紫外高光譜探測儀實驗室輻照度定標(biāo)研究

冀春延,趙敏杰,周海金,司福祺,劉建國

(1中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所,中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230036)

0 引言

紫外高光譜探測儀在光路設(shè)計上包含地球觀測光路(主光路)和太陽定標(biāo)光路(定標(biāo)光路),其中地球觀測光路用于獲取地球大氣散射光光譜,太陽定標(biāo)光路用于獲取太陽參考譜,并經(jīng)過反演得到地球大氣污染物信息。因此太陽參考譜的定標(biāo)精度決定了氣體反演精度,需要在實驗室完成定標(biāo)光路的絕對輻照度定標(biāo)[1,2]。

實驗室輻照度定標(biāo)常采用直接平行光定標(biāo)法、間接平行光標(biāo)定法以及直接發(fā)散光標(biāo)定法[3]。美國航空航天局研制的太陽后向散射紫外探測儀(SBUV),定標(biāo)時標(biāo)準(zhǔn)燈置于球面反射鏡焦點,產(chǎn)生平行光源直接輻照儀器漫反射板,從而標(biāo)定輻照度響應(yīng)度,稱為直接平行光定標(biāo)法,該方法較難實現(xiàn),并且最終引入了5.6%的絕對定標(biāo)不確定度[4];中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研制的空間紫外遙感儀器(SURSI)采用了間接平行光方式標(biāo)定,氙燈位于離軸拋物面鏡焦點處,產(chǎn)生的平行光經(jīng)熔石英窗口輻照自身的漫反射板[5];歐洲航天局研制的對流層監(jiān)測儀(TROPOMI)以及臭氧檢測儀器(OMI)等采用直接發(fā)散光標(biāo)定輻照度,選用標(biāo)定后的鹵鎢燈直接對載荷內(nèi)部的漫射板照射,實現(xiàn)輻照度定標(biāo)[6?8]。三種方法相比,直接發(fā)散光定標(biāo)引入更小的不確定度,且定標(biāo)快捷容易實現(xiàn)。

本研究采用直接發(fā)散光標(biāo)定法對紫外高光譜大氣成分探測儀進行實驗室輻照度定標(biāo),通過搭建定標(biāo)平臺對其定標(biāo)光路全視場進行測量,確立了輻照度定標(biāo)系數(shù),并且對俯仰角、方位角等因素完成校正,對定標(biāo)過程引入的不確定度進行了分析。

1 輻照度定標(biāo)方法

紫外高光譜探測儀是基于二維面陣CCD陣列的遙感探測設(shè)備,一維用于記錄太陽和大氣輻射的光譜信息(光譜維),另一維用于記錄輻射的空間分布信息(空間維)。圖1為定標(biāo)光路結(jié)構(gòu)圖。定標(biāo)光路工作時,太陽擋板旋轉(zhuǎn)一定角度,太陽光經(jīng)過太陽窗口照射到安裝在漫射板旋轉(zhuǎn)座上的石英漫反射板或聚四氟乙烯漫反射板,經(jīng)漫射板反射后,漫射光經(jīng)光路切換凹面鏡匯聚,依次到達望遠(yuǎn)鏡次鏡表面、狹縫,最終分光后進入光譜儀。

圖1 定標(biāo)光路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Calibration light path structure

定標(biāo)光路需要在地面完成輻照度響應(yīng)度定標(biāo),獲得的輻照度定標(biāo)系數(shù)將對日觀測采集到的原始灰度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為太陽參考譜,結(jié)合主光路對地觀測所獲得的測量譜,借助差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)實現(xiàn)對大氣痕量氣體的反演。采用直接發(fā)散光方式定標(biāo),紫外高光譜探測儀輻照度響應(yīng)度計算公式為

式中:Ec(λ)為修正后的輻照度值;V(λ)為儀器的響應(yīng)值;Ea(λ)為修正前的輻照度值;εc為輻照度修正因子,與入射角等因素有關(guān)。

搭建的輻照度定標(biāo)平臺如圖2所示。定標(biāo)裝置包括高精度二維轉(zhuǎn)臺、1000 W標(biāo)準(zhǔn)燈、機械導(dǎo)軌等,紫外高光譜探測儀放置在轉(zhuǎn)臺中心。實驗通過激光器調(diào)整光源中心與漫射板的位置:將激光器平行放置于定標(biāo)燈后,激光經(jīng)過定標(biāo)光源中心照射在漫反射板,通過激光器和定標(biāo)燈的上下調(diào)整,確保光源中心和漫射板中心高度一致。二維轉(zhuǎn)臺可進行水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動,其中旋轉(zhuǎn)角度以圖中旋轉(zhuǎn)方向為正,實現(xiàn)定標(biāo)光源不同角度的入射。定標(biāo)燈放置于機械導(dǎo)軌上,機械導(dǎo)軌可通過輸入?yún)?shù)調(diào)整定標(biāo)燈與光譜儀之間的距離,來改變進入太陽窗口的輻照度。實驗中調(diào)整合適的距離,保證定標(biāo)燈入射光充滿整個視場,使光譜儀響應(yīng)具有較高的信噪比,其中定標(biāo)燈到漫射板的初始距離由激光測距儀確定。平臺搭建完成后采取控制變量法進行測試,采集不同角度、距離下的載荷響應(yīng)以及暗背景,對數(shù)據(jù)進行分析,具體測試參數(shù)如表1所示。

