星载大气监测光谱仪高精度星上定标技术

李碧岑 李明 徐彭梅



星载大气监测光谱仪高精度星上定标技术

李碧岑 李明 徐彭梅

（北京空间机电研究所，北京 100094）

大气成分的高精度反演及应用对星载超光谱载荷的辐射精度和光谱精度均提出了更高要求，且随着遥感器运行寿命的不断延长，需建立高精度、高稳定的星上定标系统。文章介绍了一种满足大气监测光谱仪高精度定标要求的星上定标技术，结合时间调制型傅里叶变换光谱仪的技术特点，制定了星上绝对辐射定标、仪器线形函数ILS测量和光谱定标的方案。采用太阳漫反射板定标法实现全口径、全视场、全光路绝对辐射定标，定标漫反射板在光谱仪光路的最前端将太阳光谱引入，通过已知的大气层外太阳光谱照度和地面标定的漫反射板双向反射分布函数BRDF确立星上绝对辐射定标基准。设置参考漫反射板进行在轨性能衰减的监测和校正，采用的QVD漫反射板具有高稳定性，可保证全寿命周期内星上绝对辐射定标精度优于5%。星上设置单色稳频激光器对光谱仪的仪器线形函数进行定期监测，以评估光谱仪的光谱分辨率等光学性能的在轨状态。利用太阳光谱和大气光谱中的特征谱线进行在轨波长校正。

漫反射板 仪器线形函数 波长校正 绝对辐射定标 大气监测光谱仪 航天遥感 “高分五号”卫星

0 引言

对于大气超光谱遥感载荷而言，光谱数据的辐射精度和光谱精度是影响大气成分反演的重要因素[1]。其中，辐射精度，即测量光谱辐亮度的精度，是大气吸收强度的直接表征信息，与载荷定标精度、仪器的信噪比以及反演过程引入的误差等密切相关；光谱精度，主要是谱线的位置精度，是影响大气吸收谱线精确定位的主要因素。上述两个因素都需要通过发射前和在轨的精确定标来保证。

国外的空间大气光谱探测技术研究起步较早，在高精度星上定标系统的设计和应用方面经验丰富。GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）和SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption Spectro Meter for Atmospheric Cartograp HY）采用铝漫反射板反射太阳光进行辐射定标，但铝漫反射板会对其反射太阳光谱引入一定的光谱结构，影响反演结果的精度[2]。TANSO-FTS（Thermal and Near Infrared Sensor for Carbon Observation Fourier-Transform Spectrometer）采用Spectralon漫反射板进行星上辐射定标，其入轨后一年的监测数据显示，每轨定标使用的漫反射板相比每月一次校正用漫反射板的反射率在0.76μm谱段衰减了约7%[3]。OMI（Ozone Monitoring Instrument）[4]和GOME-2[5]均采用了一种自身光谱结构很小的石英漫射板（Quasi Volume Diffuser, QVD），其在轨性能稳定，OMI的QVD漫射板在500nm处的在轨10年衰减小于3%。OMI和GOME-2在发射前除了进行亮度和照度的绝对定标外，对载荷的另一重要辐射定标参数系统级双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）进行了详细测试，即亮度和照度定标结果的比值。系统级BRDF的标定消除了载荷对地光路和星上定标光路的差异对定标精度的影响，且所采用光源的辐射输出无需精确标定，可有效提升载荷的星上定标精度[2]。

近年来，随着国内遥感载荷定量化应用需求的不断提高和卫星设计寿命的延长，均开始设计并配备高精度的星上定标装置[6]，星上定标精度拟提升到5%[7]，以满足对地遥感的大部分定量化反演要求。“高分五号”作为我国首颗高光谱观测卫星，具备对大气污染气体、温室气体、气溶胶等要素的定量监测能力，其搭载的多个用于大气监测的高光谱载荷采用了高精度星上光谱和辐射定标技术，以满足高精度数据应用需求[8-10]。本文以某一用于大气监测的傅里叶变换光谱仪为例，介绍了其高精度在轨光谱和辐射定标方案和星上定标系统的设计。

1 大气监测光谱仪简介

星载大气监测光谱仪用于大气中气体浓度变化的在轨定量监测，相比成像型的遥感相机，大气成分的高精度反演对光谱仪的性能和定标精度均提出了更高要求。除了必须在发射前进行严格的实验室定标，还必须建立高精度、高稳定的星上定标系统，以保证载荷全寿命周期内数据产品的品质。

