星載EMI在軌光譜定標(biāo)方法研究

王歆遠,司福祺,趙敏杰,周海金,江宇,汪世美

(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

星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)搭載于高分五號衛(wèi)星,于2018年5月9日成功發(fā)射,可用于獲取紫外可見波段的高光譜遙感數(shù)據(jù),以及定量監(jiān)測全球痕量氣體的變化、分布、及運輸過程[1]。EMI與已發(fā)射的GOME-2、OMI和TROPOMI類似,是一種差分吸收光譜儀(DOAS),其包含四個光譜通道,即紫外1(UV1:240～315 nm)、紫外 2(UV2:311～403 nm)通道及可見 1(VIS1:401～550 nm)、可見 2(VIS2:545～710 nm)通道,覆蓋了240～710 nm的光譜范圍,其光譜分辨率為0.3～0.5 nm,光譜定標(biāo)精度優(yōu)于0.05 nm。在紫外通道上,其空間維上包含1024個傳感器,光譜維上包含1072個傳感器;可見通道上,其空間維上包含576個傳感器,光譜維上包含1286個傳感器。其中空間維上不同的探測器對應(yīng)不同的視場角,通常以“行”區(qū)分,中心行即為天底觀測,邊緣行分別對應(yīng)±57°視場角,其天底空間分辨率在紫外通道為13 km×8 km,可見通道為13 km×12 km(空間維合并行數(shù)為4行)。此外,EMI從南極移動向北極會包含1471幅圖像。

載荷在發(fā)射升空后,會受到諸多因素影響,例如溫度、壓強以及震動等,探測器中心波長會產(chǎn)生波長漂移現(xiàn)象,光譜分辨率也會發(fā)生變化。并且,由于光譜儀空間維方向上探測視場較大,被測目標(biāo)成像于探測器焦平面時,會產(chǎn)生光譜彎曲現(xiàn)象,因此需要對其在軌光譜性能進行分析[2]。星上光譜定標(biāo)方法主要分為以下兩種:一是裝配具有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射線的標(biāo)準(zhǔn)燈,通過標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)射線位置的變化來確定儀器的波長漂移。采用這種方法的有GOME以及FY-3紫外臭氧總量光譜儀等。第二種是在定標(biāo)時,在光路中添加已知吸收線位置的標(biāo)準(zhǔn)濾光片,測量吸收線峰值位置的變化,進而實現(xiàn)光譜定標(biāo)。上述兩種方法均存在一定的局限性:方法一由于載荷在軌運行期間所裝配的標(biāo)準(zhǔn)燈需要一定的點燃功耗,并且標(biāo)準(zhǔn)燈所能覆蓋的光譜范圍較小,滿足不了大光譜范圍、高光譜分辨率定標(biāo)的要求。而如果采用多種覆蓋不同光譜范圍的標(biāo)準(zhǔn)燈,則需要轉(zhuǎn)動機構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)燈進行轉(zhuǎn)換,進一步增大了對衛(wèi)星資源的需求且降低了其可靠性。方法二需要轉(zhuǎn)動機構(gòu)將濾光片移入、移出光路中,對轉(zhuǎn)動機構(gòu)的精密性要求較高,另外對濾光片的帶寬也有一定要求。而近年來國外常用的星上定標(biāo)方法為通過太陽Fraunhofer線對測量譜線進行全視場定標(biāo),利用太陽固有的特征譜線為標(biāo)準(zhǔn),減少了機械結(jié)構(gòu)的影響[3]。

本文對星上光譜性能定標(biāo)分析研究主要包括光譜范圍選取、空間維光譜彎曲量確定以及光譜分辨率變化分析。其中光譜范圍選取采用太陽Fraunhofer線作為標(biāo)準(zhǔn)吸收線,完成特征峰-像元配對,并進行多項式擬合得到光譜定標(biāo)系數(shù)[4];采用譜線匹配方法,以Pearson系數(shù)作為匹配結(jié)果判定,獲取空間維的光譜彎曲值;采用光譜擬合法,將測量譜和高分辨率太陽標(biāo)準(zhǔn)譜擬合,基于擬合結(jié)果分析光譜分辨率的變化情況。

1 光譜定標(biāo)算法

1.1 光譜探測范圍的選取:尋峰法

大氣痕量氣體差分吸收光譜儀光譜定標(biāo)方程模型可以定義為

式中:λi,j為面陣探測器像元的中心波長,i為光譜維像元號,j為空間維行號;Ck,j為第j行的波長定標(biāo)多項式系數(shù),此處選取二階多項式擬合求解光譜定標(biāo)方程中的Ck,j[5]。在EMI的波長定標(biāo)過程中,四個通道各選取了四個太陽光譜Fraunhofer特征點,如圖1所示,圖中數(shù)字表示的點即為各個通道所選取的Fraunhofer參考點。