圖2 輻照度定標(biāo)平臺Fig.2 Irradiance calibration platform

表1 輻照度定標(biāo)實驗測試參數(shù)Table 1 Irradiance calibration test parameters

2 輻照度定標(biāo)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

2.1 輻照度定標(biāo)數(shù)據(jù)

定標(biāo)光路裝配石英(QVD)漫反射板和聚四氟乙烯(F4)漫反射板,測試時通過地面測試系統(tǒng)切換到定標(biāo)光路測試模式,并在系統(tǒng)中控制漫反射板的切換,根據(jù)表1的測試參數(shù),對兩板分別進行標(biāo)準(zhǔn)燈測試,實現(xiàn)輻照度定標(biāo),圖3為QVD和F4漫射板對應(yīng)的儀器采集光譜圖。

圖3 儀器采集光譜圖。(a)石英漫反射板;(b)聚四氟乙烯漫反射板Fig.3 Instrument acquisition spectrum.(a)QVD diffuser,(b)F4 diffuser

對獲得到的原始數(shù)據(jù)進行暗背景扣除,即可得到有效視場內(nèi)的光譜結(jié)果,用于后續(xù)的分析計算。圖4為在俯仰角0°、方位角13°、扣除暗背景后紫外2(UV2)和可見1(VIS1)通道三組入射距離30、40、50 cm下的中心視場光譜,其中入射距離均為激光測距儀測得的標(biāo)準(zhǔn)燈到漫射板中心的距離。由圖可知,光譜測試結(jié)果平滑、完整。

圖4 中心視場光譜。(a)UV2;(b)VIS1Fig.4 Spectrum of the central field of view.(a)UV2,(b)VIS1

2.2 輻照度的影響因素

輻照度響應(yīng)與入射角度有關(guān),包括方位角和俯仰角。直接發(fā)散光在空間輻射存在不均一性;標(biāo)準(zhǔn)燈照亮漫反射板形成面光源,隨著入射角度的變化,入射光在漫反射板形成的不均一面光源發(fā)生改變,探測器的響應(yīng)也隨之變化。此外,輻照度響應(yīng)與CCD自身的空間維和光譜維響應(yīng)相關(guān)[9?13]。

實驗測試中,三個入射距離為30、40、50 cm。紫外高光譜探測儀內(nèi)置的QVD漫射板和F4漫射板尺寸均為橫向46 mm、縱向5 mm,由于縱向?qū)挾认鄬τ跈M向?qū)挾容^窄,對于發(fā)散光源的空間分布影響較小,因此主要討論發(fā)散光在漫射板的橫向分布。在漫射板橫向分布上,輻照度隨著距離的增加以距離平方的反比而減小,標(biāo)準(zhǔn)燈到各點的實際距離與中心入射距離存在偏差。圖5給出了實驗測試的三組距離在四個方位角下的各空間維的偏差百分比示意圖。由圖5可知,同一方位角下對漫射板不均一性的影響隨著距離的增大逐漸減小。載荷測得的太陽方位角范圍由衛(wèi)星的軌道參數(shù)決定,在此范圍內(nèi)方位角對入射光在漫射板的橫向分布產(chǎn)生影響,使各點的偏差隨著方位角的變化而改變。三個入射距離下各空間維在各方位角的偏差如圖6所示,同一距離下偏差隨著方位角的增大而增大。

圖5 四個方位角13°(a)、20°(b)、25°(c)、30°(d)下各空間維的偏差百分比Fig.5 Offset of each spatial dimension under four azimuth of 13°(a),20°(b),25°(c)and 30°(d)

圖6 三個入射距離30 cm(a)、40 cm(b)、50 cm(c)下各空間維的偏差百分比Fig.6 Offset of each spatial dimension under three distance 30 cm(a),40 cm(b)and 50 cm(c)

2.3 輻照度定標(biāo)結(jié)果

將方位角因素修正后計算二維CCD上各像元點處的輻照度值,由于儀器各像元響應(yīng)的差異性,需要根據(jù)各像元的光譜響應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)燈的照度進行計算,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)燈到漫射板的實際距離計算響應(yīng)像元點對應(yīng)波長下的輻照度值。

利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)標(biāo)定的特定波長下的輻照度值,采用三次樣條插值法計算其他波長下的輻照度。三次樣條插值法計算結(jié)果穩(wěn)定、收斂性好,插值結(jié)果具有較高的光滑度[14,15]。以空間維100行為例,圖7為對實驗距離50 cm、方位角13°下校正后的UV2、VIS1、VIS2三個通道下的照度值,其中三角符號表示NIST給定的50 cm處的照度值。

