大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董欣徐彭梅侯立周

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大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董欣徐彭梅侯立周

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

GF-5衛(wèi)星的大氣環(huán)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(shí)間調(diào)制傅里葉變換光譜探測技術(shù)，通過太陽掩星觀測方式在750~4 160cm–1（2.4~13.3μm）光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)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(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)在軌自主精密太陽跟蹤。文章回顧了該載荷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)情況，給出了地面測試與試驗(yàn)結(jié)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(wèi)星

0 引言

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀采用時(shí)間調(diào)制傅里葉變換光譜探測技術(shù)[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(nèi)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(yīng)不同切高的大氣透過率曲線，進(jìn)而根據(jù)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(dá)幾十種痕量氣體和大氣化學(xué)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(huán)境的變遷。

探測儀采用結(jié)構(gòu)緊湊、高魯棒性的擺臂角鏡干涉儀進(jìn)行紅外寬譜段、大光程差干涉調(diào)制，實(shí)現(xiàn)0.03cm–1的光譜分辨率；針對國外同類載荷四象限跟蹤技術(shù)無法有效應(yīng)對日出時(shí)太陽被云霧遮擋的情況，探測儀首次研制了大規(guī)模圖像反饋太陽跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌日出期間的太陽精準(zhǔn)跟蹤。本文回顧了探測儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、太陽跟蹤策略與大氣折射校正方法、地面測試與試驗(yàn)情況，可為同類載荷的研制提供參考。

1 探測儀系統(tǒng)描述

1.1 技術(shù)指標(biāo)

探測儀搭載于“高分五號”衛(wèi)星，運(yùn)行于705km的地球太陽同步軌道，在軌日出過程中能自動(dòng)指向捕獲并精確跟蹤太陽，將太陽輻射穩(wěn)定引入傅里葉變換光譜儀中進(jìn)行精細(xì)光譜測量。探測儀主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 探測儀主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Specifications of instrument

1.2 探測儀系統(tǒng)組成與工作原理

如圖1所示，探測儀系統(tǒng)由光機(jī)主體、管理控制器、溫度控制器、制冷機(jī)控制器組成。光機(jī)主體內(nèi)主要包括太陽跟蹤組件及其控制器、前光學(xué)組件、干涉儀組件、后光學(xué)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(dòng)太陽跟蹤并將太陽紅外輻射穩(wěn)定引入干涉儀；干涉儀完成干涉調(diào)制，其中計(jì)量激光器出射的單色穩(wěn)頻激光與紅外光束共光路配置，產(chǎn)生的激光干涉信號由激光信號處理器處理生成光程差計(jì)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(tǒng)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(jīng)透鏡成像于太陽跟蹤相機(jī)焦面，所成太陽圖像用于閉環(huán)太陽跟蹤控制；紅外輻射則透過分色片1進(jìn)入由離軸拋物鏡1和2組成的前光學(xué)組件，在這里設(shè)置孔徑光闌和視場光闌以限制系統(tǒng)有效通光口徑和視場，同時(shí)進(jìn)行5倍光束壓縮；由拋物鏡2出射的紅外準(zhǔn)直光束進(jìn)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(fù)反射，然后再經(jīng)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(diào)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(chǎn)生干涉；干涉光束從端鏡中心孔出射進(jìn)入由拋物鏡3和折鏡2組成的后光學(xué)組件，再經(jīng)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(chǎn)生干涉信號。