某大气监测光谱仪采用时间调制型傅里叶变换分光的技术路线，光谱仪主要由二维指向机构、干涉仪组件、后光学组件、分色汇聚光学组件、探测器及信号处理系统等组成，其核心组件为一台双角镜摆臂式干涉仪。入射光经指向镜进入干涉仪组件，通过干涉仪的光程扫描实现干涉分光后由后光学组件进行压束，经分色汇聚光学组件分为4个通道并分别汇聚至各谱段的单元探测器上，探测器获取的干涉信号经傅里叶变换后可得到大气成分对地表反射太阳辐射的吸收光谱，从而定量反演各成分的浓度分布信息，应用于全球变暖等气候变化问题的研究。

光谱仪在近红外和短波红外波段设置了4个工作谱段，分别为0.75~0.77μm、1.56~1.72μm、1.92~2.08μm、2.20~2.38μm，其近红外和短波红外谱段的光谱分辨率分别优于0.6cm–1和0.27cm–1。光谱仪视场角为15.8mrad，绝对辐射定标精度要求优于5%。为保证全寿命周期内光谱数据的精度，需设置星上定标系统，定期对光谱仪的光谱和辐射性能进行标定。

2 星上定标方案设计

2.1 星上辐射定标

（1）星上辐射定标方案设计

发射过程中的振动、在轨运行期间的空间粒子辐射、污染、元器件老化等因素都可能引起光谱仪光谱响应特性的衰减和变化[11]，使得实验室定标系数在卫星在轨飞行期间可能不再适用，如GOSAT（Greenhouse Gases Observing Satellite）卫星搭载的TANSO-FTS光谱仪入轨后3年相对于发射前定标的辐射衰减在近红外谱段约18%~20%，短波红外谱段约5%~7%[12]。对于工作在太阳反射谱段的遥感器，多利用太阳这一长期稳定的宽带光源，采用太阳漫反射板定标法对仪器入轨后的辐射性能进行标定，该方法具有全口径、全视场、全光路等优点，具有很高的辐射定标精度。然而，漫反射板会受空间紫外辐照、高能粒子轰击等发生性能衰变，如聚四氟乙烯材料在紫外和可见光波段衰减明显。因此，为保证全寿命周期内遥感器的定标精度，除了采用空间环境下具有高稳定性的漫反射材料，需建立对漫反射板反射性能衰减的在轨监测手段。

解决方法之一是设计一种比辐射计，通过比较太阳辐照度和漫反射板反射辐亮度进行漫反射板BRDF的变化监测[7]，该方法的局限在于仅可对部分谱段以及漫反射板的部分区域和部分观测角度下的BRDF进行监测，与星上定标的实际状态存在偏差。对于口径相对较小的遥感器，在体积质量等条件允许的情况下，可设置参考漫反射板，通过两块漫反射板定标结果的比对实现漫反射板在轨衰减的监测和校正。该校正方法与常规定标的测试状态完全一致，精度更高。

本文光谱仪的星上绝对辐射定标利用漫反射板引入太阳辐射作为定标源，采用两块180°配置的漫反射板，一块用于每轨一次的太阳定标，另一块作为参考板，使用频次设计为每月一次，用于与常规板的比对校正。

（2）漫反射板的选用、设计及测试

随着遥感器设计寿命的延长，漫反射板的选用需充分考虑材料的在轨衰减情况。QVD漫反射板材料为石英玻璃，对空间辐射不敏感，在轨性能的衰减仅由表面污染引起，相比聚四氟乙烯（如Spectralon）漫反射板具有极高的在轨稳定性。QVD漫反射板可通过漫反射板表面粗糙度的加工，满足不同角度、紫外至短波红外谱段不同光谱的BRDF要求，角度均匀性好[13]。

采用两块相同的QVD漫反射板，设计直径为150mm，置于光谱仪光路的最前端，可保证全视场、全口径和全光路覆盖。漫反射板前后表面均具有一定粗糙度，后表面镀铝膜，以实现所需角度下BRDF的角均匀性和面均匀性要求。

漫反射板的BRDF与入射角度相关，光谱仪在轨定标时的太阳入射角度需考虑卫星轨道参数及其在轨漂移情况、地气杂光影响、平台结构遮挡等因素，并结合这些因素确定太阳定标的时机。考虑上述因素后，设计全寿命周期内太阳定标时段对应的太阳光与漫反射板的夹角关系如图1所示，其中为卫星坐标系，为卫星飞行方向，为穿轨方向，为星下点方向。太阳光相对面的夹角的变化范围为20°~35°，太阳光在平面内的投影与轴的夹角的变化范围为10°~27°。漫反射板法线平行于-轴，则定标期间太阳光与定标漫反射板法线夹角，也就是太阳光入射角变化范围为55°~70°。

