摘要：为了大气垂直探测仪能够进行精确的光谱测量，对其进行光谱定标。大气垂直探测仪使用面阵探测器，由于离轴像元接收的光线不平行于光轴，使仪器函数发生变化。本文针对大气垂直探测仪使用的 16×4 元面阵探测器理论分析给出仪器函数，讨论其对光谱定标的影响，并将利用理论分析结果及利用气体吸法测得的光谱，大气垂直探测仪进行了光谱标定，光谱定标精度达10-5。采用面阵探测器的干涉仪，边缘视场像元所测光谱会向低频漂移，因此必需研究干涉仪的仪器函数，从而消除光谱漂移对边缘视场光谱定标的影响。
1 引 言
大气垂直探测仪作为新型的航空航天遥感仪器将搭载于下一代三轴稳定卫星——风云四号气象卫星上。它是一种成像式的傅里叶变换光谱仪，利用地球表面和大气的红外辐射特性，在空间探测大气温度、湿度与成分的三维分布，探测臭氧总量、云、二氧化碳和水汽含量，是一种多通道光谱测量仪器。这种仪器将会为我国中期数值天气预报提供极有价值的气象资料，对于实现我国新一代气象卫星全球、全天候、三维、定量遥感目标具有重大的意义。与传统的光栅光谱仪和滤光片光谱仪相比，傅里叶变换光谱仪具有高通量、多同道、波数准确度高和高光谱分辨率等优点，是空间环境探测较为优越的光谱探测仪器。为了实现成像探测，仪器采用面阵探测器对多个视场进行并行探测。前人对辐射面源离轴效应对迈克尔逊干涉仪光谱线形的影响，干涉仪角反射镜非准直对谱线形状的变形，做了较为详尽的讨论。本文着重研究空间视场和面阵探测器对大气垂直探测仪光谱定标的影响。本文研究了离轴探测元位置变化对仪器线形函数的影响，通过几何位置和波数分布的关系，得到 ILS 的频率漂移和幅度的变化，并针对大气垂直探测仪面阵探测器结构，模拟ILS 线形，并将结果用于评价大气垂直探测仪的光谱标定，最终得出的光谱定标精度表明该仪器已达到设计要求。
2 仪器线形函数ILS
在傅里叶变换光谱学中，仪器线形函数ILS 定义为干涉仪系统对频率为 v0的单色光源的系统响应，主要决定于干涉仪动镜的运动范围(窗口截断)，同时也受到有限视场[3-4]、光学衍射和失准直[5]等因素的影响。
由于动镜运动的光程差有限，需要对干涉图进行矩形窗函数截断，截断窗函数的傅里叶变换为sinc 函数。根据傅里叶变换的特性：
探测元中心偏离干涉仪光轴的距离为 r，角度为θ，取探测元平面上一点dA，探测元所在像面的焦距为f，如图2 所示。离轴光线几何位置为
矩形探测器所接收到的光与矩形探测器对轴心张角成正比。矩形探测元对轴心张角 φ 分布与矩形四个顶点到轴心的半径相关。如图3 所示，(xc, yc)是矩形中心，A 和 B 是矩形探测元的半宽和半高，假设目标为朗伯体，则ILS 归一化强度则为该方形探测元所截取的干涉弧长与整个干涉环圆周长的比值，即φ/2π。
式中：rmin, rc1, rc2, rmax为矩形的四个顶点到原点的距离，其排列顺序为由小到大。
3 测试系统
大气垂直探测仪光谱测试系统如图4 所示，黑体的出射光阑在平行光管的焦点处，其后紧跟气体吸收池，经平行光管扩束后入射到大气垂直探测仪。由气体吸收法测得标准气体的吸收光谱，用于大气垂直探测仪的光谱定标。实验中使用的黑体为上海技术物理研究所生产的 HFY-200B 型黑体，其温度范围为室温+5℃~627℃，黑体空腔开口φ12mm，温度分辨率0.1℃。气体池为美国Reflex 公司生产的Teflon 红外光谱测试专用气体池，窗口材料为 ZnSe，通光孔径 25mm，有效吸收光程 10cm。实验室温度24±2℃，湿度38±1。
4 大气垂直探测仪的光谱定标
风云四号大气垂直探测仪位于35800km的静止轨道，整个仪器由前置望远镜系统、干涉分光系统、探测器系统组成。仪器的成像关系如图5 所示。望远镜视场 0.6°，干涉仪视场4.8°，角度放大率为 θi/θt=4.8°/0.6°=8，星下分辨点为 16km/像元，即 448μrad(0.0257°)/像元，折算到干涉仪部分则为 0.2048°/像元。每个探测元纵向间隔 0.057°(4.44km)，横向间隔0.2048°(16km)，探测器与干涉仪的角度关系如图5 所示，与地面影像比较，存在8 倍的角度放大率。探测器阵列如图5 所示，探测器1～16与 4～1 外测定点线的中点，安装时对应光轴位置。因此整个面阵探测器无轴上像元，选择较为边缘和较靠轴心的 1～15 和 2～8 探测器为例进行光谱定标。根据式(9)，像元 1～15 和2～8 的由于离轴效应引起的 ISL如图6 所示。大气垂直探测仪长波段为685～1130cm-1，由式(9)在 1130cm-1处展宽最为明显。所以以该波数为例，由式(10)所得仪器函数如图7 所示，由图可知卷积后离轴效应引起的展宽及不对称效应消失，这是由于离轴效应引起的展宽相对截断效应引起的展宽较小，所以未引起卷积后曲线波形和线宽的变化。但卷积后离轴效应造成光谱中心波长向低波数偏移，且边缘探测器较中心探测器明显。所以不同的探测器标定时，需用不同的参数。
实测吸收谱如图8 所示，在其中选择四根谱线作为参考进行标定。所选光谱位置的参考光谱值(精度优于0.0005cm-1)实测光谱值与光谱校正后的光谱值如表 1 所示。由于在对干涉图采样时，用激光波长作为采样间距，且激光干涉光路与红外干涉光路间存在夹角，这就使得有效的激光波长要小于激光器实际波长。但在做光谱反演时，使用的是激光器波长实测值，这就使得实际采样间距小于计算中的理论值。傅里叶变换中有：
其中：x 为实际采样间隔，a 小于1，所以反演后所得的光谱，如表1 所示相对参考值波数偏大。且像元1～15所实测光谱值要小于像元2～8，这是由于离轴效应所导致的光谱红移引起的。仪器要求定标精度为10-5，由表中数据可知已基本达到设计要求。
5 结 论
本文研究了 ILS 对光谱定标的影响，即边缘视场像元所测光谱会产生红移，并应用于实验，利用气体吸收法对大气垂直探测仪进行了光谱定标，定标结果基本达到设计要求。对大气垂直探测仪的光谱定标，气体吸收法是一种高精度光谱定标和 ILS 测定的好方法。通过这种方法对大气垂直探测仪的光谱和仪器线形函数的测定，知道大气垂直探测仪的光谱分辨率达到了设计要求。这种光谱定标所能达到的理论精度很高，实际精度为 3～20ppm。如果要求进一步提高精度，则可通过采取降低气体分压比加大吸收光程，稳定定标环境，特别是气流影响，严格控制温度等措施。
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基金项目：中科院创新基金(070725)
作者简介：刘 鹏(1979-)，男(汉族)，山东济南人，博士，主要研究工作是航天傅里叶干涉仪定标。E-mail: liu_2000peng@yahoo.com.cn
