星載多譜段雙視場紫外大氣探測儀

薛 慶 生

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

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星載多譜段雙視場紫外大氣探測儀

薛 慶 生

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

針對天底和臨邊綜合紫外大氣探測的需求， 分析了天底和臨邊雙視場觀測原理和技術指標，設計和研制了多譜段雙視場紫外大氣探測儀原理樣機。該樣機光學系統(tǒng)由前透鏡組、環(huán)形透鏡、中繼透鏡組和窄帶濾光片組成，3個工作譜段的中心波長分別為265 nm、295 nm和360 nm，帶寬均小于20 nm，天底視場為10°，臨邊視場為360°(141.8°～146.6°)，焦距為5 mm，F(xiàn)數(shù)為3.3，通過切換窄帶濾光片完成3個譜段的探測。多譜段雙視場紫外大氣探測儀整機質量約為3 kg，體積為Φ90 mm×300 mm。對樣機的靜態(tài)傳遞函數(shù)和像面照度均勻性進行了測試。測試結果表明，在特征頻率38.5 lp/mm處，天底視場的靜態(tài)傳遞函數(shù)為0.24，臨邊視場的靜態(tài)傳遞函數(shù)為0.22，像面照度均勻性為94%，均優(yōu)于設計指標要求。該原理樣機體積小、重量輕，滿足空間光學遙感儀器小型化和輕量化的要求。

光學設計；紫外大氣探測儀；多譜段雙視場紫外探測儀；紫外濾光片

1　引　言

空間紫外大氣探測是全球空氣質量和氣候探測的重要途徑之一。根據(jù)觀測路徑的不同，空間紫外大氣探測分為天底觀測方式、臨邊觀測方式和掩星觀測方式。其中，天底觀測方式易于獲得較寬的空間覆蓋，對于大氣成分的柱總量的反演有優(yōu)勢；臨邊和掩星觀測方式易于獲得較高的垂直分辨率，對大氣成分垂直廓線的反演有優(yōu)勢[1-4]。天底和臨邊觀測方式的綜合應用能夠實現(xiàn)兩種觀測方式的優(yōu)勢互補，達到最優(yōu)化探測的目的[5-6]，因此，將天底和臨邊觀測方式同時應用的雙視場紫外大氣探測成為國際大氣探測領域發(fā)展的前沿和熱點課題之一。

目前，國內外現(xiàn)有的紫外大氣探測儀多為單視場的探測儀器。典型的天底視場探測儀器有1978年美國研制的太陽后向散射紫外探測儀(Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer，SBUV)[7]和2004年歐空局研制的臭氧監(jiān)測儀(Ozone Monitoring Instrument，OMI)[8]，典型的臨邊視場探測儀器有2003年美國研制的臭氧臨邊探測試驗儀(Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment，SOLSE)[7]和臨邊臭氧反演試驗儀(Limb Ozone Retrieval Experiment，LORE)[9]。這些紫外大氣探測儀的視場單一，臨邊視場的覆蓋范圍小，只對大氣臨邊的一個窄條觀測，時空覆蓋率很低，無法很好地揭示出大氣成分的小尺度變化。多譜段紫外探測通過不同波長的配對使用提高了大氣痕量氣體和大氣密度的反演精度，典型的多譜段紫外探測儀為美國的LORE[9]。

為滿足天底和臨邊綜合紫外大氣探測的需求，本文分析了雙視場綜合原理，根據(jù)技術指標設計并研制了一種多譜段天底和臨邊雙視場紫外大氣探測儀原理樣機。對樣機的靜態(tài)傳函、像面照度均勻性進行了測試，測試結果表明該樣機具有天底10°和臨邊360°×(141.8°～146.6°)的綜合觀測能力，優(yōu)于設計指標要求。多譜段雙視場紫外大氣探測儀的成功研制，提高了空間大氣綜合觀測能力，為多譜段紫外探測技術在全球空氣質量和氣候監(jiān)測中的應用奠定了技術基礎。

