CO2探測儀1610 nm通道光譜儀的精細定焦

鄭成超，藺 超，王 龍，紀振華，鄭玉權*

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院研究生院，北京100039)

1 引言

二氧化碳等溫室氣體排放量的不斷增加導致地球大氣的溫室效應加劇，引起的極端氣候變化已經嚴重影響人類活動。美國和歐洲等國均開展了用于溫室氣體探測的紅外星載高光譜技術的研究［1］，已有多顆溫室氣體探測衛星進入運行軌道并發揮作用。典型探測衛星包括 IASI、SCAMACHY、TANSO、OCO 及其后續星 OCO-2［2-4］。其中NASA于2014年7月發射的OCO-2代表了國際碳觀測的最高水平。為了精確監測我國及全球CO2排放及變化狀態，在國家863計劃支持下，中國科學院長春光機所開展了高光譜與高空間分辨率CO2探測儀的研究工作，并計劃于2016年實現在軌觀測。

CO2探測儀采用大氣差分吸收光譜探測原理，即利用氣體分子的窄帶吸收光譜反演痕量氣體的濃度。要保證CO2濃度的反演精度，就必須精確測定出溫室氣體的吸收譜線及其強度變化。其中接收該吸收譜線的面陣探測器的精準裝調將是保證反演精度的關鍵。由于探測儀要應用于低溫真空環境，在實驗室環境下完成定焦后，需經過光學軟件模擬計算真空環境下的焦面偏移量［5］，確定真空焦面位置后進行熱真空實驗，測得光譜響應函數，以光譜響應函數的光譜帶寬對定焦結果加以驗證。

常用的定焦方法包括切光瞳法［6］、自準直檢焦法［7］及基于圖像對比度的調焦法［8］。美國OCO探測儀采用切光瞳法來確定最佳焦平面，于光譜儀狹縫位置前設置一入瞳罩，罩上開一狹縫與光譜儀狹縫平行，通過移動入瞳罩使罩狹縫步進。若離焦，光斑將會隨著入瞳罩移動，反之則不動。像移動的方向決定離焦的方向，移動的速率決定離焦的量度。自準直檢焦法利用物像共軛原理，在焦平面處放置光柵，利用光源將光柵照亮，光柵經光學系統到達自準直反射鏡返回，再經光學系統回到像面，使光柵在焦面附近成像。物像共面說明焦面準確，反之則需調焦。基于圖像對比度的調焦法是建立在搜尋過程的調焦方法，對采集到的多幅圖像選擇某一評價函數判斷哪一幅處于最佳正焦位置。上述兩種方法需用專用的調焦組件，結構較為復雜，本文綜合考慮采用第三種方法，結合CO2探測儀光譜儀的成像特點，提出一種新的聚焦評價準則和一套適用的定焦系統。光源選擇方面由于傳統單色儀的波長準確度在±0.05 nm左右［9］，精度較低且能量不夠，該系統以可調諧激光器［10］作為光源，可同時提高精度和能量。系統以探測器接收到的狹縫像作質量評估［11］，對像質進行實時評價，具有操作靈活、結構簡單、定焦精度高等特點。

2 原理及影響定焦精度因素分析

2.1 CO2探測儀系統組成及工作原理

CO2探測儀系統由指向反射鏡、共用望遠系統和0.76、1.61、2.06 μm 三個通道光柵光譜儀組成。前置系統采用帶有中間像面的無焦全反射式系統，光束經過該系統后口徑縮小，再經分束器分光，穿過窄帶濾波片獲得波長范圍的窄帶平行光，由聚光鏡聚焦在光譜儀狹縫上，經過狹縫的光由準直鏡準直照射平面衍射光柵，一級衍射光經成像鏡成像在探測器上，從而獲得大氣精細吸收光譜信息［12］。

分光系統是CO2探測儀的核心部分，直接決定著所得大氣吸收光譜的準確度。與OCO-2光學系統結構類似，CO2弱吸收紅外波段1 610 nm通道光譜儀同樣采用大面積衍射光柵分光，光學系統結構如圖1所示。

光譜儀由準直鏡、平面閃耀光柵和成像鏡組成，共包括4塊熔石英非球面透鏡。探測器采用近紅外HgCdTe面陣探測器，安裝在成像系統焦平面上。該通道波段為1.594～1.624 μm，光譜采樣分辨率為0.06 nm，光譜分辨率為0.12～0.138 nm，色散譜面長度為15 mm，空間方向為7.2 mm。入射光軸與出射光軸的夾角為23°。

探測儀工作時，HgCdTe面陣探測器記錄光譜分布信息的方向記為光譜維;記錄空間分布信息的方向記為空間維［13］。面陣探測器由一系列像元組成，像元輸出信號由對應光譜內所有光信號強度累加所得，從而實現光電轉換。由于大氣二氧化碳含量變化在空間尺度變化緩慢，同時為了提高儀器信噪比，將探測器空間維采用12像元合并方法合并為20像元，如圖2所示。調焦時以最終成像為檢測對象并對像質進行實時評價。通過調整探測器的光譜維、空間維、俯仰、偏擺和離焦方向，進而確定最佳焦面位置。

