大氣成分探測(cè)紅外光譜儀系統(tǒng)指標(biāo)分析

齊衛(wèi)紅 尉昊赟 陰麗娜

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

（2 清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

1 引言

全球的氣候變化不僅是一個(gè)自然科學(xué)的問題，還對(duì)自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全等方面產(chǎn)生了重大影響。溫室效應(yīng)、臭氧損耗和酸雨是主要的三大大氣問題，研究這些問題的核心是確定溫室氣體、衡量氣體、臭氧、氮氧化物、硫化物、水汽等各種氣體在大氣圈內(nèi)的垂直分布、水平分布、總量分布及其變化規(guī)律。

氣體的吸收(輻射)特征通常比液體、固體更為精細(xì)，而且隨著壓力的降低，吸收譜線變得更加銳利；隨著濃度的降低，吸收譜線的強(qiáng)度變得更加微弱。因此大氣遙感的光譜探測(cè)應(yīng)用需要合適的光譜分辨率和探測(cè)光譜信噪比才能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的需求，此外光譜覆蓋范圍也是決定能探測(cè)什么的重要因素。因此，進(jìn)行大氣成分探測(cè)的儀器需要具有高光譜分辨率、高信噪比和寬光譜覆蓋范圍，而傅里葉變換紅外光譜儀具有高通量、多通道、高光譜分辨率和寬光譜范圍等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大氣成分探測(cè)的需求，并且已經(jīng)在大氣成分探測(cè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本文從大氣成分探測(cè)總體指標(biāo)需求分析入手，以傅里葉變換紅外光譜儀方案為基礎(chǔ)，進(jìn)行了總體技術(shù)指標(biāo)的影響因素分析，并給出了樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果。

2 總體指標(biāo)需求分析

2.1 光譜范圍

由于分子組成的差異，不同大氣成份在紅外區(qū)域的光譜有其各自的特點(diǎn)，選擇 750～4 100cm–1的光譜范圍可以有效地探測(cè)到絕大部分所關(guān)注的大氣成份。

將探測(cè)光譜范圍進(jìn)行分解，選用不同的探測(cè)通道進(jìn)行探測(cè)可以有效地提高探測(cè)光譜信噪比，對(duì)此，參考國(guó)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[1]，本文將整個(gè)探測(cè)光譜寬度分成2個(gè)探測(cè)通道進(jìn)行探測(cè)為：750～1 900cm–1，1 850～4 100cm–1。

2.2 光譜分辨率

大氣的紅外輻射光譜密集且復(fù)雜，因此光譜儀必須具有較高的光譜分辨能力。受到大氣分子發(fā)射/吸收譜線的固有寬度限制，不同高度的觀測(cè)區(qū)域?qū)庾V分辨率的要求不同。圖1給出了微弱吸收特征光譜的半高全寬度的變化情況[2]，從圖中可以看到，在約30km以上的大氣層中，大氣分子發(fā)射/吸收譜線寬度主要由多普勒展寬決定，該值約為0.003cm–1；在30km以下大氣層中，譜線寬度主要由洛侖茲展寬決定，并隨海拔高度的降低逐漸增大。從數(shù)據(jù)反演的角度來(lái)看，儀器分辨率最基本的要求是保證光譜吸收譜線分開，即儀器的分辨率不宜大于圖1中微弱吸收特征光譜的半高全寬度，對(duì)應(yīng)的光譜分辨率需求約為 0.1cm–1。

圖1 不同海拔高度的大氣分子發(fā)射/吸收譜線寬度Fig.1 Variation of typical spectral line w idths w ith altitude

需要指出的是，雖然上述光譜的分辨率可以滿足絕大部分大氣成份反演的需求，但是：1）低分辨率會(huì)導(dǎo)致弱吸收信號(hào)的平滑淹沒；2）由于大氣吸收特征譜線變化帶有明顯的高度變化特征，因而在反演分析中，吸收峰的形狀特征能用來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直分布廓線信息的反演。由此提高光譜分辨率，能提高系統(tǒng)的探測(cè)能力和反演數(shù)據(jù)的垂直分辨能力。圖2、3為利用ACE-FTS一個(gè)太陽(yáng)掩星觀測(cè)序列所得到的數(shù)據(jù)，采用不同光譜分辨率計(jì)算的比對(duì)結(jié)果。從圖中可以看到，在光譜分辨率下降后，很多微弱的吸收特征被抹平而無(wú)法識(shí)別，同時(shí)吸收峰的形狀也變得缺少細(xì)節(jié)(如圖2、3中的方框所示)，造成可利用信息丟失，數(shù)據(jù)的垂直分辨能力下降。因此，在具有大氣成份廓線反演需求的應(yīng)用中，選用類似ACE-FTS的0.02cm–1光譜分辨率是比較適宜的，此時(shí)系統(tǒng)的噪聲水平仍較小，探測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的探測(cè)光譜信噪比[3]。圖1中TES在有廓線反演需求的臨邊觀測(cè)模式中，也選用相當(dāng)?shù)墓庾V分辨率。