2　觀測原理與技術指標

多譜段雙視場紫外大氣探測儀搭載于400 km 高度的衛(wèi)星平臺上，具有天底和臨邊兩個視場。天底視場的光線經(jīng)過紫外大氣探測儀成像在像面上，形成一個中心亮斑，臨邊視場的光線經(jīng)過紫外大氣探測儀成像在像面上形成一個圓環(huán)，觀測原理和像面圖像如圖1所示。根據(jù)在軌測得的天底視場和臨邊視場的光譜輻射信號并結合地面的光譜輻亮度定標數(shù)據(jù)，可以獲得在軌實測的大氣光譜輻亮度數(shù)據(jù)，大氣科學家可據(jù)此反演出大氣成分的時空分布信息，從而為空氣質量和大氣環(huán)境監(jiān)測、大氣光化學過程研究等服務。

圖1　紫外大氣探測儀探測原理圖

紫外大氣探測儀的3個中心波長選取265，295和360 nm，帶寬均小于20 nm。其中，265 nm和295 nm對O3吸收較為敏感，因此，雙波長結合用以反演中間層的O3；360 nm由于O3吸收很弱，只有分子和氣溶膠粒子的散射貢獻，因此可以用來反演遙感器的高度，而且遙感器高度的精確定位是決定反演精度的關鍵。該波長也可以與上述兩個波長配對使用，進行氣溶膠和云影響的訂正。天底視場幅寬為70 km，即GW=70 km，天底視場為：

FOV1=2arctan(GW/2H)=10°.

(1)

臨邊視場高度方向覆蓋10～90 km，臨邊視場水平方向覆蓋360°。臨邊視場中心對準地球臨邊50 km高度，儀器與臨邊觀測點的距離L=2 150 km，再根據(jù)臨邊高度探測范圍確定臨邊視場FOV2為360°×(70.9°～73.3°)。天底視場和臨邊高度的空間分辨率要求分別為優(yōu)于1 km 和6 km。探測器選擇在紫外波段具有高量子效率的紫外增強型CCD探測器，單個像素尺寸為13 μm×13 μm，像素總數(shù)為1 K×1 K，探測器的量子效率曲線如圖2所示。

圖2　CCD探測器的量子效率曲線

根據(jù)天底視場的空間分辨率要求，紫外大氣探測儀光學系統(tǒng)的焦距為：

(2)

根據(jù)臨邊視場的空間分辨率要求，紫外大氣探測儀光學系統(tǒng)的焦距為：

(3)其中a=13 μm，為探測器的像元寬度。為保證天底視場和臨邊視場的空間分辨率均滿足指標且留出一定余量，紫外大氣探測儀光學系統(tǒng)的焦距f′=5 mm。

儀器在特征頻率38.5 lp/mm處的靜態(tài)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.2，光學系統(tǒng)的主要技術指標如表1所示。利用臨邊輻射傳輸模式LGLTRAN對紫外大氣臨邊的光譜輻亮度進行仿真計算。考慮到大氣水平的不均勻性，在一定入射太陽天頂角下，以太陽方位角方向為參考方向，輻射具有360°方位角的變化。圖3為不同譜段的紫外光譜輻亮度曲線。

圖3　不同譜段的光譜輻亮度曲線

根據(jù)紫外臨邊大氣光譜輻亮度信號和探測器的性能特點，確定光學系統(tǒng)的F數(shù)為3.3。由于臨邊視場大，為了在全視場范圍內獲得高信噪比，要求像面照度均勻性優(yōu)于90%。多譜段雙視場探測儀的主要技術指標如表1所示。

表1　雙視場紫外大氣探測儀的主要技術指標

3　光學系統(tǒng)設計

從技術指標可以看出，多譜段雙視場紫外大氣探測儀的光學系統(tǒng)要實現(xiàn)天底視場和臨邊視場共像面，其相對孔徑必須較大，這給設計帶來了很大的難度。光學系統(tǒng)結構如圖4所示，天底視場的光線經(jīng)前透鏡組、環(huán)形透鏡中心區(qū)域、中繼透鏡組和窄帶濾光片成像在像面中心區(qū)域。臨邊視場的光線經(jīng)環(huán)形透鏡、中繼透鏡組和窄帶濾光片成像在像面的邊緣區(qū)域，天底視場和臨邊視場所成的像用同一CCD探測器接收，通過旋轉濾光片輪實現(xiàn)不同譜段的探測。

