劉倩倩，鄭玉權(quán)

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

20世紀(jì)50年代以來，隨著科學(xué)、工農(nóng)業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氟氯烴化物(CFCS)等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人類生活所排放的氣體量不斷增加，造成全球氣候變暖，溫室效應(yīng)日益加劇，從而生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞，甚至威脅人類的健康和生存。因此，精確監(jiān)測(cè)全球溫室氣體的排放狀況已成為全球各國氣候研究的一個(gè)重要方向。歐美等航天發(fā)達(dá)國家都在積極開展溫室氣體探測(cè)遙感儀器的研制工作［1］，作為發(fā)展中國家的中國也正在著手發(fā)展自己的溫室氣體遙感系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)本國和世界其他國家溫室氣體的排放情況。

大氣痕量分子光譜儀［2］(ATMOS)首次采用了高分辨率傅里葉變換型傳感器監(jiān)測(cè)大氣痕量氣體分子，使人類進(jìn)入了太空觀測(cè)大氣的新時(shí)代。隨著大面積光柵刻劃技術(shù)、探測(cè)器探測(cè)能力以及圖像處理水平等技術(shù)的進(jìn)步，目前，溫室氣體探測(cè)遙感儀器的光譜分辨率越來越高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高空間分辨率溫室氣體探測(cè)，可精確監(jiān)測(cè)大氣中溫室氣體的含量。如美國國家航空航天局(NASA)于2009年發(fā)射失敗的第一顆天基大氣CO2觀測(cè)專用的軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星［3］(Orbiting Carbon Observatory，OCO)及計(jì)劃于2013年發(fā)射的后繼星OCO-2，其CO2測(cè)量精度均被預(yù)計(jì)為(1～2)×10－6。高光譜分辨率溫室氣體探測(cè)遙感技術(shù)利用了痕量氣體診斷性光譜特征的“指紋區(qū)”—可見近紅外和紅外光譜區(qū)，通過探測(cè)器在光譜維的光譜通道展開得到高精度光譜遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)而精確反演在大氣中探測(cè)到的溫室氣體的含量信息［4］。

光譜輻射定標(biāo)是高光譜分辨率溫室氣體探測(cè)遙感儀器精確定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中光譜定標(biāo)是輻射定標(biāo)的前提和保證。光譜定標(biāo)的主要任務(wù)是確定各光譜通道的中心波長位置和通過特性(半寬度和光譜響應(yīng)函數(shù))，并以標(biāo)準(zhǔn)光譜信號(hào)為基準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)儀器在軌工作狀態(tài)下各通道的波長位置及光譜穩(wěn)定性，校正波長偏移，并測(cè)定光譜響應(yīng)函數(shù)［5］。光譜定標(biāo)可以確定遙感器系統(tǒng)光譜特性指標(biāo)，進(jìn)而為提高儀器本身可信度提供重要依據(jù)。因此為了保證超高分辨率溫室氣體探測(cè)遙感器能夠高精度反演大氣中溫室氣體含量及其變化，發(fā)射前和在軌時(shí)都要對(duì)儀器進(jìn)行光譜定標(biāo)，以監(jiān)測(cè)各光譜通道的中心波長和帶寬變化情況［6］。本文論述了當(dāng)前高光譜分辨率溫室氣體遙感器主要采用的光譜定標(biāo)技術(shù)，并且在對(duì)比幾種國外高光譜分辨率大氣痕量氣體探測(cè)儀光譜定標(biāo)技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了不同光譜定標(biāo)技術(shù)的原理、實(shí)施方法以及技術(shù)特點(diǎn)，并展望了未來超高分辨率光譜定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。

2 超高分辨率光譜定標(biāo)技術(shù)發(fā)展概況

對(duì)于具有N個(gè)通道的高光譜遙感器來說，第i個(gè)通道的輸出為［7］:

式中:Eλ為太陽光在波長λ處的輻照度;β為系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng);A為系統(tǒng)的有效光學(xué)面積;ρ(λ)為地面的反射率;τ?(λ)為大氣的光譜透過率;τo(λ)為系統(tǒng)的光學(xué)效率;Ss(λ)為遙感器色散系統(tǒng)的傳遞函數(shù);Rd(λ)為探測(cè)器的光譜響應(yīng)率;Re(λ)為電子學(xué)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)率;Eλ、ρ(λ)、τ?(λ)是與系統(tǒng)無關(guān)的量，β和A為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參量，而系統(tǒng)第i個(gè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)表示為:

考慮到實(shí)際應(yīng)用中的光學(xué)效率τo(λ)，遙感器色散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Ss(λ)、探測(cè)器的光譜響應(yīng)率Re(λ)和電子學(xué)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)率Ee(λ)的影響，系統(tǒng)的光譜響應(yīng)Si通?？捎筛咚购瘮?shù)來表征［7］:

高斯函數(shù)的半高寬a即為系統(tǒng)的光譜分辨率δλ:

通過抽樣測(cè)量第i個(gè)波段內(nèi)數(shù)個(gè)點(diǎn)的光譜響應(yīng)，利用光譜定標(biāo)裝置的標(biāo)定數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可獲得超光譜成像的光譜響應(yīng)度曲線。圖1可以較好地表征系統(tǒng)第i波段的實(shí)際光譜響應(yīng)的高斯擬合曲線，做歸一化處理后兩端響應(yīng)50%的波長差作為光譜帶寬δλ，擬合的高斯相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線最大值對(duì)應(yīng)的位置即為譜段的中心波長λc(i)。

圖1 光譜響應(yīng)的高斯擬合曲線Fig.1 Gauss fitting curve of spectral response

通過光譜定標(biāo)可以得到系統(tǒng)各通道的光譜響應(yīng)曲線、中心波長以及光譜分辨率(半高寬)等參數(shù)。這些參數(shù)可以用來表征高光譜遙感器的光譜探測(cè)能力。只有在精確標(biāo)定了探測(cè)器光譜特性(中心波長和半高寬等參數(shù))的前提下，才能保證遙感器準(zhǔn)確測(cè)量到氣體分子的吸收光譜，實(shí)現(xiàn)氣體含量的精確反演。

圖2為探測(cè)器典型的相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線，其中相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線最大值對(duì)應(yīng)的位置即為該譜段的中心波長λc(i)，光譜取樣間隔Δλ是指相鄰?fù)ǖ赖闹行牟ㄩL之差，光譜分辨率即為光譜帶寬δλ。圖3為光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)立方體及光譜響應(yīng)曲線。

目前高光譜遙感器常用的光譜定標(biāo)方法主要有譜線燈定標(biāo)法、單色準(zhǔn)直光定標(biāo)法、可調(diào)諧激光器定標(biāo)法和基于大氣分子特征吸收譜線的氣體吸收池定標(biāo)法等。

2.1 采用譜線燈的光譜定標(biāo)技術(shù)

元素光譜燈是指能夠發(fā)出特定波長光譜的各種不同氣體或金屬蒸汽的蒸汽放電燈，其準(zhǔn)確的譜線信息可以根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的元素光譜燈發(fā)射線數(shù)據(jù)庫查到。根據(jù)遙感儀器的探測(cè)波段，選擇在該波段內(nèi)至少擁有兩條以上發(fā)射譜線的元素光譜燈進(jìn)行光譜定標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中主要用到的定標(biāo)儀器包括譜線燈、漫射板(漫透射板或漫反射板)以及計(jì)算機(jī)等，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置中把漫透射板放在譜線燈和待標(biāo)定儀器之間，以保證譜線燈發(fā)出的光能均勻地充滿遙感器的入瞳。

圖2 光譜響應(yīng)度曲線及光譜參數(shù)定義Fig.2 Spectral response curves and define illustration of spectral parameters

圖3 光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)立方體及光譜響應(yīng)曲線Fig.3 Data cube of spectral calibration and spectral response curves

圖4 譜線燈光譜定標(biāo)裝置圖Fig.4 Diagram of spectrum lamp spectral calibration setup

采用光譜燈進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)，首先點(diǎn)燃譜線燈使之穩(wěn)定十幾分鐘后再進(jìn)行測(cè)量。通過光譜定標(biāo)燈提供的若干條已知波長的譜線照射，遙感器的CCD探測(cè)器會(huì)輸出“像元序號(hào)—響應(yīng)信號(hào)”光譜圖，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并處理譜線燈光譜定標(biāo)輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、尋峰、峰位-波長配對(duì)以及回歸分析。在對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行暗信號(hào)校正等預(yù)處理后，通過尋峰處理找到光譜燈譜線對(duì)應(yīng)的CCD像元序號(hào)，包括峰的提取、篩選與定位，然后將峰位和波長進(jìn)行配對(duì)，最后采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析找出像元序號(hào)與波長之間合適的相關(guān)關(guān)系函數(shù)表達(dá)式，建立光譜CCD像元位置與其波長值關(guān)系的多項(xiàng)式定標(biāo)函數(shù)，得到儀器的光譜定標(biāo)方程［8］，從而完成像元中心波長的定標(biāo)。式(5)即為用i階勒讓德正交多項(xiàng)式表示光譜CCD像元位置與其波長值關(guān)系的定標(biāo)函數(shù)。

式中:Ci為第i階勒讓德多項(xiàng)式系數(shù)項(xiàng);x為CCD像素位置;fli(x)是第i階勒讓德多項(xiàng)式項(xiàng);f(x)對(duì)應(yīng)于像素位置x的定標(biāo)波長。

