星载大气痕量气体差分吸收光谱仪搭载于太阳同步轨道的卫星上, 进行天底观测、 面阵推扫, 能够实现一日全球覆盖从而监测全球关键大气成分的分布。 该光谱仪在轨运行时通过铝漫反射板观测太阳光谱, 观测光路示意图如图1所示。 首先打开太阳光挡板, 太阳光通过太阳光孔照射到铝漫反射板上, 同时旋转光路切换反射镜至太阳光位置, 此位置不仅使来自铝漫反射板的太阳光进入望远镜主光路, 而且阻挡了来自主镜方向的地球大气散射光。 太阳光照射到铝漫反射板上后, 经漫反射形成一定角度内的漫射光照亮光路切换反射镜, 从而进入主光路, 再反射到望远镜次镜上, 然后聚焦到光谱仪入射狭缝处, 经光谱仪获得太阳光谱。

图1

Fig.1

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	图1 在轨观测光路图Fig.1 Optical path of onboard observing system

图2为文中研究的铝漫反射板的朗伯特性测量结果, 反映了铝漫反射板的漫反射光谱强度的空间分布。 观测角度为铝漫反射板法线成± 70° 的空间范围, 光谱范围为350~750 nm, 纵轴为探测器响应, 对应漫反射光的空间分布强度。

图2

Fig.2

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	图2 铝漫反射板的朗伯特性Fig.2 Lambert characteristics of aluminum diffuser

从图2中可以看出, 在铝漫反射板法线± 70° 的空间范围内光强分布近似成余弦分布, 图3为铝板与标准余弦比较结果, 铝漫反射板测量结果相对于标准板测量结果的标准偏差值为3.5%, 说明此铝漫反射板具有较好的朗伯特性。 太阳光入射到铝漫反射板的粗糙面上, 能够在光谱仪的入射狭缝处产生均匀的光源, 但是由此带来的一个不利影响是粗糙面上所有散射点光源会在入射狭缝处产生散斑效应, 从而引入光谱结构。

图3

Fig.3

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	图3 铝漫反射板观测结果与标准余弦Fig.3 Aluminum diffuser and standard cosine curve

星载光谱仪在轨观测太阳光时, 太阳光入射到漫反射板的粗糙面上, 从粗糙面上散射的光进入到光谱仪的入射狭缝, !并在入射狭缝处产生散斑效应, 散斑强度由粗糙面上所有散射点光源相干叠加得到^{[7, 8]}。 光谱仪将入射狭缝中的光色散并成像于探测器上, 探测像元上散斑像数目的变化将在太阳光谱中引入光谱结构。 一般情况下因为太阳光的相干长度很短, 散斑效应不容易被观测到。 由于光谱仪探测器每个像元限定一定的波段, 在较小的波段范围内对应的相干长度变得较长, 所以到达每个像元的光线将会产生干涉现象也即散斑效应。 相干长度L_c由式(1)得到

Lc=λ02Δλ(1)

式(1)中, λ ₀为像元中心波长, Δ λ 为像元对应的波段范围。 例如对于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪, 一个像元对应的波段范围0.12 nm, 对于中心波长为600 nm的像元, 相干长度为3 mm, 粗糙面上散射点光源很容易在此像元上产生散斑效应, 进而影响星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的探测精度。

由于漫反射板光谱结构相对于入射光谱强度较小, 不能直接在观测到的光谱中观察到, 但可以从不同观测角度下观测的两条谱的比值得到。 为此在实验室设计了一种装置对漫反射板的光谱结构进行测量, 装置示意图如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 光谱结构测试装置Fig.4 Spectral structure measuring device