一般光學系統(tǒng)的像面照度按視場角ω的余弦的4次方下降[10]，臨邊半視場達到73.3°，若按余弦的4次方關系，邊緣視場照度僅為中心視場照度的0.68%，遠不能滿足像面照度均勻性優(yōu)于90%的指標要求，因此，必須提高像面照度的均勻性。這里利用兩種方法來提高大視場像點的照度，從而達到提高像面照度均勻性的目的。第一種方法：優(yōu)化設計時控制系統(tǒng)的畸變?yōu)橥靶位僛11]，減小大視場的主光線與光軸的夾角，提高大視場的像面照度。第二種方法：優(yōu)化設計時，利用光闌像差中的光闌彗差[12-13]標定主光線的位置，使大視場光束充滿孔徑光闌口徑，此時大視場光束的實際口徑大于中心視場光束的實際口徑，從而提高大視場的像面照度。實際像面照度為：

(4)

式中：K1為幾何漸暈系數(shù)，K2為光闌像差漸暈系數(shù)，E′(ω)是視場角為ω光束的像面照度，E0為中心0°視場的像面照度。優(yōu)化設計時，在光學設計軟件中控制漸暈系數(shù)為負值，使K1>1，K2>1，提高像面照度均勻性。

優(yōu)化設計的雙視場紫外大氣探測儀光學系統(tǒng)如圖4所示，光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖5和圖6所示。265，295和360 nm 3個譜段天底視場和臨邊視場的光學傳遞函數(shù)在特征頻率38.5 lp/mm 處均大于0.8，滿足光學系統(tǒng)MTF≥0.5的指標要求。如圖7所示，265，295和360 nm 3個譜段系統(tǒng)的f-θ畸變小于0.5%，像點的實際位置與視場角ω之間的關系容易標定。圖8為像面的相對照度隨視場角的變化關系曲線。可以看出，265，295和360 nm 3個譜段的像面照度均勻性達到94%，滿足像面照度均性≥90%的要求。

圖4　紫外大氣探測儀的光學結構圖

(a)265 nm(b)295 nm　(c)360 nm

(a)265 nm　(b)295 nm　(c)360 nm

(a)265 nm　(b)295 nm　(c)360 nm

(a)265 nm　(b)295 nm　(c)360 nm

4　樣機研制及性能測試

空間紫外輻射為微弱信號，為了極大限度地提高系統(tǒng)的信噪比和探測精度，本課題組完成了紫外窄帶濾光片膜層的設計和制備，帶外截止深度達到OD6，可有效地抑制帶外的雜光干擾。圖9為3種窄帶濾光片的透射率曲線，圖10為3種窄帶濾光片的實物照片。3種窄帶濾光片固定在濾光片輪上，通過旋轉濾光片輪進行切換，濾光片輪結構如圖11所示。圖12為多譜段雙視場紫外大氣探測儀鏡頭的機械結構模型。如圖12所示，透鏡元件采用鏡座周邊支撐方式。裝配時，首先把透鏡元件粘接在鏡座內，利用定心車車削加工鏡座保證組件同心，然后再利用定心車把鏡座定心裝配在鏡筒內。圖13為紫外大氣探測儀的鏡頭照片，紫外大氣探測儀的整機體積為Φ90 mm×300 mm，質量約為3 kg。

圖9　三種濾光片的透射率曲線

(a)265 nm　(b)295 nm　(c)360 nm

圖11　濾光片輪結構圖

圖12　紫外大氣探測儀的機械結構模型

圖13　紫外大氣探測儀鏡頭照片

利用氙燈光源、紫外平行光管和目標模擬板組成雙視場紫外大氣探測儀整機靜態(tài)傳遞函數(shù)測試裝置。探測器的像元尺寸a=13 μm，紫外大氣探測儀的焦距f=5 mm，平行光管的焦距fc=507.16 mm，對應目標模擬板的條紋間距為：

(5)