圖1 EMI中心視場原始太陽光譜。(a)UV1通道;(b)UV2通道;(c)VIS1通道;(d)VIS2通道Fig.1 Raw solar spectrum in EMI CFOV.(a)UV1,(b)UV2,(c)VIS1,(d)VIS2

表1為四個通道各自選取的Fraunhofer參考點的標(biāo)準(zhǔn)波長值,其數(shù)據(jù)來自于SAO2010太陽輻照度參考譜。每個通道選取四個點,每個點像元DN值都是附近少數(shù)像元DN值中的最小值,由此找尋各空間維Fraunhofer特征峰所對應(yīng)的像元號。再進行二階多項式擬合,得到各個空間維每行的光譜定標(biāo)系數(shù),將光譜維像元號代入光譜定標(biāo)方程即可得到每個像元所對應(yīng)的光譜波長。

表1 EMI波長定標(biāo)所使用的Fraunhofer線Table 1 Fraunhofer lines used for EMI wavelength calibration

EMI中心視場在軌光譜定標(biāo)多項式擬合結(jié)果如圖2所示,基于此獲取到的光譜范圍如表2所示。

圖2 EMI四個通道UV1(a)、UV2(b)、VIS1(c)、VIS2(d)在軌光譜定標(biāo)多項式擬合結(jié)果Fig.2 On-orbit polynomial fit results of UV1(a),UV2(b),VIS1(c)and VIS2(d)channels of EMI wavelength calibration

表2 EMI波長定標(biāo)光譜范圍Table 2 Spectral range for EMI wavelength calibration

1.2 光譜彎曲值的獲取:譜線匹配法

空間維方向上邊緣視場像元的波長值相較于中心視場像元的波長值存在規(guī)律性的偏移,進而導(dǎo)致全視場的光譜在空間維方向上存在彎曲的現(xiàn)象稱為光譜彎曲(Smile)現(xiàn)象[6]。光譜彎曲現(xiàn)象嚴(yán)重影響了目標(biāo)像在面陣探測器焦平面上的定位,導(dǎo)致在軌遙感數(shù)據(jù)的精度大大降低,因此需要在光譜儀空間維度進行光譜定標(biāo),以此得出探測器上每個探測像元的實際中心波長。由于Fraunhofer線在大氣譜線中的位置固定,且EMI的分辨率較高,常見的Fraunhofer線EMI皆可分辨出,因此可以選擇特定的Fraunhofer線進行譜線匹配從而完成光譜定標(biāo)。如圖3所示為EMI測量的大氣光譜圖像,圖中彎曲黑線部分即為Fraunhofer吸收線,縱向為空間維,橫向為光譜維,由圖可明顯看出在空間維方向上存在光譜彎曲現(xiàn)象。

圖3 EMI測量的大氣光譜圖像Fig.3 Atmospheric spectrum image measured by EMI

選取兩條Fraunhofer線進行處理,以儀器中心視場的Fraunhofer吸收線作為參考譜線,光譜匹配范圍設(shè)為3 nm,匹配步長為0.02 nm,在選定的光譜范圍內(nèi)將測量譜線與參考譜按照選定步長進行匹配,得出每個步長下的匹配結(jié)果即兩譜線之間的相關(guān)系數(shù),將相關(guān)系數(shù)最大處的匹配步長作為該空間維視場上的偏移值。對每個空間維視場進行譜線匹配即可得到整體的光譜彎曲值,進而完成光譜定標(biāo)。

該方法中采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對匹配結(jié)果是否為最優(yōu)進行判定,相關(guān)系數(shù)ρpearson計算公式[7]為

式中:SM(λi)為測量譜線DN值,SR(λi)為參考譜線DN值,N為所選譜線的采樣點數(shù)。ρpearson范圍為0～1,值越大則相關(guān)性越高,匹配結(jié)果越優(yōu)。

EMI四個通道儀器光譜彎曲值如圖4所示,橫軸為CCD空間維像元號,縱軸為光譜相對參考譜偏移量,正值表示光譜向短波方向偏移。由結(jié)果可知,儀器四個通道邊緣視場相對于中心視場最大光譜彎曲值分別為1.43、2.04、1.41、1.27 nm,四通道各空間維匹配結(jié)果相關(guān)系數(shù)均高于0.96。

圖4 四個通道UV1(a)、UV2(b)、VIS1(c)、VIS2(d)譜線匹配結(jié)果光譜彎曲值Fig.4 Spectral smile values of UV1(a),UV2(b),VIS1(c)and VIS2(d)channels from spectrum-matching

