大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀設計與實現

董欣徐彭梅侯立周

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大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀設計與實現

董欣徐彭梅侯立周

（北京空間機電研究所，北京 100094）

GF-5衛星的大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀是中國目前光譜分辨率最高的紅外超光譜探測載荷，它基于時間調制傅里葉變換光譜探測技術，通過太陽掩星觀測方式在750~4 160cm–1（2.4~13.3μm）光譜范圍內，實現光譜分辨率0.03cm–1的大氣透射光譜探測。該載荷的兩大技術特點和難點是高光譜分辨率和自主精密太陽跟蹤，采用大光程差擺臂角鏡傅里葉變換光譜儀實現了紅外寬譜段、高分辨率光譜探測，研制了圖像反饋太陽跟蹤裝置實現在軌自主精密太陽跟蹤。文章回顧了該載荷的系統設計、關鍵技術及實現情況，給出了地面測試與試驗結果，可為同類載荷研制提供參考。

傅里葉變換光譜儀 甚高光譜分辨率 太陽掩星 大氣折射校正 “高分五號”衛星

0 引言

大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀采用時間調制傅里葉變換光譜探測技術[1-5]，在軌日出期間通過太陽掩星觀測，在地球大氣層8~100km高度內以不同切高分層測量太陽的大氣透射光譜[6-8]。將之與大氣外太陽光譜比較后，可得到對應不同切高的大氣透過率曲線，進而根據不同大氣成分的特征吸收情況反演其在該層大氣中的含量信息。由于所測光譜譜段范圍寬（750~4 160cm–1）、光譜分辨率高（0.03cm–1），因此可反演出多達幾十種痕量氣體和大氣化學成分的含量信息[9-11]，有助于我們更清晰地了解人類賴以生存的大氣環境的變遷。

探測儀采用結構緊湊、高魯棒性的擺臂角鏡干涉儀進行紅外寬譜段、大光程差干涉調制，實現0.03cm–1的光譜分辨率；針對國外同類載荷四象限跟蹤技術無法有效應對日出時太陽被云霧遮擋的情況，探測儀首次研制了大規模圖像反饋太陽跟蹤系統實現在軌日出期間的太陽精準跟蹤。本文回顧了探測儀系統設計與實現、太陽跟蹤策略與大氣折射校正方法、地面測試與試驗情況，可為同類載荷的研制提供參考。

1 探測儀系統描述

1.1 技術指標

探測儀搭載于“高分五號”衛星，運行于705km的地球太陽同步軌道，在軌日出過程中能自動指向捕獲并精確跟蹤太陽，將太陽輻射穩定引入傅里葉變換光譜儀中進行精細光譜測量。探測儀主要技術指標見表1。

表1 探測儀主要技術指標

Tab.1 Specifications of instrument

1.2 探測儀系統組成與工作原理

如圖1所示，探測儀系統由光機主體、管理控制器、溫度控制器、制冷機控制器組成。光機主體內主要包括太陽跟蹤組件及其控制器、前光學組件、干涉儀組件、后光學組件、探測器杜瓦組件及信號處理器等。太陽跟蹤組件在可見光譜段完成自動太陽跟蹤并將太陽紅外輻射穩定引入干涉儀；干涉儀完成干涉調制，其中計量激光器出射的單色穩頻激光與紅外光束共光路配置，產生的激光干涉信號由激光信號處理器處理生成光程差計量信號用于掃描控制；探測器杜瓦組件及信號處理器完成干涉圖信號采集。

圖1 探測儀系統組成

探測儀原理光路如圖2所示，太陽輻射由二維太陽跟蹤反射鏡引入，分色片1將可見光反射至折鏡1，并經透鏡成像于太陽跟蹤相機焦面，所成太陽圖像用于閉環太陽跟蹤控制；紅外輻射則透過分色片1進入由離軸拋物鏡1和2組成的前光學組件，在這里設置孔徑光闌和視場光闌以限制系統有效通光口徑和視場，同時進行5倍光束壓縮；由拋物鏡2出射的紅外準直光束進入8倍光程差放大的擺臂角鏡干涉儀，在分束器處分成反射和透射光束，兩光束分別入射到角鏡1和角鏡2后被回復反射，然后再經過分束器透射和反射后，分別入射到端鏡不同位置上，由于端鏡是反射鏡并被調整到與入射光束垂直，因此兩光束沿著來路原路返回，并最終在分束器原分束位置處相遇產生干涉；干涉光束從端鏡中心孔出射進入由拋物鏡3和折鏡2組成的后光學組件，再經探測器杜瓦窗口入射到分色片2，分色后分別入射到光伏型InSb和MCT探測器上，產生干涉信號。

