摘 要: 用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理，设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机，该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner 光谱成像系统组成，工作谱段为 280 ～ 390 nm 和 560 ～ 780 nm，通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这 2 个波段。高光谱成像仪原理样机质量为 15 kg，体积 500 mm ×350 mm ×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明，空间分辨力为0. 44 mrad，光谱分辨力为1. 3 nm，均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小，在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。
1 引 言
大气污染是全球环境变化的焦点，传统监测大气污染技术已经越来越不能满足科学研究和国家决策的需求，基于卫星平台的大气痕量气体探测可以得到高频次、大尺度、长时间污染物时空分布特征和变化趋势，进而研究大气化学变化对全球气候和生物地球化学循环的影响。基于卫星平台进行大气痕量气体探测已成为监测大气环境的重要手段[1]。基于卫星平台进行大气痕量气体探测有天底、临边、掩星( 掩日/月) 3 种探测方式。天底探测方式的垂直分辨率不能满足大气上下层相互作用及全球变化过程研究; 掩星探测方式具有很高的垂直分辨率和观测精度，但是，由于其只在卫星所在位置的日出和日落时段进行探测，故其空间覆盖率极低。作为一种新的探测方式，临边探测方式的垂直分辨率高，并且空间覆盖率也很高，因此受到人们的青睐，已成为国际上基于卫星平台大气痕量气体探测领域研究的热点和前沿[2]。
星载高光谱成像仪是一种能同时获得图像信息和光谱信息的新型光学遥感仪器，在环境灾害监测、资源勘察、大气痕量气体探测等诸多领域受到人们的极大关注[3-8]。2001年，瑞典成功研制了高光成像仪 OSIRIS[9]，重点对大气中的臭氧、NO2和气溶胶进行探测，2011 年 10 月，美国的高光谱成像仪 OMPS/LP[10]搭极轨卫星平台 NPP 发射成功，主要用 于测量大气中臭氧等痕量气体的分布。在国内，用于大气痕量气体的临边高光谱成像仪处于刚刚起步阶段。
本文首先分析了以临边探测方式对大气痕量气体进行探测的原理，根据应用要求设计并研制了用于大气临边探测的高光谱成像仪原理样机，对该样机的性能进行了检测，并对检测结果进行了分析。该高光谱成像仪的研制成功，提升了我国在大气痕量气体探测领域的技术水平，在下一步的空间大气遥感中有巨大的应用潜力。
2 大气临边高光谱探测原理
利用 O3、NO2、SO2等大气痕量气体在不同波段对太阳光的散射和吸收特性的差异，通过对星载高光谱成像仪观测的经过大气痕量气体消弱后的紫外/可见波段的散射光谱辐射光谱信息的解译，获得大气成分的总量或垂直分布特征。大气临边高光谱探测原理如图 1 所示，高光谱成像仪对沿地球某高度切线方向上的大气进行探测，接收来自于仪器视轴上视场内大气层的散射辐射。
通过上下改变仪器的视轴高度，可获得整层大气的垂直结构。从而为大气环境监测和气象预报等服务。
3 应用要求及技术指标
图 2 为各种大气痕量气体对应的探测波段，从图中可以看出，在紫外/可见波段，对 O3、H2CO、SO2、BrO、NO2等大气痕量气体有明显的探测优势。因此取高光谱成像仪的工作波段为紫外/可见波段，即 560 ～780nm 和280 ～390 nm。卫星平台的轨道高度 H 按 400 km 计算，则仪器到临边观测点的距离 L 为 2 294 km，根据反演大气痕量气体的要求，临边垂直方向空间分辨力≤1. 2 km，光谱分辨力在 560 ～780 nm 波段≤1. 5 nm，在 280 ～ 390 nm 波段≤0.75 nm。根据以上要求，确定高光谱成像仪的主要技术指标如表 1 所示。
4 光学系统设计
高光谱成像仪光学系统可以分为前置望远系统和光谱成像系统 2 部分，目标场景经前置望远系统成像在入射狭缝上，入射狭缝连接前置望远系统和光谱成像系统。光学系统的优化选择可以在满足高光谱成像仪性能要求的同时，减小高光谱成像仪的体积和重量。为简化结构，前置望远系统采用单片的反射式离轴抛物面，避免了色差的影响，并且减小了球差。离轴抛物面镜的焦距为120 mm，离轴量为 25 mm。