光譜定標(biāo)要求所選擇的譜線燈能夠發(fā)射出待定標(biāo)儀器波長范圍內(nèi)的譜線，且譜線數(shù)量足夠、分布均勻;譜線的波長不確定度小，帶寬小于待定標(biāo)儀器的帶寬的1/10;譜線的強(qiáng)度足夠，且相差不大;能夠通過調(diào)整儀器積分時(shí)間使探測(cè)器既不飽和，又具有較高的信噪比。圖5顯示了ORIEL提供的氬燈光譜譜線圖。

圖5 氬燈發(fā)出的特征譜線Fig.5 Typical line output of 6030 argon lamp

大氣痕量氣體掃描成像光譜儀［9］(The SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHarto-graphY，SCIAMACHY)用于探測(cè)大氣中的主要痕量氣體(H2O、CO2、CH4、N2O、CO)的分布，SCIAMACHY［10］具有 8個(gè)光譜通道，包括第1～4通道的紫外光譜區(qū)和第5～8通道的近紅外光譜區(qū)，其中第7光譜通道(1.940～2.040 μm)的光譜分辨率可以達(dá)到0.2 nm。

SCIAMACHY內(nèi)置空心陰極譜線燈用于星上光譜輻射定標(biāo)。發(fā)射前首先在實(shí)驗(yàn)室采用外置光譜燈與內(nèi)置空心陰極燈對(duì)探測(cè)器像元中心波長定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比較校準(zhǔn)［10］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)置光譜燈光譜定標(biāo)時(shí)會(huì)受到儀器內(nèi)部其他光路系統(tǒng)的遮擋，使得使用內(nèi)置譜線燈標(biāo)定中心波長的位置與采用外置光譜燈標(biāo)定中心波長的位置偏移0.07 nm，通過比較兩次光譜定標(biāo)的譜線線形對(duì)內(nèi)置光源定標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)表進(jìn)行校正。SCIAMACHY在軌進(jìn)行譜線燈星上光譜定標(biāo)時(shí)，把其作為不確定因素，并且通過Falk［11］算法得到譜線的像元位置，最后根據(jù)實(shí)際與理論計(jì)算譜線位置擬合推演各譜段準(zhǔn)確的中心波長，從而精確監(jiān)測(cè)探測(cè)器中心波長的穩(wěn)定性。

譜線燈定標(biāo)法是采用物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)譜線法［12］進(jìn)行光譜定標(biāo)的一種快速而方便的方法。摻雜稀土元素的特征譜線法與之類似，也是一種為多數(shù)遙感器常用的星上光譜輻射定標(biāo)方法。

2000年發(fā)射的EO-1上的高光譜成像儀載荷Hyperion［13］就采用了摻雜漫反射板法標(biāo)定探測(cè)器像元的中心波長。利用摻雜稀土元素的特征譜線進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)，首先使光源照射到一塊光譜反射比基本為100%的聚四氟乙烯板上，該板反射的輻射充滿探測(cè)器的視場(chǎng)并記錄下數(shù)據(jù)。然后，將該聚四氟乙烯板移開并用一塊摻有一種稀土元素的聚四氟乙烯板取代，兩幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的比值去除了探測(cè)器光譜響應(yīng)和光源光譜輸出的影響，再將測(cè)得的比值去除系統(tǒng)的參數(shù)模型的影響，最后與摻有稀土元素平板的光譜曲線做最小方差擬合，便可以得到探測(cè)器每個(gè)像元的中心波長值。中光譜分辨率成像光譜儀［14］(Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)也利用該方法對(duì)在軌時(shí)探測(cè)器的光譜特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)校正。

譜線燈光譜定標(biāo)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作的優(yōu)點(diǎn)。目前大部分高分辨率溫室氣體探測(cè)遙感器都選用譜線燈用于星上光譜輻射定標(biāo)。例如便攜式弱光成像光譜儀(PHILLS)［15］、高分辨率成像光譜儀(HRIS)［16］、SCIAMACHY［17］等儀器在軌運(yùn)行中都用到了具有相應(yīng)的定標(biāo)燈進(jìn)行光譜定標(biāo)，監(jiān)測(cè)探測(cè)器工作狀態(tài)下光譜特性的穩(wěn)定性。

利用譜線燈光譜定標(biāo)會(huì)存在一些不確定的因素:例如NIST所給出波長的不確定度，定標(biāo)燈的穩(wěn)定性，采用算法的不確定度，譜峰定位的不確定度以及回歸過程的不確定度等;同時(shí)定標(biāo)燈譜線的帶寬與當(dāng)前高光譜分辨率溫室氣體探測(cè)遙感探測(cè)器的光譜帶寬相比較寬。這些因素都限制了該技術(shù)在高分辨率光譜定標(biāo)方面的應(yīng)用。

2.2 單色儀+平行光管的光譜定標(biāo)技術(shù)