圖2 探測儀原理光路

2 探測儀關鍵技術及實現

2.1 大光程差擺臂角鏡干涉儀

依據傅里葉變換光譜儀原理，實現高光譜分辨率的關鍵是完成大光程差干涉調制。因此針對探測儀的極高光譜分辨率指標，研制了大光程差擺臂角鏡干涉儀實現對被測光束的干涉調制，滿足了系統0.03cm–1光譜分辨率要求。干涉儀光路原理如圖2所示，它主要由分束器和補償器、角鏡和端鏡組成。其中分束器中心部分鍍制紅外分束膜，外環一邊鍍制紅外增透膜，一邊鍍制反射膜。由于端鏡對干涉光路的折疊作用，使得光程差相比常規邁克爾遜干涉儀增加一倍，同時也從原理上消除了由于角鏡頂點位置相對分束器不對稱而引入的光束剪切誤差，使干涉儀對微振動具有很好的免疫能力。干涉儀計量激光光路設置在主光路旁邊，與主光束共光路用以實時計量光程差，為干涉儀光程掃描控制系統提供光程差反饋和為信號鏈干涉圖采樣提供采樣同步信號。

干涉儀光路設計見圖3（a），分束器和補償器采用ZnSe基底，在分束器不同位置分別鍍制紅外寬帶分束膜、反射膜和增透膜，補償器鍍制寬帶增透膜，并且分束器和補償器設置楔角以避免非分束面的反射光進入探測器；干涉儀光機組件模裝圖見圖3（b），擺臂長度120mm，采用十字片簧撓性樞軸在±15°擺動角度內實現±25cm的光程差；計量激光器和計量激光接收裝置都集成在干涉儀主結構上；擺臂機構由干涉儀鎖定解鎖裝置控制鎖銷插入和拔出完成鎖定和解鎖。

圖3 大光程差擺臂角鏡干涉儀組件

干涉儀控制器采用數字伺服控制系統控制干涉儀擺臂往復擺動，實現等光程差速度雙邊干涉掃描。控制器利用計量激光系統提供實時光程差信號作為反饋輸入，利用運動軌跡生成模塊并結合前饋環節，實現了高精度、高魯棒性掃描控制，擺臂掃描速度穩定度達到99.7%。

2.2 圖像反饋太陽跟蹤系統

在軌日出期間對太陽精確穩定跟蹤是太陽掩星載荷正常工作的前提，特別對于日出初期由于受到大氣折射及云霧遮擋，太陽經常會出現變形甚至分塊的情況，常用的四象限跟蹤技術由于無法識別分塊情況而不能精準跟蹤其中輻射較強的分塊，也就難以測得有效的大氣底層的信息，而底層大氣通常更受用戶所關注。針對這個問題，探測儀采用了圖像反饋太陽跟蹤技術，在太陽變形和分塊的情況下，可以實時識別并跟蹤輻射較強的分塊，從而最大程度的保證有效觀測到大氣底層的大氣成分信息。該技術涉及太陽跟蹤策略設計、大氣折射校正方法和圖像反饋太陽跟蹤系統的設計與實現。

太陽跟蹤組件用于在軌日出時捕獲并自動跟蹤太陽，將太陽輻射穩定地引入傅里葉變換干涉儀中。主要由太陽跟蹤器、分色片1及太陽跟蹤相機組成（如圖4所示）。其中，分色片為鍺材料并鍍制分色膜，反射可見光透過紅外光；太陽跟蹤相機為CMOS相機，像素規模512像素×512像素，幀頻25Hz，視場20mrad，約為太陽視角的2倍，相機鏡頭前設置合適衰減片以滿足動態范圍要求；太陽跟蹤器設計為內外環轉軸正交串聯構型以使內外環轉動解耦，利用內環俯仰外環偏轉實現跟蹤反射鏡對太陽的二維跟蹤，內外環轉軸均采用撓性樞軸，由于樞軸無摩擦力矩干擾，結合音圈電機驅動單元和高精度旋變角度傳感器，可以達到優于25μrad的跟蹤穩定度。為滿足發射段力學環境要求，太陽跟蹤器上還設計了內外環同步全自由度鎖定裝置。鎖定時，由鎖定電機同步驅動4個傘齒輪，每個傘齒輪分別驅動各自滾珠絲杠直線導軌帶動滑塊和頂桿運動，4個頂桿同步穿過外環上的鎖孔并頂住內環反射鏡，實現內外環4向同步鎖定。