入射狭缝可以看成光谱成像系统的物，光谱成像系统对入射狭缝成像。从入射狭缝出射的光束投射到准直镜上，经准直镜准直后入射到色散元件上，经色散元件色散后投射到成像镜上，经成像镜分波长成像在 CCD 探测器的不同位置上，其中一维为光谱维; 另一维为空间维。在色散元件选择上，主要考虑到光谱分辨力和色散均匀性[11]的要求，选择光栅作为色散元件。凹面光栅存在较大的像差，凸面光栅[12]的像差校正能力强，但加工工艺还不成熟，且对具体的要求需要定制，通用性不好，因此选择平面光栅作为色散元件。在可见波段 ( 560 ～780 nm) 利用光栅的一级色散，在紫外波段 ( 280 ～390 nm) 利用光栅的二级色散，通过将紫外 / 可见滤光片分别移入光路实现紫外/可见 2 个波段分别探测。传统的平面光栅光谱仪( 如单色仪和光谱辐射计等) 普遍采用是 Czerny-Turner 结构[13]。传统的 Czerny-Turner 结构的准直镜和成像镜均为球面，由于光线对球面镜的离轴入射，像散很严重，空间分辨力很低。另外由于光栅的位置靠近两镜的焦点，像差校正不均匀，不同波长的成像质量差别很大。显然，传统的 Czerny-Turner 结构不能满足高光谱成像仪的应用要求。因此，从两方面对传统的 Czerny-Turner 结构进行了改进: 一是把原球面聚焦镜改为超环面聚焦镜来校正像散; 二是将光栅的位置由聚焦镜的曲率中心附近移到聚焦镜的曲率中心附近[14]，即光栅到聚焦镜的距离为Lgc= 2r2tcos α2时，像差校正比较均匀，各波长可以同时获得良好的成像质量。其中，r2t、α2分别为超环面聚焦镜子午方向的曲率半径和超环面聚焦镜的离轴角。为减小体积和重量，在超环面成像镜和平面衍射光栅加入一个平面镜进行光路折叠。
高光谱成像仪全系统光学结构由前置望远系统与改进的 Czerny-Turner 光谱成像系统组成，如图 3 所示。图4 为高光谱成像仪不同谱段的光学传递函数( modulationtransfer function，MTF) 曲线，在特征频率 20 lp / mm 处不同谱段的 MTF 均大于 0. 5，即在整个工作波段内同时获得了良好的成像质量，满足设计指标要求。
5 高光谱成像仪系统集成及性能检测
5. 1 高光谱成像仪系统集成
选取英国 E2V 公司的一款 CCD[15-18]( E2VCCD47-20) 探测器作为成像探测器，其具有紫外增强、帧转移、暗电流低、灵敏度高等特点。图 5 为其量子效率曲线。像元尺寸为 13 μm ×13 μm 像元数为 1 024 × 1 024( 2 × 2合并使用) 。根据光学设计参数，设计了机械支撑结构，对高光谱成像仪进行了系统集成，图 6 为高光谱成像仪的实物照片，体积 500 mm × 350 mm × 200 mm，质量15 kg，满足设计指标要求.
5. 2 空间分辨力检测
空间分辨力检测是高光谱成像仪研制的必要环节，是评价高光谱成像仪成像质量的的关键。空间分辨力检测装置主要包括目标模拟板、平行光管、积分球光源等。其中，目标模拟板采用美军标 MIL-STD-150A 三条靶，其图案如图 7 所示。三条靶空间频率可以表示为:
目标模拟板放置于平行光管的焦点处，积分球光源照亮目标模拟板，以模拟无穷远的目标，满足空间分辨力检测需求。图 8( a) 为空间分辨力检测时面阵探测器上所成的目标板的图像，图像的垂直方向为空间方向，从上到下对应的空间频率分别为 8 lp/mm、8. 98 lp/mm、10. 1 lp / mm、11. 3 lp / mm、12. 7 lp / mm、14. 3 lp / mm、4 lp / mm; 水平方向为光谱色散方向。图 8( b) 为目标板图像沿一个中心列( 670 nm) 的 DN 值变化曲线。由图 8( b) 可知，能分辨的最大空间频率为 14. 3 lp/mm，平行光管焦距 fc= 159. 6 mm，高光谱成像仪系统焦距为 fp=126. 8 mm，所以高光谱成像仪原理样机的空间分辨率Np为:
5. 3 低压汞灯光谱测量及光谱分辨力检测
在实验室内，将标准汞灯光源置于平行光管的焦点处，从平行光管出射的平行光进入高光谱成像仪进行测量。图 9 为低压汞的光谱图像，从图 9 可以看出，两条标准双黄线 576. 96 nm 和 579. 07 nm 明显分开，这表明在578 nm 处的光谱分辨力明显优于 2 nm。
准确地检测高光谱成像仪的光谱分辨力利用 He-Ne激光作为光源，波长 λ 为 632. 8 nm，线宽为 0. 001 nm。激光的细光束经激光扩束器扩束后充满高光谱成像仪的入瞳，为防止由于激光光束过强而对 CCD 探测器造成损害，在高光谱成像仪前加一个透过率为 0. 01% 的中性减光片。图 10 为 He-Ne 激光的光谱图，其半高全宽为1. 3 nm，高光谱成像仪样机光谱分辨力为 1. 3 nm，满足设计指标要求。
6 结 论
分析了以临边观测方式进行大气痕量气体探测的原理，根据反演大气痕量气体的需要，设计并研制了用于大气临边探测的紫外/可见高光谱成像仪原理样机，对原理样的空间分辨力和光谱分辨力性能进行了检测，空间分辨力为 0.44 mrad，光谱分辨力为 1. 3 nm，均满足设计指标要求。用于大气临边探测的高光谱成像仪在大气痕量气体探测领域具有广泛的应用前景，它的研制成功，标志着我国在大气痕量气体探测领域又迈上了一个新台阶，为下一步在卫星平台上的应用奠定了技术基础。
参考文献
[1] 施海亮，方勇华，熊伟，等. 空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用[J]. 大气与环境光学学报，2010，5( 6) : 463-468.
