳跟踪器将探测仪视轴指向太阳，一旦太阳跟踪相机捕获太阳图像即自动进入图像反馈闭环跟踪环节，其中太阳图像处理模块进行辐射质心提取，然后二维指向控制模块控制太阳跟踪器将探测仪视轴指向太阳辐射质心，并且在太阳被云层遮挡分块时，图像处理模块可以分块识别并选择较强辐射的分块质心坐标输出给二维指向控制模块进行跟踪指向。图5（b）是太阳跟踪控制器对加拿大ACE干涉仪在轨实测太阳图像进行模拟处理的结果[12]，表明可以有效识别、提取变形或分块的太阳辐射质心信息。

图5 图像反馈太阳跟踪系统设计

2.3 太阳跟踪策略与大气校正方法

探测仪在轨日出期间需要自主指向、捕获和跟踪太阳实现掩日观测。现实中，由于大气折射影响，太阳光会发生明显的弯曲，并且越在大气底层折射越强（如图6所示），再加上对流层底层云的遮挡，太阳图像会出现变形和分块的现象。因此，对流层底层尤其值得关注，制定准确可靠的太阳跟踪策略是决定掩日观测成功的关键因素之一。

图6 在轨太阳掩星观测示意

探测仪的太阳跟踪策略主要包括：

1）星上日出前，太阳跟踪器根据计算的大气最大折射角将探测仪视轴在主平面（卫星、太阳和地球质心所在的平面）内固定指向地平线上方第一缕阳光将要出现的位置；

2）星上日出后，根据卫星实时广播的太阳矢量计算并修正大气折射角，然后以修正后的角度跟踪指向太阳；

3）在上述过程中，一旦太阳跟踪相机捕获太阳图像，即进入图像反馈跟踪模式，同时仍然同步计算步骤2的指向角作为参考以便在太阳被浓云遮挡的时候进行跟踪指向；

4）直到掩日路径超出大气层100km后，持续一段时间跟踪观测大气外的太阳辐射，然后停止，再进行一段时间的深空观测后结束流程。

太阳跟踪器在光机主体中的安装位置如图7（a）所示，太阳矢量和太阳跟踪器内环俯仰角及外环偏转角之间的关系如图7（b）所示。太阳跟踪器指向镜基座转轴与卫星本体轴重合，出射光与卫星本体–轴重合，轴由右手法则确定。为指向镜的法向矢量，为指向镜法线在平面的投影，为出射光线矢量，为太阳矢量，则、分别为绕轴和轴的转角，其转动方向由图7（b）定义。

图7 太阳跟踪器坐标定义

由于整个掩日过程都发生在由卫星、地球和太阳质心所决定的主平面内，标准大气对太阳光的折射也只发生于主平面内，因此对大气折射的补偿只需对太阳矢量与轴的夹角进行修正即可。

大气折射校正计算过程如下：

设太阳矢量与、、轴的夹角分别为θ，θ，θ，则补偿折射角度后新的太阳矢量可表示为

根据图7（b），仪器光轴矢量可以表示为

太阳跟踪器指向镜的法向矢量为归一化的太阳矢量与仪器光轴矢量的矢量和，即

则太阳跟踪器内环俯仰角为

太阳跟踪器外环偏转角为

3 试验测试结果

（1）光谱分辨率测试结果

利用窄线宽稳频激光器对探测仪光谱分辨率进行测试，结果见图8，光谱分辨率为0.243cm–1，满足设计要求。

图8 光谱分辨率测试结果

（2）实验室黑体测试结果

1 000K黑体作为光源在实验室大气环境下的光谱测试结果见如图9所示，图中光谱没有经过辐射校正，纵轴代表未定标辐亮度值，绿色线型代表长波谱段（750~1 800cm–1），紫色代表中波谱段（1 800~4 160cm–1），可看出大气吸收谱段存在明显的大气吸收线，而没有吸收线的则为大气透过窗口。

图9 黑体光谱测试结果

（3）外景太阳跟踪测试结果

探测仪进行了外景太阳跟踪成像试验，所测太阳光谱见图10。图中光谱没有经过辐射校正，紫色线代表长波谱段（750~1 800cm–1），蓝色线代表中波谱段（1 800~4 160cm–1），可看出由于大气路径长，大气吸收谱段几乎被彻底吸收，而大气窗口谱段则蕴含异常丰富的大气吸收线。根据不同气体分子的吸收特征及吸收程度的不同可以反演出其含量信息。

图10 外景太阳光谱辐亮度测试结果

4 结束语

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是我国第一个星载高光谱掩星载荷，也是目前我国光谱分辨率最高的红外光谱探测载荷。在轨日出期间自主跟踪太阳实现掩日观测，所测高分辨率光谱用于反演大气层垂直方向大气精细成分和痕量气体浓度。本文介绍了探测仪的系统设计与实现情况，同时详细阐述了探测仪的太阳跟踪策略和大气折射修正方法，给出了主要的试验测试结果，对于星载高光谱或掩日观测载荷设计和实现具有参考意义。

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Design and Implementation of Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder

DONG Xin XU Pengmei HOU Lizhou

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

As a spaceborne spectrometer with the highest spectral resolution so far in china, the Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder（AIUS） on board GF-5 satellite is based on temporal Fourier Transform Spectrometer technology, which covers spectral range of 750~4 160 cm-1（2.4~13.3 μm）and archives spectral resolution of 0.03 cm-1. The technical difficulties and features of the payload include high spectral resolution spectroscopy and autonomous precise sun-tracking. The high spectral resolution has been achieved by making use of scan-arm corner cube Fourier Transform Spectrometer with large optical path difference, and autonomous precise sun-tracking has been carried out via sun-tracker with image feedback. This paper reviews the development situation of AIUS, including system design, key technologies and their implementation, the on-orbit sun-tracking strategy is also described as well as the atmospheric refraction correction, the related information would be helpful for system design of hyperspectral Fourier Transform Spectrometer or solar occultation payload.

spaceborne fourier transform spectrometer; ultra-spectral resolution; solar occultation; atmospheric refraction correction; GF-5 satellite

V447+.1

A

1009-8518(2018)03-0029-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.004

董欣，男，1981年生，2003年获南京理工大学工程力学专业学士学位，高级工程师。研究方向为红外系统技术。E-mail：dongxin991221@icloud.com。

2018-04-27

国家重大科技专项工程

（编辑：夏淑密）