基于0級數(shù)據(jù)的星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀在軌衰變監(jiān)測

蘇靜明，趙敏杰，周海金，楊東上,2，洪 炎，司福祺*

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(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室，安徽 合肥 230031 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026 3.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

引 言

衛(wèi)星光學(xué)儀器在軌運(yùn)行期間，受空間環(huán)境中太陽紫外輻射和原子氧剝蝕、空間輻射等影響，元器件在軌性能可能會發(fā)生衰變，這種衰變會改變原始光譜的形狀、大小，進(jìn)而對光譜定標(biāo)、輻射定標(biāo)精度產(chǎn)生影響，隨著時間的推移這種影響會越來越大，最終影響L1b數(shù)據(jù)產(chǎn)品和反演數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。2018年5月，我國自主研發(fā)的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(environmental trace gases monitoring instrument,EMI)載荷搭載于高分五號衛(wèi)星(GF-5)發(fā)射升空。為監(jiān)測EMI運(yùn)行狀況，提高載荷數(shù)據(jù)有效性、可靠性，需要不間斷地監(jiān)測載荷在軌衰變并及時進(jìn)行校正。

搭載于歐空局RSR-2衛(wèi)星的全球臭氧監(jiān)測儀(global ozone monitoring experiment，GOME)[1]，利用每日太陽光譜測量監(jiān)測光學(xué)儀器性能在軌衰變；中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)安裝了比輻射計監(jiān)測太陽反射板BRDF(bi-directional reflectance distribution function)的在軌衰變，通過對太陽漫反射板定標(biāo)衰變系數(shù)矩陣進(jìn)行查表來完成衰變校正[2]。臭氧監(jiān)測儀(ozone monitoring instrument，OMI)趨勢監(jiān)測和定標(biāo)系統(tǒng)TMCF通過分析儀器各項衰變參數(shù)，完成在軌性能衰變校正[3]。針對EMI載荷在軌運(yùn)行參數(shù)，Zhao等對EMI發(fā)射前定標(biāo)和第一年在軌定標(biāo)進(jìn)行了分析[4]。

本文利用EMI在軌運(yùn)行期間獲取的對地光譜、經(jīng)漫反射板測量的太陽光譜、內(nèi)置白光源監(jiān)測數(shù)據(jù)等0級數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)射前實驗室測量的EMI器件性能及定標(biāo)參數(shù)，對載荷中CCD探測器及漫反射板等關(guān)鍵光學(xué)器件在軌衰變進(jìn)行監(jiān)測，這為EMI載荷能夠長期、高質(zhì)量運(yùn)行提供保障。

1 實驗部分

高分五號衛(wèi)星(GF-5)是高光譜光學(xué)遙感衛(wèi)星，設(shè)計為太陽同步軌道，軌道高度約705 km。其載荷EMI是4通道背照式幀轉(zhuǎn)移面陣CCD探測器成像光譜儀，探測波長范圍240～710 nm，光譜分辨率0.3～0.5 nm，載荷在軌對地觀測中，以天底推掃方式實現(xiàn)穿軌方向上的114°和飛行方向上的0.5°的瞬時視場，可以實現(xiàn)一天全球覆蓋。

EMI采用4臺帶有二維電荷耦合器件探測器的光柵成像光譜儀，紫外通道選用紫外增強(qiáng)型幀轉(zhuǎn)移CCD47-20探測器，可見通道選用深勢阱型幀轉(zhuǎn)移CCD55-30探測器，EMI光學(xué)路徑如圖1所示。

圖1 EMI光學(xué)路徑示意圖Fig.1 EMI optical layout

測量太陽光譜時，EMI在星下點(diǎn)出陰影時打開太陽擋板，太陽光通過太陽網(wǎng)格(透射10%)進(jìn)入儀器，分別經(jīng)過備用漫反射板(reference solar diffuser，RSD，40 mm×16 mm)或者石英漫反射板(quartz volume diffuser，QVD，40 mm×16 mm×6 mm)反射到望遠(yuǎn)鏡的折疊鏡到達(dá)光譜儀。在這個位置的折疊鏡阻擋了來自主鏡的地球輻射。測量對地輻射光譜時，地球散射光經(jīng)主副反射鏡和偏振擾頻器反射到入口的狹縫中，再經(jīng)中繼反射鏡將入射光反射到分色濾光片上，最后通過紫外透鏡和可見光透鏡在光譜儀上成像。暗背景噪聲是在星下點(diǎn)黑夜時光譜儀測量的地球散射光。載荷在星下點(diǎn)黑夜區(qū)進(jìn)行內(nèi)部白光源自檢，白光源通過透射漫反射板照亮折疊鏡，到達(dá)光譜儀。