單色準(zhǔn)直光定標(biāo)法是利用連續(xù)輸出的單色準(zhǔn)直光作為定標(biāo)光源對(duì)儀器的光譜響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定的光譜定標(biāo)方法。該方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍的中心波長和光譜分辨率的標(biāo)定，具有定標(biāo)精度高、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)譜線定標(biāo)方法不能對(duì)光譜帶寬進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定的不足。

采用單色儀對(duì)遙感器進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)，通常是將寬帶光源發(fā)出的光耦合進(jìn)單色儀中，經(jīng)過平行光管產(chǎn)生單色平行光進(jìn)入待標(biāo)定遙感器的入瞳中，進(jìn)而標(biāo)定儀器每個(gè)像元的中心波長和光譜響應(yīng)函數(shù)。圖6為單色儀光譜定標(biāo)的基本原理圖。

圖6 單色儀光譜定標(biāo)基本原理圖Fig.6 Basic schematic diagram of monochromator spectral calibration

單色儀光譜定標(biāo)步驟最早由Grgg Vane［18］教授提出，并在機(jī)載可見紅外成像光譜儀(AVIRIS)［19］后續(xù)定標(biāo)過程中對(duì)部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，其定標(biāo)基本步驟被中分辨率成像光譜儀(MODIS)［20］、緊湊型機(jī)載光譜遙感器(COMPASS)［21］等大部分色散型光譜成像儀以及 SCIAMACHY［10］采用。圖7顯示了AVIRIS光譜定標(biāo)系統(tǒng)框圖［19］。

圖7 AVIRIS單色儀光譜定標(biāo)系統(tǒng)框圖Fig.7 Diagram of spectral calibration system for AVIRIS monochromator

AVIRIS光譜定標(biāo)系統(tǒng)主要由鹵鎢燈光源、Jarrell-Ash生產(chǎn)的82-487型單色儀、單色儀控制器、平行光管以及計(jì)算機(jī)組成［18］。實(shí)驗(yàn)中把鹵鎢燈放置單色儀入口處，調(diào)整單色儀出入口尺寸并放置于平行光管的前焦面上，調(diào)節(jié)平行光管，使其充滿儀器入瞳。接著通過單色儀控制器以1 nm為步長調(diào)節(jié)單色儀，選擇數(shù)個(gè)光譜譜段，計(jì)算機(jī)采集定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄下儀器特定光譜譜段的響應(yīng)輸出值，畫出某個(gè)光譜譜段波長與響應(yīng)輸出值之間的關(guān)系圖，從而確定段中心波長位置和半高寬度，然后畫出譜段與相應(yīng)中心波長值的關(guān)系圖［18］。最后用最小二乘法擬合的方法推測(cè)其他未測(cè)譜段的中心波長。AVIRIS光譜定標(biāo)的最大偏差為2.1 nm。

在發(fā)射前，為了保證SCIAMACHY儀器本身的可靠性，利用單色準(zhǔn)直光在真空罐中對(duì)探測(cè)器的光譜特性進(jìn)行標(biāo)定。其中針對(duì)SCIAMACHY［13］探測(cè)器的譜段范圍選擇240～700 nm氙氣燈和400～2 400 nm鹵素?zé)糇鳛楣庠?單色儀的光譜為240～2 400 nm，在 λ=300 nm 帶寬，Δλ≥1 nm，在λ=600 nm帶寬，Δλ≥10 nm(單色儀已校準(zhǔn)，內(nèi)部雜散光影響可以忽略);采用類似AVIRIS光譜定標(biāo)方案及數(shù)據(jù)處理方法完成對(duì)探測(cè)器各光譜譜段的中心波長和半高寬的標(biāo)定［14］。由于SCIAMACHY三個(gè)分光光柵對(duì)入射光的偏振態(tài)非常靈敏，所以同時(shí)利用單色儀發(fā)出具有一定極化方向的單色偏振準(zhǔn)直光對(duì)儀器進(jìn)行偏振態(tài)修正［22］。

單色準(zhǔn)直光光譜定標(biāo)法可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)高精度標(biāo)定寬光譜范圍的中心波長和光譜分辨率。但是由于單色儀出縫造成出射單色平行光不均勻會(huì)對(duì)定標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生1 nm的影響。繼AVIRIS之后，很多高光譜分辨率遙感器在采用單色準(zhǔn)直進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)均采取一定措施對(duì)單色儀出射光進(jìn)行勻光，例如COMPASS［23］在單色儀之后采用積分球進(jìn)行勻光。但是經(jīng)過勻光后的信號(hào)會(huì)變?nèi)酰壳暗拇竺骊囂綔y(cè)器譜響應(yīng)度和探測(cè)器圖像處理水平有限，這些因素都會(huì)對(duì)高分辨率光譜定標(biāo)造成一定困難。