图4中旋转平台上安装有漫反射板安装槽, 探测器放置在旋转平台的旋转臂上, 旋转臂可以绕着旋转轴转动, 安装槽固定不动, 旋转轴上安装有码盘, 旋转角分辨率为1度, 光源采用氙灯光源, 氙灯发出的光经准直系统后入射到漫反射板上。 进行铝漫反射板光谱结构测量时, 将漫反射板安装在旋转平台上, 打开氙灯光源并调整入射光角度, 设置探测器空间探测范围, 探测器在此空间范围旋转, 以1度间隔进行光谱采样。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪在轨运行时, 太阳光入射角度的标称值为10° , 对漫反射板的观测角度为17° ~37° , 测量时设定入射光线与漫反射板法线夹角为10° , 观测角度为15° ~40° , 在观测角度以1° 间隔进行采样。

漫反射板光谱结构大小I_S(θ , λ )可由不同角度下观测的漫反射板光谱I_diff(θ , λ )的比值得到

IS(θ, λ)=Idiff(θ+Δθ, λ)Idiff(θ, λ)(2)

其中θ 和λ 分别为光源入射角度、 波长, Δ θ 为观测角度间隔, 角度间隔由星载成像光谱仪星上定标角度间隔确定。

为分析观测角度下的光谱结构, 取观测角度内测量的所有光谱的平均值作为参考值, 其他观测角度与此参考值的比值作为光谱结构, 结果图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 不同观测角度下的光谱结构Fig.5 Spectral structures in different observation angles

图中从上到下依次为观测角度15° , 20° , 25° , 30° , 35° 下的结果。 为定量得到铝漫反射板光谱结构的大小, 可引入SFA(spectral features amplitude)对光谱结构的振幅进行定量描述, SFA可以从漫反射板光谱结构的标准偏差计算得出^[9], 即计算光谱结构在Δ λ 内的标准偏差I_SFA(Δ λ ), 如式(3)所示

其中$\overline{I_{S}(\lambda)}$为Δ λ 内光谱结构的平均值, n为Δ λ 内的像元数。 根据式(3)计算图5中观测角度20° 下光谱结构的SFA, 如图6所示, 计算中选取的波段范围为Δ λ =10 nm。

图6

Fig.6

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	图6 观测角度为20° 时的SFAFig.6 SFA in observation angle 20°

由图6可知, 在波段450~600 nm, SFA基本保持不变, 大小为0.2%~0.6%; 在波段600~750 nm, SFA逐渐增大, SFA为0.3%~1.6%。

光谱结构依赖于漫反射板的照明角度、 光谱仪的观测角度、 漫反射板的表面粗糙度、 光谱分辨率等多种因素。 所以在实际应用中, 降低光谱结构最有效的方法为对观测到的独立的光谱进行求平均, 即对不同角度下观测的光谱进行求平均后, 将会大大降低漫反射板引入的光谱结构。 这是由于平均效应是对探测像元上的散斑进行求平均, 一方面可以弱化散斑数目对光谱结构的影响, 另一方面平均效应也会使得散斑之间的对比度降低, 降低了探测像元上的散斑效应。 对图5光谱结构进行求平均得到光谱结构平均值, 并根据式(3)计算光谱结构平均值的SFA, 并与单次观测(角度20° )光谱结构的SFA进行比较, 结果如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 单次观测角度和多角度平均的SFA结果对比Fig.7 SFA in average and single observation

由图7可知, 平均效应使得铝漫反射板引入的光谱结构有较大的降低, 将图7中平均后与单次观测的SFA进行对比, 降低约76%。 基于漫反射板光谱结果的降低, 会减少其对气体吸收结果影响, 提高反演精度^{[10, 11]}。

在利用太阳谱和地球大气谱进行反演时, 太阳光谱中的漫反射板光谱结构将会引入到地球大气谱中, 从而影响气体的大气吸收谱, 最终导致气体反演精度的降低。 在实验室通过对铝漫反射板光谱结构进行测量, 定量得到了其光谱结构大小, 并通过相关算法降低光谱结构, 以降低其对气体反演精度的影响。 光谱结构对气体反演精度影响的定量研究是下一步的工作。