2 結(jié)果與討論

EMI光機(jī)頭部至衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采用LVDS傳輸格式，其在軌衰變分析是以0級數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挖掘元件性能衰變特征并建模，在0級到1級數(shù)據(jù)處理中插入衰變校正算法，實現(xiàn)在軌光譜和輻射準(zhǔn)確定標(biāo)。

2.1 載荷溫度監(jiān)測

EMI面陣CCD探測器溫控單元通過PID控制內(nèi)部制冷器來穩(wěn)定光學(xué)平臺的溫度，降低溫度變化對波長定標(biāo)和CCD暗背景噪聲的影響。為了去除載荷內(nèi)部水汽和揮發(fā)物，2018年5月對載荷進(jìn)行加熱去污處理，自2018年6月后，載荷光學(xué)平臺溫度穩(wěn)定性較好，UV1溫度維持在-18.62 ℃，UV2溫度維持在-17.97 ℃，VIS1和VIS2溫度穩(wěn)定在10.63 ℃。儀器溫度穩(wěn)定，對載荷測量數(shù)據(jù)影響可忽略。各通道CCD探測器溫度變化如圖2所示。

圖2 CCD探測器溫度變化Fig.2 Temperature variation of CCD detector

2.2 CCD探測器暗背景噪聲監(jiān)測

EMI載荷雖然在外部設(shè)計了鋁板屏蔽，來自空間環(huán)境的質(zhì)子仍然會對CCD探測器造成損傷。通過對每軌星下點(diǎn)黑暗區(qū)進(jìn)行暗背景測量，可實現(xiàn)CCD暗背景噪聲監(jiān)測。圖3所示為EMI在2019年6月3日5682軌4binning模式測量得到的UV1，UV2，VIS1和VIS2通道暗背景圖像，積分時間分別為0.5，2，0.5和2 s。各通道暗背景DN(digital number)值分布均勻，極少量像素點(diǎn)受到太空粒子的輻射，成為響應(yīng)值大于均值的熱點(diǎn)。

圖3 CCD探測器暗背景噪聲Fig.3 Dark background noise of CCD detector

(1)

(2)

式中，m和n分別為CCD成像面的行數(shù)和列數(shù)(4binning模式下，紫外通道CCD47-20,258行×1 072列，可見通道CCD55-30,144行×1 286列)，pi,j是每個像素的DN值。

圖4(a)所示為各通道暗背景均值變化，從第600軌到第10 060軌，暗背景均值基本成線性遞增趨勢，各通道暗背景均值年增加率約0.25%～1%。圖4(b)所示各通道暗背景標(biāo)準(zhǔn)差整體穩(wěn)定，震蕩幅度在1.5%以內(nèi)。由于EMI在每個軌道的暗背景信號可在0-1級數(shù)據(jù)處理中扣除，有效消除暗背景噪聲的增大對2級反演的負(fù)面影響。

圖4 暗背景均值及標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(a)：暗背景均值變化趨勢；(b)：暗背景標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢Fig. 4 Trend of mean and std. Deviation of dark background(a)：Trend of mean of dark background；(b):Trend of Std.Deviation of dark background

2.3 在軌狹縫函數(shù)監(jiān)測

儀器響應(yīng)函數(shù)(instrument spectral response function，ISRF)是波長定標(biāo)和大氣痕量氣體反演中一個關(guān)鍵量[5]。使用EMI在軌測量的0級太陽譜定標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合地面實驗室測試得到的ISRF參數(shù)[6-7]，完成ISRF在軌參數(shù)的反演運(yùn)算和實時更新。圖5所示為EMI測量的中間行0級太陽光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖5 EMI中間行太陽光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.5 Solar spectrum in center field of view of EMI

由發(fā)射前實驗室分析，其狹縫函數(shù)可用二階高斯函數(shù)模型表示，如式(3)所示。

(3)

式(3)中，λ是像素波長,λ0為峰值對應(yīng)中心波長,σ為儀器狹縫函數(shù)半高寬，A為儀器狹縫函數(shù)擬合系數(shù)。將高分辨的太陽參考光譜SAO2010[8]Srefer(λ)和EMI狹縫函數(shù)ISRFEMI(λi)在設(shè)定監(jiān)測光譜窗口內(nèi)卷積，如式(4)所示

Sfit(λi)=Srefer(λ)?ISRFEMI(λi)

(4)

式(4)中，λi指光譜儀第i個像素點(diǎn)波長。Sfit(λi)是在EMI各像素點(diǎn)波長抽樣值。再計算實際測量太陽譜Smeas(λi)和理論擬合參考太陽譜Sfit(λi)的殘差χ，如式(5)所示。

(5)

式(5)中，N表示CCD每行測量太陽光譜的像素點(diǎn)數(shù)。在χ最低時，得到最佳擬合參數(shù)ISRFEMI。EMI在軌ISRF參數(shù)變化如表1所示。