在采用單色準(zhǔn)直光對(duì)探測(cè)器進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)，要求單色儀的波長準(zhǔn)確度達(dá)到 δλ/10(δλ為探測(cè)器的光譜分辨率)，標(biāo)定單色儀的帶寬要低于δλ/10。隨著大氣溫室氣體空間探測(cè)遙感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于光譜分辨率高達(dá)0.04 nm的溫室氣體探測(cè)儀器來說，光譜定標(biāo)是一個(gè)關(guān)鍵。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)高光譜分辨率溫室氣體探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度的標(biāo)定，所采用的標(biāo)定單色儀波長準(zhǔn)確度要達(dá)0.004 nm以上，帶寬要低于0.004 nm。而目前定標(biāo)單色儀的波長準(zhǔn)確度在 ±0.05 nm［24］，美國MODEL2062 2-m單色儀配備2 400 lp/mm的光柵能提高到0.003 nm的光譜分辨率。因此，采用單色儀不能精確標(biāo)定高光譜分辨率溫室氣體探測(cè)器的中心波長，但是可以對(duì)探測(cè)器帶寬定標(biāo)。

利用單色儀對(duì)高光譜分辨率遙感器帶寬定標(biāo)時(shí)，定標(biāo)裝置輸出單色準(zhǔn)直光，如圖6所示。分別用已知相對(duì)光譜響應(yīng)度的光譜輻射計(jì)和待標(biāo)定遙感器對(duì)單色準(zhǔn)直光觀測(cè)，根據(jù)二者的輸出信號(hào)比值和光譜輻射計(jì)的相對(duì)光譜響應(yīng)度就可以確定出探測(cè)器每個(gè)譜段的相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線。

回到家里，叫龍斌服了藥，又上了一會(huì)網(wǎng)，竹韻便把煤爐上面的熱水倒出來給龍斌洗臉擦洗身子，這是她每晚必做的功課。長時(shí)間坐著的截癱病人，如不勤擦洗身子，是會(huì)發(fā)褥瘡的。竹韻在龍斌的配合下剝了個(gè)精光，因?yàn)榱?xí)慣了，兩人都極為自然，沒有半點(diǎn)難堪。龍斌的身體已經(jīng)畸形，腰部以下癱瘓部位嚴(yán)重萎縮，而上身卻開始發(fā)福。竹韻把他用力抱進(jìn)一只裝有熱水的大盆里，然后扶他坐在水中擦洗。洗罷，給他推進(jìn)房里，扶他上床穿上干凈衣褲。竹韻累出了一身大汗，也轉(zhuǎn)身進(jìn)了衛(wèi)生間洗澡。

標(biāo)定時(shí)，通過單色儀的掃描，讀出遙感器的輸出信號(hào)Vs(λ)，然后用一個(gè)已知相對(duì)光譜響應(yīng)度S(λ)的參考探測(cè)器取代待標(biāo)定遙感器，重復(fù)上述操作，獲得參考探測(cè)器的輸出V(λ)，則待標(biāo)定遙感探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度Ss(λ)可用下式計(jì)算:

再對(duì)Ss(λ)作歸一化處理，可以得出相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線，從而得到探測(cè)器的半寬度、中心波長等參數(shù)。

2.3 可調(diào)諧激光器的光譜定標(biāo)技術(shù)

隨著與波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的可調(diào)諧激光器技術(shù)的發(fā)展，可調(diào)諧激光器在高分辨率光譜定標(biāo)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?？烧{(diào)諧激光器具有在連續(xù)調(diào)諧范圍內(nèi)進(jìn)行窄線寬掃描的特點(diǎn)［25］，例如目前市面可以買到絕對(duì)波長精度＜5 pm，波長分辨率為1 pm的可調(diào)諧激光光源。光譜定標(biāo)時(shí)，使可調(diào)諧激光器在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變輸出激光的波長，根據(jù)探測(cè)器在特定光譜譜段的響應(yīng)輸出值，利用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理算法對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成光譜定標(biāo)工作。

采用可調(diào)諧激光器進(jìn)行超高分辨率光譜定標(biāo)時(shí)主要用到的實(shí)驗(yàn)儀器有可調(diào)諧激光器、波長計(jì)、平行光管以及積分球等。在保證儀器系統(tǒng)參數(shù)不變的情況，針對(duì)系統(tǒng)帶寬把激光器的波長調(diào)諧到待定標(biāo)儀器波長范圍內(nèi)的特定波長，等待激光器發(fā)出的激光達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)激光器輸出不同波長值，最后通過采集多幅光譜圖完成光譜定標(biāo)。

NASA的第一顆天基大氣CO2觀測(cè)專用衛(wèi)星OCO［26］主要由 3個(gè)通道光柵光譜儀組成:0.757～0.772 μm(O2的吸收波段);1.590 ～1.621 μm(CO2的弱吸收波段)和 2.041～2.082 μm(CO2的強(qiáng)吸收波段)。在 O2的吸收波段光譜分辨率可以達(dá)到0.04 nm，CO2氣體理論監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)(1 ～2)×10－6［27］。