圖2 0.02cm－1分辨率下的觀測(cè)光譜Fig.2 A tmospheric spectral characteristic of 0.02cm－1 resolution

圖3 0.1cm－1分辨率下的觀測(cè)光譜Fig.3 Atmospheric spectral characteristic of 0.1cm－1 resolution

2.3 探測(cè)光譜

探測(cè)光譜信噪比(SNR)是決定傅里葉變換光譜儀(Fourier Transform Spectrometer, FTS)系統(tǒng)輻射分辨率的重要因素，對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)精度有著密切關(guān)系。傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)最基本的分析方法是采用數(shù)據(jù)擬合法。使用這種方法的前提是每個(gè)分子狀態(tài)轉(zhuǎn)化的吸收系數(shù)是精確已知的，但因?yàn)槲?發(fā)射不是單色，而是覆蓋一定的光譜寬度，其形狀與分子的種類、溫度、氣壓以及其他分子的相互作用等因素密切相關(guān)，而且這些因素多是非線性的。因此，在實(shí)際反演分析中，吸收系數(shù)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度依賴于探測(cè)信號(hào)對(duì)于各種影響因素的敏感程度，當(dāng)影響吸收特性的信號(hào)被噪聲淹沒時(shí)，吸收系數(shù)的計(jì)算精度也就受到了限制。對(duì)理想情況而言，1%的反演精度需要100∶1的光譜SNR。

實(shí)現(xiàn)較高地探測(cè)光譜SNR可以從2個(gè)方面入手，一是增強(qiáng)探測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度，二是減小系統(tǒng)噪聲水平。從探測(cè)目標(biāo)的角度考慮，大氣成份探測(cè)可以利用大氣發(fā)射光譜或大氣對(duì)太陽(yáng)光的吸收光譜，直接采用太陽(yáng)光作為系統(tǒng)的輸入輻射源，信號(hào)強(qiáng)度在同等系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)下是其他2種輻射源強(qiáng)度的102～104倍，因此直接采用太陽(yáng)光作為系統(tǒng)觀測(cè)的輻射源能獲得最佳的探測(cè)光譜SNR；在滿足探測(cè)光譜SNR的情況下，以太陽(yáng)光作為系統(tǒng)觀測(cè)的輻射源，可以大幅減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

從降低系統(tǒng)噪聲水平的角度，F(xiàn)TS干涉信號(hào)強(qiáng)度探測(cè)的噪聲來(lái)源主要包括目標(biāo)光子噪聲、探測(cè)器噪聲、量化噪聲等。在以直射太陽(yáng)光作為輻射源，并選用高質(zhì)量的探測(cè)器、開發(fā)高質(zhì)量電子學(xué)系統(tǒng)的情況下，目標(biāo)光子噪聲是系統(tǒng)中最主要的噪聲來(lái)源，因此在系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)確定后，干涉信號(hào)最優(yōu)的噪聲水平也基本確定。對(duì)于FTS，干涉信號(hào)零光程差處干涉信號(hào)信噪比SNRI與光譜信號(hào)信噪比SNRS之間存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

式中 M為光譜通道數(shù)目，是光譜探測(cè)寬度σB與光譜分辨率Δσ的比值，。由此可見，受Δσ和的制約，光譜分辨率越高(Δσ越小)，則SNRS越??；越窄，則越高。

2.4 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述指標(biāo)需求分析，并結(jié)合用戶數(shù)據(jù)反演分析需求，確定主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 M ain technical specification of breadboard

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 方案簡(jiǎn)介

1）系統(tǒng)總體組成：時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換紅外光譜儀可以獲得較大的光程差，從而實(shí)現(xiàn)極高的光譜分辨率，因此成為探測(cè)大氣成分的有效手段。本方案采用改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀作為大氣成分探測(cè)紅外光譜儀的核心模塊。在傅里葉變換紅外光譜儀中，光譜分辨率Δσ與最大光程差MPD之間滿足：

因此，要實(shí)現(xiàn)0.02cm–1的光譜分辨率，最大光程差至少要達(dá)到25cm。為實(shí)現(xiàn)大行程并有效降低系統(tǒng)尺寸，干涉調(diào)制模塊選用擺臂式結(jié)構(gòu)[4-5]，并通過端鏡的進(jìn)一步折疊達(dá)到8倍于機(jī)械行程光程差效果，從而達(dá)到3.2cm的機(jī)械擺程，即實(shí)現(xiàn)25cm的光程差，滿足光譜分辨率的需求。