圖7 NIST標(biāo)定的輻照度與校正后的插值結(jié)果對比。(a)紫外2;(b)可見1;(c)可見2Fig.7 Comparison of NIST-calibrated irradiance and corrected interpolation results.(a)UV2,(b)VIS1,(c)VIS2

2.4 輻照度定標(biāo)系數(shù)計算

對二維CCD探測器的每一個像元點計算修正后的三個距離30、40、50 cm處的照度值。用數(shù)組[Xl,i,j,Yl,i,j]表示響應(yīng)值與輻照度值組合,Xl,i,j代表不同距離下的像元響應(yīng)值,Yl,i,j為修正后的輻照度插值結(jié)果,下標(biāo)l表示為三個實驗距離,i代表行號,即空間維像元號,j代表列號,為光譜維像元號。建立輻照度定標(biāo)模型,采用最小二乘法對數(shù)據(jù)線性回歸分析求解輻照度定標(biāo)系數(shù)a、b,其計算公式為

選擇俯仰角5°、方位角20°下空間維85維、波長396.516 nm處的像元點為例,給出了UV2通道下對鹵鎢燈的線性回歸結(jié)果,定標(biāo)方程為

三個通道下的輻照度定標(biāo)系數(shù)a、b在空間維100維、俯仰角5°、方位角20°的有效視場內(nèi)的結(jié)果如圖8所示。

圖8 三個通道UV2、VIS1、VIS2下的輻照度定標(biāo)系數(shù)a(a)-(c)、b(d)-(f)Fig.8 Irradiance calibration coefficient results of three channels a(a)-(c)and b(d)-(f)

3 不確定度分析

紫外高光譜探測儀對于輻照度定標(biāo)過程中的偏差要求為小于5%,通過分析紫外高光譜探測儀的輻照度定標(biāo)過程,發(fā)現(xiàn)影響其定標(biāo)精度的因素主要來自于定標(biāo)燈的不穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)臺精度誤差、儀器響應(yīng)非穩(wěn)定性、光譜定標(biāo)不確定度以及回歸計算誤差。具體不確定度的主要來源分析如下:

1)定標(biāo)燈的輻照度不確定度:1000 W鹵鎢燈輻照度由NIST標(biāo)定,定標(biāo)過程的不確定度由證書給出,由于不同波長處的不確定度存在差異,通過平均處理確定每個通道下的不確定度,如紫外2通道下平均不確定度為2.5%。

2)實驗選用的二維轉(zhuǎn)臺由實驗室自主制造,其機械定位精度為0.01°,轉(zhuǎn)臺不確定度將會傳遞到輻照度修正中。

3)實驗過程中對同一測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)光源采集了多組數(shù)據(jù),設(shè)置CCD積分時間為0.4 s,連續(xù)采集100組數(shù)據(jù),對采集的數(shù)據(jù)進行均值處理,計算各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,得到儀器的響應(yīng)非穩(wěn)定性不確定度。非穩(wěn)定性不確定度δc的計算公式為:

式中:n為測試組數(shù),DNi為第i次的測量數(shù)據(jù),為測試期間的平均值,根據(jù)上式分別計算各角度的非穩(wěn)定不確定度,對于同一通道下的計算結(jié)果,各角度下的不確定度偏差在±0.2%以內(nèi)。

4)回歸計算不確定度在輻照度定標(biāo)系數(shù)計算過程中引入,由最小二乘法回歸分析引起。由回歸直線與標(biāo)準(zhǔn)值之差決定,采用殘差標(biāo)準(zhǔn)差來計算每個像元點不確定度,通過對每一個通道各個像元點的不確定度均值計算得到線性回歸不確定度。

對于以上不確定度進行合成,合成不確定度由各不確定度平方和開方得到,即誤差傳遞公式

式中:δa為定標(biāo)燈不確定度,δb為二維轉(zhuǎn)臺不確定度,δc為儀器響應(yīng)非穩(wěn)定性不確定度,δd為線性回歸不確定度。各通道不確定度分析如表2所示。

表2 不確定度結(jié)果Table 2 Uncertainty results

4 結(jié)論

研究了紫外高光譜探測儀的輻照度定標(biāo)技術(shù)。根據(jù)紫外高光譜探測儀的定標(biāo)結(jié)構(gòu)特點,選擇了直接發(fā)散光定標(biāo)方法,相應(yīng)建立了定標(biāo)平臺,對不同的角度、距離進行了多組測試,通過線性回歸分析計算其輻照度定標(biāo)方程,獲得了輻照度定標(biāo)系數(shù),同時完成了對方位角等因素的校正。分析討論了整個實驗過程中的各不確定度來源,最終計算得到的合成不確定度滿足定標(biāo)精度要求(5%以下)。輻照度定標(biāo)工作的完成為紫外高光譜探測儀的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持,不確定度分析為數(shù)據(jù)的可靠性提供了保障,輻照度定標(biāo)系數(shù)對于后續(xù)的在軌測試、太陽參考譜獲取等工作建立了工作基礎(chǔ)。