圖14為雙視場紫外大氣探測儀整機靜態(tài)傳遞函數(shù)測試現(xiàn)場，目標模擬板為帶有4條亮紋的條形板。這里以360 nm譜段為例，給出天底視場和臨邊視場目標板的強度輪廓，分別如圖15和圖16所示。整機的靜態(tài)傳遞函數(shù)為：

(6)

式中：Imax和Imin分別為條形板亮條紋的強度和暗條紋的強度。根據(jù)強度輪廓計算出360 nm譜段天底和臨邊視場的靜態(tài)傳遞函數(shù)分別為0.24和0.22。旋轉濾光片輪到265 nm譜段和295 nm譜段，測得265 nm譜段天底和臨邊視場的靜態(tài)傳遞函數(shù)分別為0.23和0.22，測得295 nm譜段天底和臨邊視場的靜態(tài)傳遞函數(shù)分別為0.22和0.21，均滿足靜態(tài)傳遞函數(shù)≥0.2的指標要求。

圖14　靜態(tài)傳函測試照片

圖15　天底視場目標模擬板的強度輪廓

圖16　臨邊視場目標模擬板的強度輪廓

圖17　像面照度均勻性測試照片

如圖17所示，利用紫外積分球光源照明雙視場紫外大氣探測儀原理樣機，測試其像面照度的均勻性，得到265，295和360 nm譜段的像面照度均勻性分別為93.5%，93.8%和94%，滿足像面照度均勻性優(yōu)于90%的設計指標要求。

5　結　論

為滿足天底和臨邊綜合紫外大氣探測的需求，本文設計并研制了一種多譜段天底和臨邊雙視場紫外大氣探測儀原理樣機。該樣機具有天底10°和臨邊360°×(141.8°～146.6°)的綜合觀測能力，焦距為5 mm。對樣機的性能進行了測試，天底視場和臨邊視場的整機靜態(tài)傳遞函數(shù)均大于0.2，像面照度均勻性為94%，均滿足設計指標要求。多譜段雙視場紫外大氣探測儀原理樣機的研制成功，提升了紫外大氣探測能力，為下一步它在空間紫外大氣探測領域中應用奠定了基礎。

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薛慶生(1979-)，男，山東梁山人，博士，副研究員，2010年于中科院長春光機所獲得博士學位，主要從事光學系統(tǒng)設計、航空、航天成像光譜技術及光譜和輻射定標方面的研究。E-mail: qshxue 2006@163.com

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Spaceborne multiband UV atmospheric sounder with two fields

XUE Qing-sheng(ChangchunInstituteofOptics，F(xiàn)ineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China)*Correspondingauthor，E-mail：qshxue2006@163.com

To comprehensively implement the UV atmospheric sounding of nadir and limb fields， the principle of simultaneously sounding of nadir and limb fields was analyzed and technical specifications were analyzed. Then a prototype of multiband UV atmospheric sounder with two fields was designed and developed. The optical system of the prototype is composed of a fore of lens， an annular lens， a relay of lens， and a narrowband filter. The central wavelengths of three working spectral ranges are 265 nm， 295 nm， and 360 nm， the bandwidth is less than 20 nm. The nadir field and the limb field are 10°， and 360°(141.8°—146.6°)， respectively， the focal length is 5 mm， and theFnumber is 1∶3.3. Three wavebands were detected individually by switching UV narrowband filters. The total mass of the prototype is approximately 3 kg， and its volume is aboutΦ90 mm×300 mm. The spatial resolution and illuminance uniformity of image plane of the prototype were tested. The test result demonstrates that the static MTFs of nadir field and limb field are 0.25 and 0.22 respectively at a characteristic frequency of 38.5 lp/mm and the illuminance uniformity of image plane is 94%. Both MTFs and illuminance uniformity are better than that of design requirements. The prototype shows a smaller volume and a lighter weight， and satisfies the miniaturized and lightened requirements of spaceborne instruments.

optical design; UV atmospheric sounder; multiband two field UV sounder; UV filter

2016-01-14；

2016-03-07.

國家自然科學基金資助項目(No.41575023，No.41105014)；中國科學院長春光學精密機械與物理研究所科技前沿領域創(chuàng)新項目

1004-924X(2016)09-2101-08

V447.1；V476

A

10.3788/OPE.20162409.2101