圖2 探測儀原理光路

2 探測儀關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 大光程差擺臂角鏡干涉儀

依據(jù)傅里葉變換光譜儀原理，實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的關(guān)鍵是完成大光程差干涉調(diào)制。因此針對探測儀的極高光譜分辨率指標(biāo)，研制了大光程差擺臂角鏡干涉儀實(shí)現(xiàn)對被測光束的干涉調(diào)制，滿足了系統(tǒng)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(bǔ)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(huán)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(guī)邁克爾遜干涉儀增加一倍，同時(shí)也從原理上消除了由于角鏡頂點(diǎn)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(dòng)具有很好的免疫能力。干涉儀計(jì)量激光光路設(shè)置在主光路旁邊，與主光束共光路用以實(shí)時(shí)計(jì)量光程差，為干涉儀光程掃描控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)見圖3（a），分束器和補(bǔ)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(bǔ)償器鍍制寬帶增透膜，并且分束器和補(bǔ)償器設(shè)置楔角以避免非分束面的反射光進(jìn)入探測器；干涉儀光機(jī)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(dòng)角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)±25cm的光程差；計(jì)量激光器和計(jì)量激光接收裝置都集成在干涉儀主結(jié)構(gòu)上；擺臂機(jī)構(gòu)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(shù)字伺服控制系統(tǒng)控制干涉儀擺臂往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)等光程差速度雙邊干涉掃描?？刂破骼糜?jì)量激光系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)光程差信號作為反饋輸入，利用運(yùn)動(dòng)軌跡生成模塊并結(jié)合前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高魯棒性掃描控制，擺臂掃描速度穩(wěn)定度達(dá)到99.7%。

2.2 圖像反饋太陽跟蹤系統(tǒng)

在軌日出期間對太陽精確穩(wěn)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(jīng)常會出現(xiàn)變形甚至分塊的情況，常用的四象限跟蹤技術(shù)由于無法識別分塊情況而不能精準(zhǔn)跟蹤其中輻射較強(qiáng)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(guān)注。針對這個(gè)問題，探測儀采用了圖像反饋太陽跟蹤技術(shù)，在太陽變形和分塊的情況下，可以實(shí)時(shí)識別并跟蹤輻射較強(qiáng)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(shù)涉及太陽跟蹤策略設(shè)計(jì)、大氣折射校正方法和圖像反饋太陽跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

太陽跟蹤組件用于在軌日出時(shí)捕獲并自動(dòng)跟蹤太陽，將太陽輻射穩(wěn)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(jī)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(jī)為CMOS相機(jī)，像素規(guī)模512像素×512像素，幀頻25Hz，視場20mrad，約為太陽視角的2倍，相機(jī)鏡頭前設(shè)置合適衰減片以滿足動(dòng)態(tài)范圍要求；太陽跟蹤器設(shè)計(jì)為內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)軸正交串聯(lián)構(gòu)型以使內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)解耦，利用內(nèi)環(huán)俯仰外環(huán)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)跟蹤反射鏡對太陽的二維跟蹤，內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)軸均采用撓性樞軸，由于樞軸無摩擦力矩干擾，結(jié)合音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和高精度旋變角度傳感器，可以達(dá)到優(yōu)于25μrad的跟蹤穩(wěn)定度。為滿足發(fā)射段力學(xué)環(huán)境要求，太陽跟蹤器上還設(shè)計(jì)了內(nèi)外環(huán)同步全自由度鎖定裝置。鎖定時(shí)，由鎖定電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)4個(gè)傘齒輪，每個(gè)傘齒輪分別驅(qū)動(dòng)各自滾珠絲杠直線導(dǎo)軌帶動(dòng)滑塊和頂桿運(yùn)動(dòng)，4個(gè)頂桿同步穿過外環(huán)上的鎖孔并頂住內(nèi)環(huán)反射鏡，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)4向同步鎖定。

圖4 太陽跟蹤器與太陽跟蹤相機(jī)

太陽跟蹤控制系統(tǒng)功能見圖5（a）。在軌日出初期，太陽跟蹤控制器根據(jù)來自衛(wèi)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(jī)捕獲太陽圖像即自動(dòng)進(jìn)入圖像反饋閉環(huán)跟蹤環(huán)節(jié)，其中太陽圖像處理模塊進(jìn)行輻射質(zhì)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(zhì)心，并且在太陽被云層遮擋分塊時(shí)，圖像處理模塊可以分塊識別并選擇較強(qiáng)輻射的分塊質(zhì)心坐標(biāo)輸出給二維指向控制模塊進(jìn)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(shí)測太陽圖像進(jìn)行模擬處理的結(jié)果[12]，表明可以有效識別、提取變形或分塊的太陽輻射質(zhì)心信息。