表1 EMI在軌ISRF參數(shù)Table 1 On-orbit ISRF parameters

EMI在軌ISRF參數(shù)變化相對平穩(wěn)，變化幅度約為2.3%。定期計算在軌ISRF數(shù)值，在反演痕量氣體數(shù)據(jù)時使用實時更新的ISRF參數(shù)可以保障二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4 白光源在軌衰變監(jiān)測

EMI內(nèi)部白光源采用石英鹵鎢素?zé)?QTH，6 V，10 W)監(jiān)測CCD像素性能和輻射通量。QTH監(jiān)測光路中，白光經(jīng)漫透射板(TD)和折疊鏡(FM)到達(dá)主光路。由于QTH是高度穩(wěn)定的，漫透射板設(shè)計了足夠的保護(hù)免受污染和宇宙輻射，QTH信號變化也可以部分反映太陽光路衰變。UV2和VIS1 對QTH的響應(yīng)如圖6所示。

圖6為UV2和VIS1通道EMI中心視場測量得到的QTH響應(yīng)。2018/05/28，2018/12/24，2019/05/21的QTH光譜輻射通量數(shù)據(jù)表明，QTH監(jiān)測光路在軌響應(yīng)兩年衰變小于1%。由于主鏡(PM)的材料與FM相同，由此可以推斷在地球太陽光譜測量中輻射通量衰變較小。

2.5 漫反射板在軌衰變監(jiān)測及校正因子

EMI使用石英漫反射板測量得到的太陽光譜，完成在軌光譜和輻射定標(biāo)。圖7是EMI通過QVD于2018/12/16測量的3221軌0級全視場太陽光譜圖，水平和垂直方向分別是光譜維和空間維。

圖7 EMI太陽光譜Fig.7 Raw irradiance of EMI

為了濾除太陽光路其他元件的變化，基于備用鋁漫反射板(RSD)保護(hù)良好，衰變很小，可以采用石英漫反射板(QVD)與RSD的相對值估算石英漫反射板衰變情況，再對太陽光譜輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正[9]。

QVD與RSD太陽譜的相對響應(yīng)計算如式(6)所示

(6)

式(6)中，ΔB(t)為t時刻太陽光譜相對響應(yīng)，B(t=0)從地面測試中得到，DNQVD(t)和DNRSD(t)是分別經(jīng)QVD和RSD得到的太陽光譜DN值，Isun是測量得到的太陽光譜，τ為太陽光路光學(xué)系統(tǒng)透過率，ηi,j是探測像元i行j列的響應(yīng)系數(shù)。

由于盡量減少了RSD暴露時間，最小化了潛在的衰變，因此可假設(shè)BRDFRSD(t)不隨時間t變化。如果BRDFRSD(t)在EMI任務(wù)壽命期間是恒定的，則其變化ΔB(t)僅由QVD衰變引起。對衰變曲線進(jìn)行三階多項式擬合，去除殘存的太陽譜夫瑯禾費(fèi)線結(jié)構(gòu)，得到衰變校正因子α(t)，如式(7)所示

α(t)=ΔB(t)BRDFRSD(t)

(7)

式(7)中，ΔB(t)是隨著時間變化的相對衰變。α(t=0)是在發(fā)射前實驗室測定的預(yù)設(shè)值，衰變校正因子α(t)應(yīng)用于校正0到1級輻照度輻射定標(biāo)系數(shù)。

圖8中黑線ΔB(t=two years)所示為QVD在軌兩年來相對衰變，利用三階多項式擬合，得到衰變校正因子α(t=two years)如紅線所示。結(jié)果表明，UV2通道的QVD年衰變率小于1.75%，VIS1通道的年衰變率小于1%，VIS2通道的年衰變率小于0.2%。將計算的QVD衰變校正因子作為L1b數(shù)據(jù)處理器的輸入，可對太陽光譜輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正。

圖8 漫反射板相對衰變及校正示意圖Fig.8 Diagram of relative degradation and correction factors for diffuse reflector

3 結(jié) 論

以EMI在軌測量的0級數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對入軌兩年來的EMI儀器各項指標(biāo)進(jìn)行衰變監(jiān)測。結(jié)果表明，儀器溫度基本保持穩(wěn)定，暗背景噪聲均值年增幅度在1%以內(nèi)，在軌載荷ISRF函數(shù)值平穩(wěn)，變化幅度在2.3%以內(nèi)，實時更新ISRF函數(shù)參數(shù)，可有效降低其對二級反演結(jié)果的影響，主光路的前兩年響應(yīng)變化幅度小于1%，太陽光路的年衰變率分別小于1.75% (UV2)，1% (VIS1)，0.2% (VIS2)，引入衰變校正因子，可有效校正太陽光譜輻射定標(biāo)系數(shù)，為Llb數(shù)據(jù)處理提供了關(guān)鍵參數(shù)，也為監(jiān)測EMI在軌性能提供了必要的信息。