圖4 太陽跟蹤器與太陽跟蹤相機

太陽跟蹤控制系統功能見圖5（a）。在軌日出初期，太陽跟蹤控制器根據來自衛星的太陽矢量控制太陽跟蹤器將探測儀視軸指向太陽，一旦太陽跟蹤相機捕獲太陽圖像即自動進入圖像反饋閉環跟蹤環節，其中太陽圖像處理模塊進行輻射質心提取，然后二維指向控制模塊控制太陽跟蹤器將探測儀視軸指向太陽輻射質心，并且在太陽被云層遮擋分塊時，圖像處理模塊可以分塊識別并選擇較強輻射的分塊質心坐標輸出給二維指向控制模塊進行跟蹤指向。圖5（b）是太陽跟蹤控制器對加拿大ACE干涉儀在軌實測太陽圖像進行模擬處理的結果[12]，表明可以有效識別、提取變形或分塊的太陽輻射質心信息。

圖5 圖像反饋太陽跟蹤系統設計

2.3 太陽跟蹤策略與大氣校正方法

探測儀在軌日出期間需要自主指向、捕獲和跟蹤太陽實現掩日觀測。現實中，由于大氣折射影響，太陽光會發生明顯的彎曲，并且越在大氣底層折射越強（如圖6所示），再加上對流層底層云的遮擋，太陽圖像會出現變形和分塊的現象。因此，對流層底層尤其值得關注，制定準確可靠的太陽跟蹤策略是決定掩日觀測成功的關鍵因素之一。

圖6 在軌太陽掩星觀測示意

探測儀的太陽跟蹤策略主要包括：

1）星上日出前，太陽跟蹤器根據計算的大氣最大折射角將探測儀視軸在主平面（衛星、太陽和地球質心所在的平面）內固定指向地平線上方第一縷陽光將要出現的位置；

2）星上日出后，根據衛星實時廣播的太陽矢量計算并修正大氣折射角，然后以修正后的角度跟蹤指向太陽；

3）在上述過程中，一旦太陽跟蹤相機捕獲太陽圖像，即進入圖像反饋跟蹤模式，同時仍然同步計算步驟2的指向角作為參考以便在太陽被濃云遮擋的時候進行跟蹤指向；

4）直到掩日路徑超出大氣層100km后，持續一段時間跟蹤觀測大氣外的太陽輻射，然后停止，再進行一段時間的深空觀測后結束流程。

太陽跟蹤器在光機主體中的安裝位置如圖7（a）所示，太陽矢量和太陽跟蹤器內環俯仰角及外環偏轉角之間的關系如圖7（b）所示。太陽跟蹤器指向鏡基座轉軸與衛星本體軸重合，出射光與衛星本體–軸重合，軸由右手法則確定。為指向鏡的法向矢量，為指向鏡法線在平面的投影，為出射光線矢量，為太陽矢量，則、分別為繞軸和軸的轉角，其轉動方向由圖7（b）定義。

圖7 太陽跟蹤器坐標定義

由于整個掩日過程都發生在由衛星、地球和太陽質心所決定的主平面內，標準大氣對太陽光的折射也只發生于主平面內，因此對大氣折射的補償只需對太陽矢量與軸的夾角進行修正即可。

大氣折射校正計算過程如下：

設太陽矢量與、、軸的夾角分別為θ，θ，θ，則補償折射角度后新的太陽矢量可表示為

根據圖7（b），儀器光軸矢量可以表示為

太陽跟蹤器指向鏡的法向矢量為歸一化的太陽矢量與儀器光軸矢量的矢量和，即

則太陽跟蹤器內環俯仰角為

太陽跟蹤器外環偏轉角為

3 試驗測試結果

（1）光譜分辨率測試結果

利用窄線寬穩頻激光器對探測儀光譜分辨率進行測試，結果見圖8，光譜分辨率為0.243cm–1，滿足設計要求。

圖8 光譜分辨率測試結果

（2）實驗室黑體測試結果

1 000K黑體作為光源在實驗室大氣環境下的光譜測試結果見如圖9所示，圖中光譜沒有經過輻射校正，縱軸代表未定標輻亮度值，綠色線型代表長波譜段（750~1 800cm–1），紫色代表中波譜段（1 800~4 160cm–1），可看出大氣吸收譜段存在明顯的大氣吸收線，而沒有吸收線的則為大氣透過窗口。

