光栅光谱仪星上仪器线形函数监测技术

刘宇翔 安宁 李明 石峰 鲁之君

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

对于大气探测光谱仪类载荷而言，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]。经过发射以及在轨运行，光谱仪的光学、结构和电子学部件会发生性能改变，导致实验室定标结果变得不准确。为了得到准确的光谱数据，必须对这些变化进行校正，这就要求在实验室定标的基础上对光谱仪进行星上定标。近年来，随着中国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[2]。

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[3]，是光谱仪进行高精度光谱定标的重要参数。卫星发射时的振动、轨道上的热变化、在轨状态和地面实验室条件之间区别、外太空重力和辐射、仪器老化以及观察模式的切换都可能会对在轨运行的高分辨光谱仪的ILS 产生微妙的影响。因此，对光谱仪整个在轨运行中的ILS 变化进行监督和更新是非常有必要的[4]。现在，应用最广泛的光谱仪为傅里叶光谱仪和光栅光谱仪。傅里叶光谱仪通过空间调制分光，每个谱段的ILS在理论上是相同的，每个谱段中只需选取任意单一波长的ILS 进行测量即可。傅里叶光谱仪地面ILS 测定多选用气体吸收法[5-9]、可调节激光器[10-15]等方法，通过选取工作谱段中较明显的气体吸收线或激光波长进行ILS 测量；星上ILS 测定则主要选用激光二极管作为光源[16-19]，原理与可调节激光器相同，每个激光二极管只有特定的波长，但却具有质量轻、体积小、结构简单等优点。还可选用太阳光谱进行星上ILS 测定，但需要对日地距离、太阳活动周期等参数进行修正[20]。光栅光谱仪与前者不同，是通过衍射进行分光，全谱段各波长的ILS 均不相同，因此不能通过单一波长测定ILS。地面ILS 测定通常会选用可调节激光器[21-23]，通过对波长进行等间距调节，对全谱段各波长进行扫描测定。由于无法进行星上全波长的ILS 扫描测定，因此只能在工作谱段选取特定波长进行星上ILS 监测[24]，而不是全波长的星上ILS 测量。

现在，中国已发射载荷中还没有在星上对ILS 进行监测的光栅光谱仪。本文在参考TROPOMI 等国外光栅光谱仪载荷研制的基础上，以某光栅光谱仪为载体，对星上ILS 监测技术进行研究，完成了方案设计、光学设计以及结构设计，实现了对光谱仪全口径、全视场、全谱段的星上ILS 监测，光源辐照度均匀性高于95%。通过误差分析以及地面模拟测试，最终达到星上ILS 监测误差小于1%。此研究可以为后续光谱仪类载荷星上定标及星上ILS 监测提供技术参考。

1 方案设计

某光栅光谱仪共有4个谱段，以其为载体进行星上ILS 监测技术研究。

TROPOMI 配置了一个激光二极管，对其比较关注的谱段选取一个波长进行星上ILS 监测。本方案参考了其设计思路，并进行了改进，提高了ILS 监测精度和范围。本方案选用可调谐激光二极管作为星上ILS监测光源，相比于只有单一波长的普通激光二极管，可调谐激光二极管可在其波长名义值附近进行波长的小范围调节，从而提高星上ILS 监测精度。星上ILS 的测量和数据处理方法与地面使用可调谐激光器进行ILS 测量的方法相类似。激光二极管内部集成半导体制冷器和测温传感器，通过对其精密温度调节进行波长扫描，在波长扫描过程中保持激光二极管电流不变，使光功率保持稳定。为了增大监测范围，每个谱段配置2个不同波长的可调谐激光二极管。激光二极管的参数见表1。

为了实现监测光路覆盖光谱仪的全口径、全视场，进行了光学设计。星上ILS 监测光路组成如图1 所示。星上ILS 监测光路由激光合束光路、积分球和准直光路组成。激光合束光路将8个激光二极管的光束准直合束后引入积分球，积分球将激光二极管的光匀光后输出，准直光路将积分球出口的出射光准直后使其充满光谱仪入瞳和视场。

表1 激光二极管参数Tab.1 Parameters of diode lasers

激光合束光路如图2 所示。8个激光二极管分别经准直透镜准直，然后经分色片、分束器（半反半透）合束后进入积分球，每个准直透镜后预置衰减片用于调节激光能量。

图1 星上ILS 监测光路Fig.1 The light path of on-board ILS measurement

图2 激光合束光路Fig.2 The light path of laser beams

8个激光二极管在积分球激光入口处的脚印均为圆形，尺寸见表2。

表2 积分球入口处激光脚印尺寸Tab.2 Laser footprint dimensions at the integrating sphere entrance

通过结构设计及装调，8个激光二极管的光源合束后可将口径控制在15mm 以内，引入积分球。选用积分球可在尽量小的体积范围内对激光光源进行匀光处理，同时降低激光光源的相干性。积分球内表面镀金，在积分球出口处安装光阑片；通过积分球进行匀光，积分球出口处光谱辐亮度满足一定均匀性要求。

监测光从积分球出射后进入准直光路。准直光路由反射镜1、反射镜2和滤光片组成，采用离轴两反形式，光路图如图3 所示。

星上ILS 监测时光谱仪入瞳处的光谱辐亮度不小于光谱仪的最大测量辐亮度，实测积分球出口辐亮度后，在滤光片设计时针对不同谱段提出不同的透过率要求，使星上ILS 监测时光谱仪入瞳处的光谱辐亮度处于光谱仪的动态范围内。