實(shí)驗(yàn)室對(duì)OCO的光譜特性進(jìn)行標(biāo)定時(shí)選擇采用對(duì)應(yīng)光譜通道的3個(gè)瞬時(shí)線寬均小于1 mHz可調(diào)諧二極管激光器，并在激光器后放置旋轉(zhuǎn)的毛玻璃消除激光散斑影響。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光纖傳輸一部分進(jìn)入波長計(jì)用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光的波長，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(jīng)過積分球進(jìn)行勻光之后的激光經(jīng)過平行光管均勻地充滿真空罐內(nèi)探測(cè)器的入瞳。經(jīng)過可調(diào)諧激光器每次掃描，探測(cè)器得到相應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線。OCO采用的可調(diào)諧激光器定標(biāo)裝置，如圖8所示。

激光的光強(qiáng)可以通過探測(cè)器在任何時(shí)間內(nèi)的采樣疊加得到，并通過對(duì)采集到的信號(hào)在采樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行平均，從而消除激光信號(hào)浮動(dòng)對(duì)采集信號(hào)的影響，提高了儀器的信噪比。實(shí)驗(yàn)中可以通過激光掃描得到部分像元的光譜響應(yīng)函數(shù)，然后根據(jù)各像元之間光譜響應(yīng)函數(shù)的規(guī)律性變化確定所有像元的光譜特征參數(shù)［28］。

圖8 可調(diào)諧激光器光譜定標(biāo)裝置圖Fig.8 Diagram of tunable laser spectral calibration setup

圖9表明某一次掃描時(shí)響應(yīng)像元中心波長的三次擬合關(guān)系使殘差最小。

確定OCO探測(cè)器中間響應(yīng)像元的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線時(shí)，首先在中間響應(yīng)像元左右取160個(gè)Δλ分段點(diǎn)進(jìn)行采樣，圖10(b)中垂直線代表某個(gè)波段預(yù)先設(shè)定好的Δλ分段點(diǎn)。通過在每個(gè)預(yù)先設(shè)定好的Δλ插入合適的光譜響應(yīng)函數(shù)，建立一個(gè)查找表描述Δλ采樣點(diǎn)的光譜響應(yīng)函數(shù);然后用一個(gè)合適的三次多項(xiàng)式對(duì)Δλ分段采樣點(diǎn)處的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行擬合，歸一化得到掃描時(shí)響應(yīng)像元的光譜響應(yīng)函數(shù)輪廓表;最后通過對(duì)響應(yīng)像元的光譜響應(yīng)函數(shù)平均歸一化得到每次掃描時(shí)中間像元光譜響應(yīng)函數(shù)曲線。通過對(duì)激光器的19次依次掃描重復(fù)以上處理過程，就得到每次掃描過程中所有中間像元的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線。

圖9 像元中心波長的多項(xiàng)式擬合過程Fig.9 Polynomial fitting process of spectral dispersion

圖10 一次掃描過程中11個(gè)像元的光譜響應(yīng)曲線和函數(shù)Fig.10 Spectral response curves and functions of 11 pixels in scanning

為了確定OCO探測(cè)器所有像元的光譜響應(yīng)函數(shù)，通過分別找到一個(gè)多項(xiàng)式描述預(yù)先設(shè)置好的160個(gè)Δλ分段點(diǎn)作為像元的序列號(hào)函數(shù)。由于掃描過程中可能不包含光譜譜段邊緣處的像元光譜響應(yīng)變化信息，因此在波段邊緣處像元的光譜響應(yīng)函數(shù)不能用光滑多項(xiàng)式擬合。所有Δλ分段點(diǎn)用多項(xiàng)式擬合后，再次對(duì)每個(gè)像元光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行歸一化，就得到每個(gè)像元以Δλ分段點(diǎn)的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線。圖11顯示某次掃描時(shí)邊緣像元和中間像元的光譜響應(yīng)曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明邊緣像元的光譜響應(yīng)曲線可能不是所希望的對(duì)稱線形。

圖11 像元的響應(yīng)函數(shù)(實(shí)線代表掃描中間像元的響應(yīng)，虛線代表邊緣像元的響應(yīng))［28］Fig.11 Pixel response profiles derived from the tunable diode-laser data(the core pixel(sold)，the wing pixel(dash))

為了確保OCO探測(cè)器光譜定標(biāo)的準(zhǔn)確度，OCO還采用已經(jīng)標(biāo)定的超高光譜分辨率地面凝視型FTS進(jìn)行交叉定標(biāo)，通過比對(duì)兩者對(duì)太陽光譜的響應(yīng)曲線，對(duì)可調(diào)諧激光器光譜定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，提高了儀器的定標(biāo)精度。