圖2 HgCdTe面陣探測器示意圖Fig.2 Schematic diagram of HgCdTe plane detector

2.2 光譜儀定焦原理

光譜儀的定焦是令面陣探測器的靶面與光譜儀的最佳色散焦平面重合，保證探測器接收到高質量的光譜響應信息。各通道的光譜響應信息是各通道探測器輸出與入射波長之間的關系［14］。光譜儀在第i個通道的輸出信號可表示為:

式中，Eλ為太陽光在波長為λ處的輻照度;A為系統有效光學面積;β為系統的瞬時視場;ρ(λ)為地物光譜反射率;τo(λ)為系統的光學系統透過率;τa(λ)為大氣光譜透過率;Ss(λ)為光譜儀色散系統的傳遞函數;Ra(λ)為探測器的光譜響應率;Re(λ)為電子學系統增益。其中，Eλ、ρ(λ)、τa(λ)為與光譜儀系統無關的量，其它參數則是由系統決定，因此系統第i個通道的相對光譜響應函數Si(λ可表示為:

單色光對系統的作用正比于狹縫單色像在探測器光敏面上所占的面積。狹縫寬度不同，系統接受的能量和光譜覆蓋范圍也不同。如探測器光敏面線度為a，狹縫像寬度為l，其Ss(λ)如圖3所示。

圖3 不同狹縫像寬度下的光譜響應曲線Fig.3 Spectral response curve under different width of slit image

考慮到狹縫具有一定的寬度和 τo(λ)、Ss(λ)、Rd(λ)、Re(λ)等因素時，系統的光譜響應Si(λ)通常可由高斯函數來模擬，即:

該模擬高斯函數的全高半高寬即為系統的光譜分辨率δλ，即:

式(3)、(4)中，K為常數;λi為該波段的中心波長;σi為高斯曲線的均方差。圖4可以較好地表征系統第i波段的實際光譜響應的高斯擬合曲線，對其做歸一化處理后兩端響應50%的波長差作為光譜帶寬δλ。

探測器處于任何位置都有與之相對應的光譜帶寬。當探測器處于焦平面位置時，光譜響應的半寬度存在最小值，以此可作為探測器是否正焦的依據。因此，選用像元光譜響應曲線的全高半寬度(FWHM)作為聚焦評價函數，其符合聚焦評價函數無偏性、單峰性、靈敏度高、較高信噪比、計算量小等5個特點。通過實時調整探測器方位，尋找該單峰評價函數的極小值，進而完成焦平面的確定。

圖4 光譜響應的高斯擬合曲線Fig.4 Gauss fitting curve of spectral response

2.3 影響光譜儀定焦精度的因素

要保證 CO2濃度1～4 ppm的反演精度，1 610 nm通道的光譜分辨率要達到0.12～0.138 nm的指標。光譜儀的定焦精度可由光譜響應的光譜分辨率反映。其影響因素包括光源帶寬、面陣探測器像元尺寸、閃耀光柵的參數與位置和色散系統的像差等。

對探測器進行標定時，要求標定光源的帶寬要低于δλ/10，該系統采用的New Focus TLB-6700可調諧激光器帶寬可達0.001 nm，完全滿足定焦精度要求。

減小探測器像元尺寸可提高光譜分辨率，但制造工藝難度也增大。CO2探測儀采用HgCdTe面陣紅外探測器，像元尺寸為30 μm ×30 μm，可保證分辨率精度要求。

光柵的入射角度和光柵刻線數都會對光譜分辨率產生影響，在符合分辨率指標前提下，設計光柵入射角為41.106°，光柵刻線密度為969 g/mm。

光譜儀色散系統的像差(主要為離焦)同樣會影響系統的光譜分辨率。假設由像差引起的彌散斑在波長坐標中的半徑為σd，則光學系統其點擴散函數可以由高斯曲線近似表示成:

可見像差的存在會使得光譜波段帶寬變大，當σd=1/3σi時，σ增加5.4%。只有保證上述各因素在合適范圍內，才能使定焦精度達到0.12～0.138 nm指標。

3 CO2探測儀光譜儀定焦實驗

根據CO2探測光譜儀的成像特點及定焦原理，本文研制了一套適用于CO2探測光譜儀的定焦系統。其原理如圖5所示［15］。由于光譜儀定焦精度要求高，放置探測儀主框架的大理石平臺在進行實驗之前需經過經緯儀水平標定，實驗中成像鏡位置與連接工裝的六維調整架也需經緯儀監測微小晃動量。另外，實驗前還需進行各鏡組的定心裝調和空氣間隔檢測、狹縫的研磨(為校正譜線彎曲，狹縫為彎曲狹縫)與安裝以及平面閃耀光柵的精準裝調。