[2] 薛庆生，王淑荣，李福田，等. 临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究[J]. 光谱学与光谱分析，2010，30( 6) : 1697-1701.
[3] 刘玉娟，巴音贺希格，崔继承，等. 凸面光栅成像光谱仪的干涉法装调[J]. 光学 精密工程，2011，19( 8) : 1736-1742.
[4] 程欣，洪永丰，张葆，等. 插入 Féry 棱镜的小型Offner 超光谱成像系统的设计[J]. 光学 精密工程，2010，18( 8) : 1773-1780.
[5] 张军强，吴清文，颜昌翔. 星载成像光谱仪杂散光测量与修正[J]. 光学 精密工程，2011，19( 3) : 552-560.
[6] 李素文，司福祺，赵鑫. 基于光学遥感技术获取近地面气溶胶消光系数的方法研究[J]. 电子测量与仪器学报，2009，23( 9) : 69-73.
[7] 江洁，王昊予，张广军. 一种大视场姿态角传感器的光学系统设计[J]. 仪器仪表学报，2010，31 ( 1) :68-72.
[8] 李先锋，颜昌翔，于平. 五相混合式步进电动机在空间扫描驱动机构中的应用[J]. 光学 精密工程，2011，19( 4) : 797-804.
[9] WANG C，SHI R H，ZHOU C，et al. Comparison ofSCIAMACHY and AIRS CO2measurements over Chinafrom 2003 to 2005[J]. SPIE，2011，8156: 81560N-1-1-81560N-9.
[10] DITTMAN G D，LEITCH J，CHRISP M，et al. Limbbroad-band imaging spectrometer for the NPOESS ozonemapping and profiler suite ( OMPS) [J]. SPIE，2002，4814: 120-130.
[11] 薛庆生，王淑荣，鲁凤芹. 星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究[J]. 光学学报，2009，29( 1) :35-40.
[12] 黄元申，陈南曙，张大伟，等. 一种凸面光栅 Offner结构成像光谱仪的设计方法[J]. 仪器仪表学报，2008，29( 6) : 1236-1239.
[13] 万峰，孙宏伟，范世福. 紫外可见光谱仪色散系统小型化及固态化问题的研究[J]. 仪器仪表学报，2006，27( 11) : 1437-1440.
[14] XUE Q SH，WANG SH R，LU F Q. Aberration-correc-ted Czerny-Turner imaging spectrometer with a wide spec-tral region[J]. Applied Optics，2009，48( 1) : 11-16.
[15] 周阳，王磊，周涛. 前视红外跟踪成像消旋组件综合测控系统设计[J]. 电子测量与仪器学报，2010，24 4) : 391-395.
[16] 张毅刚，曹阳，项学智. 静态背景差分运动目标检测研究[J]. 电子测量与仪器学报，2010，24 ( 5) :494-499.
[17] 马庆军，宋克非，曲艺，等. 紫外临边成像光谱仪 CCD电路系统的设计[J]. 光学 精密工程，2011，19( 7) :1538-1545.
[18] 李鹏飞，许金凯，程少园，等. LCOS 人眼像差校正仪的系统控制实现[J]. 仪器仪表学报，2010，31( 3) :525-529.
作者简介
薛庆生，2005 年于鲁东大学获得学士学位，2010 年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，现为中国科学院长春光学紧密机械与物理研究所副研究员，主要研究方向为光学系统设计、空间遥感成像光谱技术及光谱辐射定标。E-mail: qshxue2006@ 163. com
林冠宇，2003 年于吉林大学获得硕士学位，2007 年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，现为中国科学院长春光学紧密机械与物理研究所副研究员，主要研究方向为紫外遥感仪器设计。E-mail: linguanyu76072@ sohu. com