圖5 圖像反饋太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)掩日觀測。現(xiàn)實(shí)中，由于大氣折射影響，太陽光會發(fā)生明顯的彎曲，并且越在大氣底層折射越強(qiáng)（如圖6所示），再加上對流層底層云的遮擋，太陽圖像會出現(xiàn)變形和分塊的現(xiàn)象。因此，對流層底層尤其值得關(guān)注，制定準(zhǔn)確可靠的太陽跟蹤策略是決定掩日觀測成功的關(guān)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(jù)計(jì)算的大氣最大折射角將探測儀視軸在主平面（衛(wèi)星、太陽和地球質(zhì)心所在的平面）內(nèi)固定指向地平線上方第一縷陽光將要出現(xiàn)的位置；

2）星上日出后，根據(jù)衛(wèi)星實(shí)時(shí)廣播的太陽矢量計(jì)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(jī)捕獲太陽圖像，即進(jìn)入圖像反饋跟蹤模式，同時(shí)仍然同步計(jì)算步驟2的指向角作為參考以便在太陽被濃云遮擋的時(shí)候進(jìn)行跟蹤指向；

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

太陽跟蹤器在光機(jī)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(nèi)環(huán)俯仰角及外環(huán)偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如圖7（b）所示。太陽跟蹤器指向鏡基座轉(zhuǎn)軸與衛(wèi)星本體軸重合，出射光與衛(wèi)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(zhuǎn)角，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向由圖7（b）定義。

圖7 太陽跟蹤器坐標(biāo)定義

由于整個(gè)掩日過程都發(fā)生在由衛(wèi)星、地球和太陽質(zhì)心所決定的主平面內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)大氣對太陽光的折射也只發(fā)生于主平面內(nèi)，因此對大氣折射的補(bǔ)償只需對太陽矢量與軸的夾角進(jìn)行修正即可。

大氣折射校正計(jì)算過程如下：

設(shè)太陽矢量與、、軸的夾角分別為θ，θ，θ，則補(bǔ)償折射角度后新的太陽矢量可表示為

根據(jù)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(nèi)環(huán)俯仰角為

太陽跟蹤器外環(huán)偏轉(zhuǎn)角為

3 試驗(yàn)測試結(jié)果

（1）光譜分辨率測試結(jié)果

利用窄線寬穩(wěn)頻激光器對探測儀光譜分辨率進(jìn)行測試，結(jié)果見圖8，光譜分辨率為0.243cm–1，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 光譜分辨率測試結(jié)果

（2）實(shí)驗(yàn)室黑體測試結(jié)果

1 000K黑體作為光源在實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境下的光譜測試結(jié)果見如圖9所示，圖中光譜沒有經(jīng)過輻射校正，縱軸代表未定標(biāo)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(jié)果

（3）外景太陽跟蹤測試結(jié)果

探測儀進(jìn)行了外景太陽跟蹤成像試驗(yàn)，所測太陽光譜見圖10。圖中光譜沒有經(jīng)過輻射校正，紫色線代表長波譜段（750~1 800cm–1），藍(lán)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(yùn)含異常豐富的大氣吸收線。根據(jù)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(jié)果

4 結(jié)束語

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀是我國第一個(gè)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(shí)現(xiàn)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(xì)成分和痕量氣體濃度。本文介紹了探測儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)情況，同時(shí)詳細(xì)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(yàn)測試結(jié)果，對于星載高光譜或掩日觀測載荷設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有參考意義。

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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(xué)工程力學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)榧t外系統(tǒng)技術(shù)。E-mail：dongxin991221@icloud.com。

2018-04-27

國家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：夏淑密）