系統由可調諧激光器、波長計、分束光纖、積分球、平行光管以及計算機組成。選用瞬時線寬極窄(＜200 kHz)的可調諧激光器可提供良好的單色光源，在激光器后放置旋轉毛玻璃消除激光散斑的影響。激光器發出的激光經過分束光纖傳輸一部分進入波長計，用來實時監測激光功率及波長的穩定性;而其余部分的光則照射在位于平行光管前焦距上的積分球上，經積分球勻光后進入平行光管，然后經平行光管的擴束和準直使其均勻地充滿探測器的入瞳。經過可調諧激光器每次掃描，探測器得到相應的光譜響應曲線。計算機用來進行數據的采集和處理。光譜儀定焦系統主要技術指標如表1所示。

圖5 光譜儀定焦系統原理圖Fig.5 Schematic of system establishing best focal plane of spectrometer

表1 光譜儀定焦系統主要技術參數Tab.1 Parameters of system for establishing best focal plane of spectrometer

基于CO2探測儀光譜儀的工作原理和成像特點，自主設計開發了適用于該光譜儀的數據采集處理軟件。圖6為光譜儀定焦系統軟件界面。在對光譜儀進行定焦的過程中，可以通過該軟件觀察不同波長的狹縫像實時圖像(界面左上)、選擇不同視場的輸入界面(界面左下)、像元離散采樣曲線(界面右下)。該軟件對面陣探測器原始感光數據存儲成RAW格式的二進制文件，利用MATLAB編程對該數據進行處理，得到擬合高斯光譜響應函數，進而計算得到準確的光譜分辨率。由全高半寬度信息反饋焦面調整方位并作為正焦的最終評價依據。

圖6 光譜儀定焦系統軟件界面Fig.6 Data interface of system for establishing best focal plane for spectrometer

圖7 光譜儀定焦系統實物Fig.7 Photo of system for establishing best focal plane for spectrometer

根據光譜儀定焦原理圖搭建實驗設備并調試系統至最佳工作狀態，如圖7所示。通過觀察狹縫像在面陣探測器像面位置調整光譜維(上下端距離邊界像元個數)與空間維(左右像元位置)，以相同波長的不同視場(FOV)曲線位置調整俯仰方位，以不同波長(1 597、1 609、1 621 nm)的相同視場位置調整偏擺方位，以像元離散采樣曲線全高半寬度為聚焦評價函數調整離焦方位。微調六維調整架，通過千分表示數與離散采樣曲線半寬度建立位移表搜尋最佳位置。對定焦結果進行數據處理，得到光譜響應曲線，通過ILS對定焦結果復核，反饋調整量，逐輪精調至最佳焦平面位置，經過人工修墊、打銷固定后完成探測器的精密裝調。

4 CO2探測儀光譜儀定焦實驗結果

通過搭建實驗平臺以及軟件處理，得到不同波段的狹縫像以及像元ILS曲線。探測器空間維采用12像元合并方法合并為20像元，取FOV=3、10、17三個視場方向。光譜維采樣通道為49、252、449，波長范圍分別為1 596.8～1 597.2 nm、1 609.3～1 609.7 nm、1 620.8～1 621.2 nm 三個波段。圖8給出了FOV=10時，三波段的狹縫像(對應中心波長)與ILS數據處理結果。具體定焦結果見表2。

圖8 各波段狹縫像與ILS測量結果Fig.8 Slit image and ILS measurement of different wavebands

根據圖8及表2可分析得出，通過狹縫像具體位置說明已修正平移與旋轉方向。相同視場情況下三波段線型與波段帶寬基本一致，說明偏擺方向得以修正。相同波段下不同視場FWHM偏差在0.003～0.005 nm左右，俯仰方向得以修正。全波段全視場線型半高寬在0.124 6～0.133 3范圍之內，平均半高寬0.128 1 nm與理論最小值相吻合，說明已修正離焦方向。

表2 CO2探測光譜儀定焦結果Tab.2 Results of optical focusing of CO2spectrometer

5 結論

本文根據CO2探測儀成像特點及工作原理設計了一套適用于1 610 nm通道光譜儀的定焦系統。實驗結果表明:定焦后采集的光譜響應曲線平均半高寬為0.128 1 nm，與預期理論值指標相吻合。系統以線寬極窄的可調諧激光器作為光源，波長調整精度達到0.01 nm。與傳統單色儀相比，可調諧激光器具有較高的波長調整精度、能量集中度以及極窄的光譜帶寬。但激光器波長不穩定和激光散斑的存在，使得該系統需增加消除散斑裝置和激光能量監視器，導致該方法具有一定的局限性。綜合比較該方法具有操作簡單、結構緊湊且定焦精度高等優點，對其他類型的成像光譜儀的定焦裝調具有一定指導借鑒意義。

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