依據(jù)光譜范圍和掃描周期需求，選用的探測(cè)器組件要求響應(yīng)波段寬、響應(yīng)速度快、靈敏度高、噪聲低、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大。經(jīng)調(diào)研，本文選用光伏型HgCdTe(長(zhǎng)波通道)和InSb(短波通道)探測(cè)器雙通道探測(cè)方案。

樣機(jī)的設(shè)計(jì)光譜不確定度為0.005cm–1，要求采樣參考系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確度。方案選擇分布式反饋激光器作為共干涉光路激光計(jì)量模塊的光源。

在上述基本選型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的總體方案框圖如圖4所示。

圖4 光譜儀系統(tǒng)總體方案框圖Fig.4 Spectrometer product tree

2）模型光學(xué)系統(tǒng)：本樣機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 探測(cè)儀光路Fig.5 Spectrometer optical layout

作為干涉型光譜儀，該儀器不僅要滿足幾何光學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還要滿足干涉評(píng)價(jià)效果，即足夠好的調(diào)制效率、滿足光譜分辨需求以及提供足夠的信號(hào)強(qiáng)度。以下從調(diào)制效率、儀器線型函數(shù)和SNR這3個(gè)方面分析在上述總體光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指標(biāo)需求所需要的進(jìn)一步約束。

3.2 干涉調(diào)制度分析

FTS干涉信號(hào)的調(diào)制效率M定義為

式中 MT(σ)為光束傾斜因子； MS(σ)為光束剪切因子； MW(σ)為綜合波前誤差因子； Mp(σ)為偏振調(diào)制因子。對(duì)于本FTS樣機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，由于選用角鏡—端鏡聯(lián)合配置方案，光路往返折疊，可以有效消除光束剪切影響。因此本系統(tǒng)中主要考慮光學(xué)傾斜的調(diào)制、綜合波前差的調(diào)制和偏振態(tài)的影響。

3.3 儀器線性函數(shù)分析

儀器線型函數(shù)(Instrument Line Shape, ILS)是當(dāng)一個(gè)單色光源均一地覆蓋系統(tǒng)的視場(chǎng)時(shí)，傅里葉光譜儀對(duì)其光譜的測(cè)量結(jié)果。通常情況下，F(xiàn)TS中以最大光程差倒數(shù)的1/2作為系統(tǒng)的光譜分辨率，但事實(shí)上相鄰光譜能否分辨，由ILS的半高全寬度決定，因此ILS的分析是確定儀器真實(shí)光譜分辨能力的重要參數(shù)。對(duì)于低分辨率 FTS，用最大光程差影響來(lái)分析足以反映系統(tǒng)的 ILS，但對(duì)于本系統(tǒng)的高光譜分辨率FTS，還需要考慮視場(chǎng)的變化因素的影響[7]。

通過對(duì)系統(tǒng)調(diào)制度和儀器線性函數(shù)分析，得到分析結(jié)果如表2所示。

表2 ILS與調(diào)制度的分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of ILS and modulation efficiency

3.4 信噪比分析

對(duì)于一個(gè)FTS系統(tǒng)，其信道模型如圖6所示。目標(biāo)輻射源信號(hào)，通過光譜儀光學(xué)信道、電學(xué)信道傳輸，并通過采樣過程，獲得相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。在光學(xué)信道中，將引入背景噪聲(主要由光譜儀系統(tǒng)內(nèi)部器件的紅外輻射產(chǎn)生)；在電學(xué)信道中，將引入探測(cè)器相關(guān)的一系列噪聲(如光子噪聲、熱噪聲、暗電流噪聲等)和由采樣過程導(dǎo)致的量化噪聲、采樣噪聲等。為便于分析，通常將各種噪聲源等效到輸入端的噪聲輸入輻亮度，噪聲等效光譜輻射率(Noise Equivalent Spectral Radiance，NESR)來(lái)進(jìn)行評(píng)估[8]。NESR與SNR之間的關(guān)系如下：

式中 ()Bσ為輸入光譜。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，NESR計(jì)算公式為

圖6 傅里葉變換紅外光譜儀信道模型Fig.6 Fourier transform infrared spectrometer channel model

對(duì)于不同的噪聲源，其疊加滿足：

式中in為第i種噪聲源的噪聲譜密度。NESR式中儀器效率()ξσ可表示為

式中 ()Tσ為系統(tǒng)透過率，是系統(tǒng)光路各光學(xué)元件透過率iτ的乘積。()Mσ為調(diào)制效率。

對(duì)于系統(tǒng)中每一噪聲源，均可計(jì)算相應(yīng)的NESR數(shù)值[10-11]，通過比較這些數(shù)值，可以分析系統(tǒng)中不同噪聲源對(duì)于系統(tǒng)影響的強(qiáng)弱，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)指標(biāo)分配和優(yōu)化依據(jù)。經(jīng)過NESR理論模型分析與仿真，影響NESR的因素分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 NESR影響因素分析結(jié)果Fig.7 Analysis result for NESR influence factors

