大气垂直探测仪光谱定标

　　1 引 言

　　大气垂直探测仪作为新型的航空航天遥感仪器将搭载于下一代三轴稳定卫星——风云四号气象卫星上。它是一种成像式的傅里叶变换光谱仪，利用地球表面和大气的红外辐射特性，在空间探测大气温度、湿度与成分的三维分布，探测臭氧总量、云、二氧化碳和水汽含量，是一种多通道光谱测量仪器。这种仪器将会为我国中期数值天气预报提供极有价值的气象资料，对于实现我国新一代气象卫星全球、全天候、三维、定量遥感目标具有重大的意义。与传统的光栅光谱仪和滤光片光谱仪相比，傅里叶变换光谱仪具有高通量、多同道、波数准确度高和高光谱分辨率等优点，是空间环境探测较为优越的光谱探测仪器。为了实现成像探测，仪器采用面阵探测器对多个视场进行并行探测。前人对辐射面源离轴效应对迈克尔逊干涉仪光谱线形的影响，干涉仪角反射镜非准直对谱线形状的变形，做了较为详尽的讨论。本文着重研究空间视场和面阵探测器对大气垂直探测仪光谱定标的影响。本文研究了离轴探测元位置变化对仪器线形函数的影响，通过几何位置和波数分布的关系，得到 ILS 的频率漂移和幅度的变化，并针对大气垂直探测仪面阵探测器结构，模拟ILS 线形，并将结果用于评价大气垂直探测仪的光谱标定，最终得出的光谱定标精度表明该仪器已达到设计要求。

　　2 仪器线形函数ILS

　　在傅里叶变换光谱学中，仪器线形函数ILS 定义为干涉仪系统对频率为 v0的单色光源的系统响应，主要决定于干涉仪动镜的运动范围(窗口截断)，同时也受到有限视场[3-4]、光学衍射和失准直[5]等因素的影响。

　　由于动镜运动的光程差有限，需要对干涉图进行矩形窗函数截断，截断窗函数的傅里叶变换为sinc 函数。根据傅里叶变换的特性：

　　探测元中心偏离干涉仪光轴的距离为 r，角度为θ，取探测元平面上一点dA，探测元所在像面的焦距为f，如图2 所示。离轴光线几何位置为

　　矩形探测器所接收到的光与矩形探测器对轴心张角成正比。矩形探测元对轴心张角 φ 分布与矩形四个顶点到轴心的半径相关。如图3 所示，(xc, yc)是矩形中心，A 和 B 是矩形探测元的半宽和半高，假设目标为朗伯体，则ILS 归一化强度则为该方形探测元所截取的干涉弧长与整个干涉环圆周长的比值，即φ/2π。

式中：rmin, rc1, rc2, rmax为矩形的四个顶点到原点的距离，其排列顺序为由小到大。

　　3 测试系统

　　大气垂直探测仪光谱测试系统如图4 所示，黑体的出射光阑在平行光管的焦点处，其后紧跟气体吸收池，经平行光管扩束后入射到大气垂直探测仪。由气体吸收法测得标准气体的吸收光谱，用于大气垂直探测仪的光谱定标。实验中使用的黑体为上海技术物理研究所生产的 HFY-200B 型黑体，其温度范围为室温+5℃~627℃，黑体空腔开口φ12mm，温度分辨率0.1℃。气体池为美国Reflex 公司生产的Teflon 红外光谱测试专用气体池，窗口材料为 ZnSe，通光孔径 25mm，有效吸收光程 10cm。实验室温度24±2℃，湿度38±1。