以积分球出口处均匀性良好为前提，进行照度分析。在非序列模式中建立照度分析模型，光源放置于积分球出口，将接收探测器放置于入瞳处。光谱仪B1 谱段像面上照度分布的分析结果见图4，X坐标为空间方向，Y坐标为光谱方向。通过对实际使用区域的辐照度数据进行统计，可以得到，B1 谱段像面沿空间方向的辐照度均匀性为98.6%、沿光谱方向的辐照度均匀性为99.5%。

光谱仪B2、B3、B4 谱段探测器焦面上照度分布的分析结果见图5，X坐标为空间方向，Y坐标为光谱方向。通过对实际使用区域的辐照度数据进行统计，可以得到，B2、B3、B4 谱段像面沿空间方向的辐照度均匀性为98.2%，沿光谱方向的辐照度均匀性为99.5%。

图3 准直光路Fig.3 The light path of the collimator

图4 光谱仪B1 谱段像面上的照度分布Fig.4 Irradiance distribution of B1 channel

图5 光谱仪B2、B3、B4 谱段像面上的照度分布Fig.5 Irradiance distribution of B2, B3 and B4 channels

通过光学设计，实现了对光谱仪全口径、全视场、全谱段的星上ILS 监测，光源辐照度均匀性高于95%。根据光学设计对星上ILS 监测组件进行结构设计，并完成了加工和装配。

2 ILS 监测误差分析

测量ILS时，对每个激光二极管在波长名义值附近进行等步距波长扫描，波长扫描范围以波长名义值为中心、带宽为3Δλ（Δλ 为通道半高宽），在每个波长扫描点处通过保持激光二极管温度和电流的稳定使输出波长稳定。每一个激光扫描能精准地得到一个粗略ILS 函数，代表各个单像元的响应，通过将每个像元代表的波长质心平移到同心，将各个像元的响应组合在一起得出在波长名义值附近的平均ILS，平均ILS分辨率超过任何独立像元测量的分辨率一个量级，提高了ILS 的测量精度。

ILS 的测量误差由探测器误差、激光二极管线宽、激光二极管的温度和电流稳定性、系统杂散光、激光闪斑以及拟合误差等决定。探测器误差包括输出信号不稳定性、像元间差异和非线性标定，通过使用不同激光二极管测试可得到误差比例。激光二极管线宽小于3MHz，远小于光谱仪的光谱分辨率，对ILS 测量精度的影响可以忽略。激光二极管的温度和电流稳定性误差通过激光二极管指标参数计算得到。杂散光影响误差通过对光谱仪整机的杂散光仿真分析得到，占据了整个误差因素的较大比例。激光闪斑产生误差和拟合误差根据经验给出。星上ILS 测量误差分析见表3，累计误差最终可达到小于1%。

表3 星上ILS 测量误差分析Tab.3 On-board ILS measurement error analysis 单位：%

3 地面模拟测试

光谱仪整机装配完成后，对星上ILS 监测技术进行了地面模拟测试。对4个谱段的共8个激光二极管对应的波长名义值位置进行ILS 测量。测量ILS时，对每个激光二极管在波长名义值附近进行等步距波长扫描，最后将各个像元的响应组合在一起得出在波长名义值附近的平均ILS。对8个激光二极管分别进行测试，具体模拟测试过程如下：

1）在波长名义值位置进行采样，将得到的像元响应进行归一化处理，并拟合出图形的质心位置；

2）通过改变激光二极管的电流，从而改变其温度，最终改变其发射波长，最终实现每个激光二极管在波长名义值附近进行等步距波长扫描；

3）在每一个扫描点进行采样，并将得到的像元响应进行归一化处理，同时拟合出图形的质心位置；

4）将每一个扫描点像元响应的图形质心平移到同一个位置；

5）将平移后的所有点集进行高斯拟合，即得到激光二极管波长名义值位置的平均ILS。

8个激光二极管波长名义值附近的平均ILS 拟合结果见图6。

图6 8个激光二极管ILS 测量结果Fig.6 ILS measurement results of 8 diode lasers

ILS 测量误差为波长响应值低于1%的总能量占全部能量的百分比，即

式中P为测量误差；E为总能量；E0为波长响应值高于1%的总能量。

因为像元响应已作归一化处理，所以

式中λ为归一化波长；G（λ）为高斯拟合函数。

选取中心波长两侧归一化响应值为1%的波长点λ1和λ2，即可计算波长响应值高于1%的总能量。

式中λ1、λ2为中心波长两侧归一化响应值为1%的波长点，即G（λ1）=G（λ2）=0.01。

将式（2）、（3）代入（1），ILS 测量精度即可表示为8个激光二极管的测量精度见表4，均优于1%。

表4 8个激光二极管ILS 测量精度Tab.4 The ILS measurement precision of 8 diode lasers单位：%

4 结束语

本文以某光栅光谱仪为载体，进行了星上ILS 监测技术研究。选用可调谐激光二极管作为星上ILS 监测光源，完成了方案设计、光学设计和结构设计，实现了对光谱仪全口径、全视场、全谱段的星上ILS 监测。通过光学仿真分析，得到光源辐照度均匀性高于95%；通过地面模拟测试，得到ILS 监测误差小于1%，验证了此星上ILS 监测方法的可行性。此技术选用多个不同波长的可调谐激光二极管作为监测光源，激光二极管波长可根据光栅光谱仪谱段范围进行选择，较为方便灵活；通过激光合束光路设计，即可实现全谱段的星上ILS 监测。此技术可与其他星上定标技术（光谱定标、辐射定标）相结合，通过集成设计研制出星上定标装置，实现光栅光谱仪星上定标集成化设计。通过此项技术研究，可为后续光谱仪类载荷星上定标技术提供一定技术参考。