可調(diào)諧激光器可以窄線寬掃描，所以與單色準(zhǔn)直光相比可調(diào)諧激光器光譜定標(biāo)法可以實(shí)現(xiàn)更高精度中心波長和更高光譜分辨率的標(biāo)定，但是采用可調(diào)諧激光器進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)，在探測(cè)器的光譜范圍內(nèi)不能同時(shí)得到多條譜線、一次性完成定標(biāo)工作，另外激光器波長不穩(wěn)定等隨機(jī)因素也會(huì)對(duì)定標(biāo)結(jié)果造成一定的影響。

2.4 氣體吸收池的光譜定標(biāo)技術(shù)

氣體吸收池法作為目前高分辨率溫室氣體探測(cè)遙感器經(jīng)常采用的光譜定標(biāo)方法之一，它是基于大氣分子特征吸收譜線，具有高精確度的一種高分辨率光譜定標(biāo)方法。由于氣體分子吸收線極其狹窄，遠(yuǎn)小于探測(cè)器的光譜分辨率，而且氣體分子吸收光譜資料很容易通過有關(guān)數(shù)據(jù)庫獲取，利用氣體分子吸收光譜數(shù)據(jù)庫中相關(guān)氣體吸收譜線信息可以精確標(biāo)定探測(cè)器各個(gè)譜段的中心波長。溫室氣體探測(cè)器TANSO-FTS(Thermal and Near Infrared Sensor for Carbon Observation)［30］采用氣體吸收池法實(shí)現(xiàn)精確標(biāo)定探測(cè)器的光譜特性。

氣體吸收池光譜定標(biāo)法需要采用的定標(biāo)裝置包括光源、平行光管和氣體池等。光譜定標(biāo)過程中，光源發(fā)出的光經(jīng)過平行光管準(zhǔn)直為一束平行光，然后平行光從入射光口耦合進(jìn)入氣體吸收池中，光經(jīng)過具有一定光程吸收池內(nèi)部氣體的吸收，最后從氣體池出射光口出射的光變?yōu)閹в卸?biāo)氣體特征吸收譜線的平行光。出射平行光被探測(cè)器所接收得到一個(gè)光譜響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已知的氣體分子吸收庫的數(shù)據(jù)(例如HITRAN數(shù)據(jù)庫等)，通過模擬計(jì)算出吸收譜線。把通過模擬計(jì)算出吸收譜線與實(shí)際測(cè)量得到的光譜曲線進(jìn)行匹配，確定探測(cè)器的中心波長，實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜定標(biāo)。氣體吸收池光譜定標(biāo)法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示，圖13為模擬計(jì)算的吸收譜線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜曲線進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)象像中心波長的精確標(biāo)定。

圖12 氣體池光譜定標(biāo)裝置圖Fig.12 Diagram of gas cell spectral calibration setup

實(shí)驗(yàn)過程中須測(cè)量同樣外界條件下充氣和真空氣狀態(tài)的儀器的光譜響應(yīng)曲線(或者測(cè)量同樣外界條件下入氣口和出氣口的儀器的光譜響應(yīng)曲線)，最后將氣體(出氣口)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果除以真空(入氣口)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，即為氣體本身的吸收光譜，如圖14所示。根據(jù)定標(biāo)氣體吸收線在儀器探測(cè)譜段內(nèi)吸收強(qiáng)度以及儀器本身的信噪比、環(huán)境影響等因素，選擇吸收池的光程對(duì)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器高分辨率光譜定標(biāo)，減小定標(biāo)誤差尤為重要。采用氣體吸收池光譜定標(biāo)方法所能達(dá)到的理論定標(biāo)精度很高，實(shí)驗(yàn)中通過采取降低氣體分壓比、穩(wěn)定定標(biāo)環(huán)境(特別是氣流影響)、嚴(yán)格控制溫度等措施可以提高實(shí)際定標(biāo)精度［31］。

圖13 模擬計(jì)算吸收譜線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜曲線的匹配Fig.13 Match of simulated spectral absorption lines with experimental curve

圖14 獲得的氣體吸收譜線Fig.14 Acquired gas absorption lines

TANSO-FTS用于精確監(jiān)測(cè)大氣中CO2和CH4含量，由4個(gè)傅里葉型光譜儀組成。4個(gè)光譜儀的光譜分別為:0.758～0.775 μm(O2的吸收波段)，1.562 ～ 1.724 μm(CO2、CH4的吸收波段);1.923 ～2.083 μm(CO2強(qiáng)的吸收波段);5.556 ～14.286 μm(CO2、CH4、O3的吸收波段)，其中 O2吸收譜段的光譜分辨率高達(dá)0.04 nm［32］。