图1 星上太阳定标期间太阳光与定标漫反射板的夹角关系

针对光谱仪的工作谱段和在轨太阳定标角度，对漫反射板表面粗糙度设计进行了优化，如图2所示。可以看出，当粗糙度大于2μm后的漫反射板BRDF角度均匀性较高，粗糙度2μm至6.5μm的漫反射板BRDF的相对变化在5%~7%以内。进一步地，利用显微镜和探测器对面均匀性进行测定，得出粗糙度2μm的漫反射板的面均匀性最佳。另一方面，定标漫反射板的BRDF设计需满足太阳定标时经定标漫反射板反射后的太阳光谱辐亮度与光谱仪各谱段的平均入射光谱辐亮度相匹配，且不超出光谱仪的动态范围上限，实测结果如图3所示。

图2 不同表面粗糙度漫反射板的BRDF相对角度变化情况

图3 漫反射板出射辐亮度与光谱仪动态范围符合情况

在星上定标系统安装至光谱仪整机后，考虑到装配误差和杂光等因素的影响，需在实验室对定标漫反射板在不同波长和不同太阳光入射角条件下进行系统级BRDF标定[14-15]。使用太阳模拟器作为光源，使其分别照射光谱仪的星上定标通道和对地通道，其中对地通道采用一已知BRDF的标准漫反射板将入射光引入，利用两次测量的比值获得漫反射板的系统级BRDF，更为接近星上定标系统的在轨真实工作状态，相比利用元件级的漫反射板BRDF进行星上定标，可获得更高的星上辐射定标精度。经分析（见表1），光谱仪所采用的系统级BRDF标定方法的测量误差可优于3%。

表1 光谱仪短波红外谱段定标漫反射板系统级BRDF的测量误差

Tab.1 Instrument BRDF error of calibration diffuser of SWIR channel

（3）星上绝对辐射定标精度分析

光谱仪的星上绝对辐射定标是通过已知的大气层外太阳光谱照度数据、在轨实时太阳矢量（太阳光入射角度）和漫反射板BRDF的地面标定结果确立辐亮度标准，并在卫星处于地影区时进行深空暗背景数据的采集。在某一波数处，太阳光经定标漫反射板散射后入射到光谱仪的辐亮度S()为：

式中()为太阳辐照度；BRDF(iiss)为定标漫反射板的双向反射分布函数，它是入射光照度和反射光亮度的比值，与入射光波长、入射光线和出射光线的角度有关；i为太阳光和定标漫反射板法线的夹角；s为出射光与漫反射板法线的夹角，i与s主分别为入射光和出射光的方位角[16]。太阳定标时光谱仪采集信号为DNS()；深空暗背景观测时采集信号为DN0()，可得到光谱仪的辐射定标方程：

式中 DN()为光谱仪对地观测时的测量信号；()为与DN()对应的对地观测时的入瞳辐亮度。

星上辐射定标需利用定标数据所对应的在轨实测参数，如卫星姿态信息、太阳光相对漫反射板的入射和出射角度，以及参考漫反射板的定标结果等，对定标模型进行修正。修正后仍存在的残余误差及其它不可修正项即构成了星上辐射定标精度。以光谱仪短波红外通道（1.6μm）为例，绝对辐射定标环节中的主要误差来源及参考贡献值分析如表2所示。其中，太阳照度数据来源于已有科学测量数据，目前其测量不确定度可优于2%；太阳定标时和对地观测时的光谱输出信号误差主要源自于仪器的噪声影响；太阳光入射角度误差主要受卫星姿态和星上实时太阳矢量计算误差的影响，会导致入射照度和漫反射板BRDF的不确定，对于朗伯性很好的漫反射板该部分误差影响很小；杂散光的影响已通过系统级BRDF标定有所抑制，并采用遮光罩、挡光板等措施抑制在轨星表反射太阳光所产生的杂光，该项误差主要考虑地面测试和分析与在轨真实状态的差异；系统非线性误差来源于干涉信号零光程差处峰值信号所引入的非线性调制因子；根据OMI的QVD漫反射板反射性能的在轨衰减数据，预估本方案参考漫反射板BRDF的8年衰减小于0.5%。综合分析可知，光谱仪短波红外通道（1.6μm）寿命末期星上绝对辐射定标精度为4.33%。此外，谱段1、谱段3和谱段4的星上绝对辐射定标精度分别为3.91%、4.36%和4.39%，均满足5%的指标要求。