4 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

4.1 試驗(yàn)裝置

針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)需求，樣機(jī)的性能測(cè)試項(xiàng)目主要包括：1）表征儀器實(shí)際光譜分辨能力的ILS測(cè)試，2）表征儀器輻射信號(hào)探測(cè)質(zhì)量的SNR測(cè)試。在樣機(jī)測(cè)試中，測(cè)試系統(tǒng)配置如圖8所示。其中：黑體輻射源溫度在 300 ℃ ～ 1 200℃內(nèi)可調(diào)、為測(cè)試系統(tǒng)提供基準(zhǔn)輸入信號(hào)源；高精度氣室控制系統(tǒng)可以精確控制氣體池灌注的氣體成份(CO、NH3、H2O等)、濃度和溫度，為測(cè)試提供準(zhǔn)確的光譜吸收及其特征參數(shù)；專用光學(xué)輔助測(cè)試裝置對(duì)黑體輻射源的輸入信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)整，以匹配樣機(jī)的輸入需求。整個(gè)試驗(yàn)裝置通過控制中心操作，完成性能測(cè)試工作。

圖8 樣機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.8 Prototype performance test system

4.2 測(cè)試結(jié)果

4.2.1 ILS測(cè)試

根據(jù)ILS的定義，ILS測(cè)試需要測(cè)量單一波數(shù)輸入的光譜響應(yīng)特征。在本試驗(yàn)中，利用高精度氣室控制系統(tǒng)，控制氣體池中氣體至很低的濃度，產(chǎn)生尖銳的吸收峰來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中CO氣體在2 000cm–1的中紅外區(qū)域有大量分立的強(qiáng)吸收譜線，十分便于進(jìn)行 ILS分析計(jì)算。因此選用 CO作為吸收氣體。

測(cè)試所用參數(shù)如下：1）視場(chǎng)(Field of View)掃描點(diǎn)源視場(chǎng)為330μrad；2）CO壓強(qiáng)為66.66Pa，觀測(cè)溫度T=296K，光源為 1 000K黑體，吸收長(zhǎng)度為 5cm，最大光程差為25.2cm。

對(duì)CO在2 050～2 210cm–1范圍內(nèi)的吸收譜線進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)和理論分析數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。可以看出，兩者測(cè)量數(shù)據(jù)和模型分析數(shù)據(jù)的吻合良好，在本波段內(nèi)ILS的半高全寬為0.024 8cm–1。

圖9 CO全吸收帶內(nèi)測(cè)試與模型分析結(jié)果對(duì)比Fig.9 Test results compared w ith the model analysis in CO absorption band

4.2.2 信噪比測(cè)試

在FTS中主要的噪聲源為白噪聲，因此在樣機(jī)信噪比測(cè)試過程中，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多次測(cè)量，利用式(9)獲得系統(tǒng)的信噪比為

圖10 1 000K黑體目標(biāo)探測(cè)SNR測(cè)量與理論建模分析結(jié)果Fig.10 Measured and Modeling SNR for 1 000K blackbody scene

5 結(jié)束語(yǔ)

由于大氣的紅外特征吸收譜線很窄，光譜間隔非常小，因此對(duì)大氣成分探測(cè)儀器的性能要求較高。本文對(duì)大氣成分探測(cè)需求進(jìn)行了分析，確定了大氣成分探測(cè)光譜儀采用傅里葉變換光譜技術(shù)?；诟道锶~變換光譜探測(cè)技術(shù)的大氣成分探測(cè)紅外光譜儀具有光譜分辨率高、光譜覆蓋范圍寬、測(cè)量信噪比高等特點(diǎn)，可以滿足大氣成分探測(cè)的需求。在此基礎(chǔ)上確定了以改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀核心模塊的基本方案，并進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)影響因素分析，確定該方案能夠滿足指標(biāo)要求。通過對(duì)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，證明該樣機(jī)的光譜分辨率、信噪比等指標(biāo)與理論設(shè)計(jì)分析結(jié)果較為接近，達(dá)到或優(yōu)于系統(tǒng)指標(biāo)需求。該樣機(jī)是基于星載太陽(yáng)掩星探測(cè)模式所研制的超高光譜分辨率傅里葉變換紅外光譜儀，其核心干涉儀模塊對(duì)于臨邊和天底角觀測(cè)模式的大氣成分探測(cè)儀器也有一定的借鑒意義。

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