實(shí)驗(yàn)室在標(biāo)定TANSO-FTS中心波長時(shí)首先采用了1.31 μm激光器［33］，但考慮到激光器波長不穩(wěn)定等隨機(jī)因素對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響，同時(shí)采用氣體吸收池光譜定標(biāo)法對(duì)激光器標(biāo)定的TANSOFTS各譜段中心波長的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。采用氣體池對(duì)TANSO-FTS進(jìn)行光譜定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中選用孔徑為130 mm，池體長為1 m，光學(xué)路徑長為3 m的氣體池。通過流量計(jì)控制池內(nèi)的壓力穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，把氣體池放置于熱輻射光源和TANSOFTS探測(cè)器之間，利用氣體池模擬大氣吸收過程進(jìn)行測(cè)試［34］，如圖15 所示。

圖15 TANSO-FTS采用氣體池模擬大氣吸收過程［33］Fig.15 Simulation of atmospheric absorption process using gas cell［35］ for TANSO-FTS

圖16 CO2吸收池方法的光譜定標(biāo)結(jié)果［33］Fig.16 Spectral calibration by CO2cell measurement

圖16顯示利用模擬氣體池模擬大氣吸收過程對(duì)TANSO-FTS探測(cè)器進(jìn)行光譜定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中通過選擇氣體池內(nèi)氣體的至少50條吸收線計(jì)算出CO2采樣吸收波數(shù)和參考吸收波數(shù)的差異，準(zhǔn)確標(biāo)定出激光器發(fā)出激光的波長。通過氣體吸收池實(shí)驗(yàn)校正后，對(duì)TANSO-FTS探測(cè)器光譜定標(biāo)結(jié)果精度達(dá)到已標(biāo)定激光光譜采樣(0.2 cm－1)的2%［35］。同時(shí)利用吸收池質(zhì)量流量調(diào)整控制閥控制吸收池內(nèi)CO2的濃度在0% ～100%內(nèi)變化，可以測(cè)定儀器響應(yīng)與濃度變化的線性關(guān)系。

SCIAMACHY探測(cè)器進(jìn)行光譜特性標(biāo)定時(shí)，第7通道采集到的雙線信息會(huì)妨礙定標(biāo)有效性，而第8通道壞像元?jiǎng)t造成全通道中心波長位置偏移從而影響定標(biāo)結(jié)果準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)針對(duì)這兩個(gè)特殊通道采用氣體吸收池模擬大氣吸收過程進(jìn)行光譜定標(biāo)［36］。光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)表明SCIAMACHY 波長穩(wěn)定性達(dá)0.003 nm［15］。

3 超高分辨率光譜定標(biāo)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

物質(zhì)特征譜線光譜定標(biāo)法在中心波長和光譜帶寬確定上不如采用單色準(zhǔn)直光的光譜定標(biāo)方法準(zhǔn)確，但比較容易實(shí)現(xiàn);單色準(zhǔn)直光定標(biāo)法雖然可以實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍高精度的定標(biāo)，但是受到單色儀本身標(biāo)定準(zhǔn)確度以及實(shí)驗(yàn)中其他不確定因素的影響，限制了定標(biāo)精度的進(jìn)一步提高;而可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光不穩(wěn)定性也成為基于可調(diào)諧激光器的高分辨率光譜定標(biāo)的瓶頸;采用氣體池實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜定標(biāo)的方法雖然理論上可以達(dá)到很高的精度，但是對(duì)定標(biāo)環(huán)境的要求比較高，氣流、溫度等因素都可能對(duì)定標(biāo)精度造成顯著影響。

目前國際上的主要大氣探測(cè)遙感器SCIAMACHY、溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星(GOSAT)、OCO都采用多種定標(biāo)技術(shù)相互結(jié)合互補(bǔ)的方法對(duì)遙感儀器的光譜特性以及在軌穩(wěn)定性進(jìn)行標(biāo)定。從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展來看，未來高分辨率光譜定標(biāo)主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展:(1)采取提高單色儀的波長準(zhǔn)確度、分辨率或者提高激光掃描波長穩(wěn)定性等措施實(shí)現(xiàn)定標(biāo)儀器本身可靠性;(2)綜合月亮、太陽星上定標(biāo)結(jié)果，加強(qiáng)對(duì)儀器光譜特性的在軌監(jiān)測(cè);(3)優(yōu)化光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法;(4)綜合應(yīng)用多種光譜定標(biāo)方法等。針對(duì)大氣痕量氣體探測(cè)高光譜分辨率、高精度反演的特點(diǎn)，可選擇在實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)單色準(zhǔn)直光標(biāo)定儀器帶寬的基礎(chǔ)上，采用可調(diào)諧激光器或者氣體吸收池精確標(biāo)定探測(cè)器的中心波長，同時(shí)采取交叉定標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以提高溫室氣體探測(cè)遙感器光譜特性的標(biāo)定準(zhǔn)確度，確保儀器可信度，從而保證儀器對(duì)大氣中溫室氣體含量的反演精度。

國外高分辨率溫室氣體探測(cè)遙感器光譜定標(biāo)的成功經(jīng)驗(yàn)也為我國近期開展的溫室氣體探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施提供了借鑒。

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