表2 光谱仪短波红外谱段星上绝对辐射定标误差分析

Tab.2 On-board absolute radiometric calibration accuracy of SWIR channel

2.2 星上ILS测量

仪器线形函数（Instrument Line Shape, ILS）表征了光谱仪对于一个给定波长的单色光源的光谱响应，光谱仪的测量光谱是真实光谱与ILS卷积的结果。对于具有超高光谱分辨率且绝对精度要求很高的仪器，其辐射定标和波长定标都需要将基准光谱与ILS卷积，卷积后的结果与光谱仪实测信号比对来完成定标参数的计算。短波红外谱段的大气光谱数据反演对ILS的变化非常敏感，需要设置星上ILS测量手段。

本方案设计利用波长为1 664.5nm的窄线宽半导体激光器作为输入光源进行ILS测量，激光线宽优于10MHz，远小于光谱仪的光谱分辨率，可保证测量结果的准确性。定标激光器内部设置了半导体制冷器和热敏电阻，对定标激光器进行制冷和精确控温，以保证输出激光的频率稳定性。

图4 利用星上激光器测试的ILS光谱

激光器发出的单色稳频激光由星上定标漫反射板引入光谱仪光学系统，将光谱仪获取的单色激光干涉信号进行逆傅里叶变换后即获得经光谱仪展宽后的输入激光光谱，即光谱仪的ILS，如图4所示。另外，ILS函数的半高宽可反映光谱仪的光谱分辨率，光谱分辨率实测结果为0.262cm–1，满足指标要求。ILS的测量精度主要由激光器温度和输出功率的不稳定度和光谱仪信号噪声决定，激光器温度和输出功率的不稳定度<0.1%，光谱仪噪声<0.7%，ILS的测量精度约为0.7%。

2.3 在轨波长校正

光谱仪的实验室光谱定标多采用特征谱线灯[17]、单色激光器、气体池结合不同光源（积分球、黑体等）的方法[18]，可实现的光谱定标精度很高，但在星上应用方面受限于功耗、体积、质量及寿命等要求，工程实现存在难度。星上光谱定标有采用卤钨灯[19]和稀土掺杂漫反射板[20-21]的方式，但掺杂漫射板的光谱特征分辨率较低，不适用于具有超高光谱分辨率的遥感器。目前，国外已发射的多个超光谱载荷，如文献[22]、文献[23]多借助太阳光谱和大气吸收光谱进行其在轨波长定标。

光谱仪处于太阳定标模式时，利用太阳定标获得的光谱信号里的太阳夫琅禾费线的波长信息进行在轨波长校正；光谱仪工作在常规观测模式时，通过对地面均匀场景进行观测，利用探测光谱信号里的大气吸收线的波长信息进行在轨波长校正。太阳光谱中的特征吸收线较大气吸收光谱更为尖锐，获得的波长位置更为精确，而大气吸收光谱无Doppler效应的影响，两种方法相结合，可得到更为准确的光谱校正结果。

使用太阳光谱和大气吸收光谱进行星上波长定标计算时，首先使用已知的太阳光谱或大气吸收光谱与光谱仪的ILS进行卷积，将卷积后的已知光谱与光谱仪实测得到的测量光谱采用标准差法进行比较后确定测量光谱各采样点对应的波长值，完成波长定标。

图5 星上波长定标时的数据处理示意

星上波长定标时的数据处理示意如图5所示。沿波数轴按一定步长对测量光谱进行逐次平移，逐次计算平移后的测量光谱与已知光谱的标准差，标准差为最小时的测量光谱与波数轴的对应关系即为星上波长定标结果。标准差的计算公式为，

式中为采样点数；ν为采样点对应的波数；0()为已知光谱数据；()为测量光谱数据。

3 星上定标系统设计和工作过程描述

根据上述星上定标方案，设计的光谱仪星上定标系统组成如图6所示，由漫反射板定标机构、激光器和定标控制器组成，定标控制器用于机构转动和激光器电流的控制。星上定标流程示意图如图7所示，为避免太阳光的影响卫星处于地影区内进行ILS测量和深空冷背景数据采集。卫星出地影区后、星下点日出前进行太阳定标。考虑气体反演精度对每轨定标数据的精度要求，设计对太阳和深空冷背景的观测每轨进行，每月进行一次ILS测量。