圖9 黑體光譜測試結果

（3）外景太陽跟蹤測試結果

探測儀進行了外景太陽跟蹤成像試驗，所測太陽光譜見圖10。圖中光譜沒有經過輻射校正，紫色線代表長波譜段（750~1 800cm–1），藍色線代表中波譜段（1 800~4 160cm–1），可看出由于大氣路徑長，大氣吸收譜段幾乎被徹底吸收，而大氣窗口譜段則蘊含異常豐富的大氣吸收線。根據不同氣體分子的吸收特征及吸收程度的不同可以反演出其含量信息。

圖10 外景太陽光譜輻亮度測試結果

4 結束語

大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀是我國第一個星載高光譜掩星載荷，也是目前我國光譜分辨率最高的紅外光譜探測載荷。在軌日出期間自主跟蹤太陽實現掩日觀測，所測高分辨率光譜用于反演大氣層垂直方向大氣精細成分和痕量氣體濃度。本文介紹了探測儀的系統設計與實現情況，同時詳細闡述了探測儀的太陽跟蹤策略和大氣折射修正方法，給出了主要的試驗測試結果，對于星載高光譜或掩日觀測載荷設計和實現具有參考意義。

[1] 巫曉麗, 范東棟, 王平. 空間大氣成分探測傅里葉變換紅外光譜儀[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(2): 15-20. WU Xiaoli, FAN Dongdong, WANG Ping. Fourier-Transform Infrared Spectrometer for Space Atmospheric Component Detecting[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(2): 15-20. (in Chinese)

[2] GRIFFITHS P R, DE HASETH J A. Fourier Transform Infrared Spectrometry[M]. New Jersey: John Wiley & Sons. Inc., 2007: 161-175.

[3] POULIN R, DUTIL Y, LANTAGNE S, et al. Characterization of the ACE-FTS Instrument Line Shape[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 5151: 166-172.

[4] SOUCY M-A, CHATEAUNEUF F, DEUTSCH C, et al. ACE-FTS Instrument Detailed Design[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4814: 70-81.

[5] CHATEAUNEUF F, FORTIN S, FRIGON C, et al. ACE-FTS Test Results and Performances[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4814: 82-90.

[6] BURROWS J P, PLATT U, BORRELL P. The Remote Sensing of Tropospheric Composition From Space[M]. Heidelberg: Spring Verlag, 2011: 15-18.

[7] HASE F, BLUMENSTOCK T, PATON-WALSH C. Analysis of Instrumental Line Shape of High-resolution FTIR Spectrometers Using Gas Cell Measurements and a New Retrieval Software[J]. Applied Optics, 1999, 38: 3417-3422.

[8] BOONE C, BERNATH P. Scisat-1 Mission Overview and Status[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 5151: 133-142.

[9] PUCKRIN E, WAYNE E, FERGUSON C, et al. Test Measurements with the ACE FTS Instrument Using Gases in a Cell[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 5151: 192-200.

[10] BOONE C, NASSAR R, MCLEOD S D, et al. SciSat-1 Retrieval Results[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 5542: 184-194.

[11] GILBERT K L, TURNBULL D N, WALKER K, et al. The Onboard Imagers for the Canadian ACE SCISAT-1 Mission[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112: D12207-1-12.

[12] DODION J, FUSSEN D, VANHELLEMONT F, et al. Cloud Detection in the Upper Troposphere-lower Stratosphere Region Via ACE Imagers: a Qualitative Study[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112: D03208-1-7

Design and Implementation of Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder

DONG Xin XU Pengmei HOU Lizhou

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

As a spaceborne spectrometer with the highest spectral resolution so far in china, the Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder（AIUS） on board GF-5 satellite is based on temporal Fourier Transform Spectrometer technology, which covers spectral range of 750~4 160 cm-1（2.4~13.3 μm）and archives spectral resolution of 0.03 cm-1. The technical difficulties and features of the payload include high spectral resolution spectroscopy and autonomous precise sun-tracking. The high spectral resolution has been achieved by making use of scan-arm corner cube Fourier Transform Spectrometer with large optical path difference, and autonomous precise sun-tracking has been carried out via sun-tracker with image feedback. This paper reviews the development situation of AIUS, including system design, key technologies and their implementation, the on-orbit sun-tracking strategy is also described as well as the atmospheric refraction correction, the related information would be helpful for system design of hyperspectral Fourier Transform Spectrometer or solar occultation payload.

spaceborne fourier transform spectrometer; ultra-spectral resolution; solar occultation; atmospheric refraction correction; GF-5 satellite

V447+.1

A

1009-8518(2018)03-0029-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.004

董欣，男，1981年生，2003年獲南京理工大學工程力學專業學士學位，高級工程師。研究方向為紅外系統技術。E-mail：dongxin991221@icloud.com。

2018-04-27

國家重大科技專項工程

（編輯：夏淑密）