1.3 光譜分辨率分析:光譜擬合法

通常,將完整的校準(zhǔn)間隔分為多個子窗口,并根據(jù)以下公式在每個子窗口中進行擬合過程,以獲取校準(zhǔn)的波長。

式中:I0是輻照度測量值;L為EMI狹縫函數(shù)所擬合的半高寬(FWHM),即光譜分辨率,也被稱作狹縫函數(shù)參數(shù)(SFP);Is是太陽光譜輻照度值;α是波長偏移;β是波長拉伸(β>0)或壓縮(β<0)值;λc是子窗口的中心波長。

為了分析EMI的光譜分辨率,即SFP,選取312～356 nm的四個子窗口以及405～465 nm的五個子窗口進行光譜擬合,擬合類型選擇高斯擬合。UV2通道的SFP如圖5所示,顯示的是2019年1月7日一天內(nèi)中間軌道號處中間幅圖像SFP在空間維上不同行的變化圖?？梢钥闯?SFP關(guān)于行變化有極強的相關(guān)性,呈現(xiàn)一個“W”的形狀,即邊緣行以及中心行值偏大。其不同軌最大最小值詳見表3,SFP變化幅值為0.2076 nm。

圖5 EMI UV2通道3549軌狹縫函數(shù)參數(shù)行變化情況Fig.5 Slit function parameters of orbit 3549 from UV2 band of EMI as a function of row

表3 EMI UV2通道3549軌SFP數(shù)據(jù)Table 3 Statistics of SFP of orbit 3549 from UV2 band of EMI

UV2通道的同軌同一行SFP即光譜分辨率變化如圖6所示,顯示的是于2019年1月7日一天內(nèi)同軌邊緣行與中心行SFP變化?？梢钥闯?同軌同一行的SFP沒有過多變化。其SFP最大最小值以及標(biāo)準(zhǔn)差值詳見表4。

圖6 EMI UV2通道3544軌狹縫函數(shù)參數(shù)關(guān)于圖像序號變化情況Fig.6 Slit function parameters of different pictures of orbit 3544 from UV2 band of EMI

表4 EMI UV2通道不同行SFP數(shù)據(jù)Table 4 Statistics of SFP of different rows from UV2 band of EMI

圖7所示為2019年1月7日UV2通道所測量的全天SFP,由圖可知每軌SFP在空間維每行變化一致。

圖7 2019年1月7日全天連續(xù)15軌UV2通道所測量的SFPFig.7 SFP of 15 consecutive orbits measured by UV2 band on January 7,2019

VIS1通道的SFP即光譜分辨率如圖8所示,顯示的是于2019年1月7日一天內(nèi)中間軌道號處中間幅圖像SFP在空間維上不同行的變化圖?？梢钥闯?SFP關(guān)于行變化整體呈下降趨勢,中心行左右在0.4 nm處波動,末尾邊緣行回升。其不同軌最大最小值詳見表5,其SFP變化幅值為0.1950 nm。

圖8 EMI VIS1通道3549軌SFP行變化情況Fig.8 SFP of orbit 3549 from VIS1 band of EMI as a function of row

表5 EMI VIS1通道3549軌SFP數(shù)據(jù)Table 5 Statistics of SFP of orbit 3549 from VIS1 band of EMI

VIS1通道的同軌同一行SFP即光譜分辨率變化如圖9所示,顯示的是于2019年1月7日一天內(nèi)同軌邊緣行與中心行SFP變化?？梢钥闯?同軌同一行的SFP沒有過多變化。其SFP最大最小值以及標(biāo)準(zhǔn)差值詳見表6。

圖9 EMI VIS1通道3549軌狹縫函數(shù)參數(shù)關(guān)于圖像序號變化情況Fig.9 Slit function parameters of different pictures of orbit 3549 from VIS1 band of EMI

表6 EMI VIS1通道不同行SFP數(shù)據(jù)Table 6 Statistics of SFP of different rows from VIS1 band of EMI

圖10所示為2019年1月7日VIS1通道所測量的全天SFP,由圖可知每軌SFP在空間維每行變化一致。

圖10 2019年1月7日全天連續(xù)15軌VIS1通道所測量的SFPFig.10 SFP of 15 consecutive orbits measured by VIS1 band on January 7,2019

2 結(jié)論

討論的星上定標(biāo)方法區(qū)別于常用的定標(biāo)方法,通過對空間維度中心行進行精確光譜定標(biāo)得到其光譜范圍,再由譜線匹配法擴展到其余空間維行上,得到全視場光譜彎曲值,以及高精度定標(biāo)光譜,其擬合相關(guān)度均高于0.96,匹配步長0.02 nm高于精度設(shè)計要求0.05 nm。該方法避免了對空間維每行均進行高精度光譜定標(biāo),提高了光譜定標(biāo)效率。光譜擬合法通過與太陽光譜擬合,可得出不同軌光譜分辨率的變化情況,其標(biāo)準(zhǔn)差值均高于0.01,對之后儀器在長時間運作或受到干擾情況下的性能衰變分析具有重要意義。