图6 星上定标系统组成示意

图7 星上定标流程示意

两块漫反射板的切换由定标机构的转动实现，定标时光谱仪的指向机构指向漫反射板方向，将太阳辐射引入干涉仪。参考板不使用时，受定标机构外壳保护，与空间环境隔离，以保证其在轨所受空间辐射和污染的影响降至最低。定标机构采用电机直驱方式，采用2组微动开关判断漫反射板工作位置，结构形式简单、可靠性高。图8为定标机构组成和设计示意。

图8 星上定标机构组成

对应用于大气成分定量监测的超光谱载荷而言，星上绝对辐射定标是保证气体浓度反演精度的关键，而仪器线形函数测量和波长校正是进行辐射定标的前提。光谱仪的星上定标工作原理如图9所示，定标采集的光谱数据需首先进行ILS卷积处理和波长校正，而后才能进行辐射定标数据的处理。通过星上ILS测量与发射前ILS的比对，可监测光谱仪在轨光谱响应特性的变化情况。根据星上太阳定标数据和暗背景测量数据获得星上绝对辐射定标方程，并与发射前定标方程进行比对，对发射前定标参数进行修正，同时评估漫反射板和仪器的在轨衰减或变化情况。

图9 光谱仪星上定标原理示意

4 结束语

星载大气监测光谱仪星上定标方案的设计在总结和借鉴国外先进载荷在轨应用经验的基础上，结合傅里叶变换光谱载荷的技术特点，设计的星上定标系统具备全口径、全视场、全光路绝对辐射定标和ILS测量能力。漫反射板定标装置具有在轨高稳定性和可靠性，漫反射板的系统级BRDF可降低定标装置装配误差和系统杂光的影响，可保证全寿命周期光谱仪各谱段绝对辐射定标精度均优于5%。ILS卷积作为光谱数据处理的必要环节，星上窄线宽稳频激光器的设计可满足光谱仪短波红外谱段的星上ILS测量要求，并可在轨实时评估光谱仪的光谱分辨率等光学性能。配备满足高精度反演要求、在轨稳定性好的星上定标装置，是定量遥感载荷发展的重要趋势，本文介绍的高精度星上定标技术可应用于工作在太阳反射谱段的星载光谱仪等具有高精度定量应用需求的遥感器，为我国的环境综合监测、气候变化研究、资源勘查、防灾减灾等行业提供高质量、高可靠度的高光谱遥感数据服务。

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High Precision On-board Calibration for Spaceborne Atmospheric Monitoring Spectrometer

LI Bicen LI Ming XU Pengmei

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

Radiometric accuracy and spectral accuracy should be very high for spaceborne hyperspectral payload applied in atmospheric composition retrieval. With extension of the lifetimes of spaceborne optical sensors, it is required to establish an on-board calibration system with high accuracy and high stability. The calibration techniques which can meet the high on-board calibration accuracy for atmospheric monitoring spectrometer are described in this paper. According to the characteristics of time modulated Fourier transform spectrometer, the methods of absolute radiometric calibration, instrument line shape (ILS) measurement and spectral calibration are presented. Solar diffuser is used to realize the absolute radiometric calibration on orbit covering full aperture, full field of view and whole detecting link of instrument. The calibration diffuser in front of the optical path of the spectrometer reflects the sunlight into the instrument, and the standard radiance is obtained using the known exoatmospheric solar irradiance and the BRDF (bidirectional reflectance distribution function) of the diffuser calibrated on ground. And another diffuser as a calibration reference is used to monitor and correct the degradation and variation of the calibration unit and the instrument. The absolute radiometric calibration accuracy in total life time is better than 5% by use of Quasi Volume Diffuser (QVD) which have the advantage of very stable optical performance in space. Monochromatic lasers are employed for regular ILS measurement from which the on-orbit status of optical performance like spectral resolution can be evaluated. Spectral lines in solar spectrum and atmospheric spectrum are used to correct the wavelength shift of instrument.

diffuser; instrument line shape; wavelength correction; absolute radiometric calibration; atmospheric monitoring spectrometer; space remote sensing; GF-5 satellite

V447+.1

A

1009-8518(2018)03-0060-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.007

李碧岑，女，1985年生，2010年获西安电子科技大学光学专业硕士学位，工程师。研究方向为航天光学遥感器总体设计、定标技术。E-mail：mou_lbc@163.com。

2018-03-21

国家重大科技专项工程

（编辑：刘颖）