薛 慶 生

(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)

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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(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)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(shù)指標(biāo)，設(shè)計和研制了多譜段雙視場紫外大氣探測儀原理樣機(jī)。該樣機(jī)光學(xué)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(jī)質(zhì)量約為3 kg，體積為Φ90 mm×300 mm。對樣機(jī)的靜態(tài)傳遞函數(shù)和像面照度均勻性進(jìn)行了測試。測試結(jié)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(shè)計指標(biāo)要求。該原理樣機(jī)體積小、重量輕，滿足空間光學(xué)遙感儀器小型化和輕量化的要求。

光學(xué)設(shè)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(zhì)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(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)兩種觀測方式的優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)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(yīng)用的雙視場紫外大氣探測成為國際大氣探測領(lǐng)域發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)課題之一。

目前，國內(nèi)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(yàn)儀(Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment，SOLSE)[7]和臨邊臭氧反演試驗(yàn)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(shù)指標(biāo)設(shè)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(jī)。對樣機(jī)的靜態(tài)傳函、像面照度均勻性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該樣機(jī)具有天底10°和臨邊360°×(141.8°～146.6°)的綜合觀測能力，優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)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(shù)在全球空氣質(zhì)量和氣候監(jiān)測中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2　觀測原理與技術(shù)指標(biāo)

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(jié)合地面的光譜輻亮度定標(biāo)數(shù)據(jù)，可以獲得在軌實(shí)測的大氣光譜輻亮度數(shù)據(jù)，大氣科學(xué)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(zhì)量和大氣環(huán)境監(jiān)測、大氣光化學(xué)過程研究等服務(wù)。

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(jié)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(xiàn)，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(guān)鍵。該波長也可以與上述兩個波長配對使用，進(jìn)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(zhǔn)地球臨邊50 km高度，儀器與臨邊觀測點(diǎn)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(qiáng)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(xué)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(xué)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(biāo)且留出一定余量，紫外大氣探測儀光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)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(jìn)行仿真計算?？紤]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?yàn)閰⒖挤较?，輻射具?60°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(diǎn)，確定光學(xué)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(nèi)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(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　雙視場紫外大氣探測儀的主要技術(shù)指標(biāo)

3　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

從技術(shù)指標(biāo)可以看出，多譜段雙視場紫外大氣探測儀的光學(xué)系統(tǒng)要實(shí)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(shè)計帶來了很大的難度。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)濾光片輪實(shí)現(xiàn)不同譜段的探測。

一般光學(xué)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(dá)到73.3°，若按余弦的4次方關(guān)系，邊緣視場照度僅為中心視場照度的0.68%，遠(yuǎn)不能滿足像面照度均勻性優(yōu)于90%的指標(biāo)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(diǎn)的照度，從而達(dá)到提高像面照度均勻性的目的。第一種方法：優(yōu)化設(shè)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(shè)計時，利用光闌像差中的光闌彗差[12-13]標(biāo)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(shí)際口徑大于中心視場光束的實(shí)際口徑，從而提高大視場的像面照度。實(shí)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(shè)計時，在光學(xué)設(shè)計軟件中控制漸暈系數(shù)為負(fù)值，使K1>1，K2>1，提高像面照度均勻性。

優(yōu)化設(shè)計的雙視場紫外大氣探測儀光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示，光學(xué)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(xué)傳遞函數(shù)在特征頻率38.5 lp/mm 處均大于0.8，滿足光學(xué)系統(tǒng)MTF≥0.5的指標(biāo)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(diǎn)的實(shí)際位置與視場角ω之間的關(guān)系容易標(biāo)定。圖8為像面的相對照度隨視場角的變化關(guān)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(dá)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(xué)結(jié)構(gòu)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(jī)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(shè)計和制備，帶外截止深度達(dá)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(shí)物照片。3種窄帶濾光片固定在濾光片輪上，通過旋轉(zhuǎn)濾光片輪進(jìn)行切換，濾光片輪結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(nèi)。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(jī)體積為Φ90 mm×300 mm，質(zhì)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(jié)構(gòu)圖

圖12　紫外大氣探測儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(biāo)模擬板組成雙視場紫外大氣探測儀整機(jī)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(yīng)目標(biāo)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(jī)靜態(tài)傳遞函數(shù)測試現(xiàn)場，目標(biāo)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(biāo)板的強(qiáng)度輪廓，分別如圖15和圖16所示。整機(jī)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(qiáng)度和暗條紋的強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)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(zhuǎn)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(biāo)要求。

圖14　靜態(tài)傳函測試照片

圖15　天底視場目標(biāo)模擬板的強(qiáng)度輪廓

圖16　臨邊視場目標(biāo)模擬板的強(qiáng)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(jī)，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(shè)計指標(biāo)要求。

5　結(jié)　論

為滿足天底和臨邊綜合紫外大氣探測的需求，本文設(shè)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(jī)。該樣機(jī)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(jī)的性能進(jìn)行了測試，天底視場和臨邊視場的整機(jī)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(shè)計指標(biāo)要求。多譜段雙視場紫外大氣探測儀原理樣機(jī)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(lǐng)域中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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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(jī)所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、航空、航天成像光譜技術(shù)及光譜和輻射定標(biāo)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(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41575023，No.41105014)；中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所科技前沿領(lǐng)域創(chuàng)新項(xiàng)目

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

V447.1；V476

A

10.3788/OPE.20162409.2101