摘要：空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。

摘要：为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量<0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围≥0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。

摘要：为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。

摘要：针对超光谱遥感中，传统定标光源和目标光源光谱精细结构不匹配、精确度量困难，影响定标精度的难题，提出了一种基于数字微镜器件和光谱仪结构的新型光谱可调光源，并设计了该光源的光学系统。详细描述了这种光源系统的工作原理，确定了光学系统的设计方案，计算了系统的结构参数，并说明了具体的设计过程。设计结果表明：在0.4~1.0μm的设计波段上，光学系统整体性能接近衍射极限，各波长点列图RMS半径小于3.5μm，各波长MTFs在37 lp/mm空间频率处都达到0.8左右，满足设计要求。这种新型的光谱可调光源，有望提高目标光谱精细结构模拟的准确度，可利用基于标准探测器的方法进行精确度量，有利于降低超光谱遥感仪的定标不确定度。

摘要：黑体参考光源辐亮度精度是决定红外遥感器绝对辐射定标精度的关键因素。为了提高黑体辐亮度测量精度,设计了一种直接测量黑体辐亮度的红外标准辐亮度计。描述了整个系统的光机设计方案和工作原理,利用高精度水浴黑体对辐亮度计进行定标。实验结果表明:辐亮度计的1 h非稳定性优于0.03%;测量黑体辐亮度不确定度达0.22%,相当于308 K时辐亮度温度不确定度73 mK。该标准辐亮度计具有系统级测量、高精度溯源等优点,可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的溯源。

摘要：大气CO2卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO2的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO2卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO2反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O2-A、1.6和2.06μm CO2三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数(PPDF)的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器(OCO-2)的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO2与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O2-A、1.6和2.06μm CO2三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO2,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO2的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络(TCCON)中的Park Falls(45.945°N,90.273°W)站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星(GOSAT)数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO2反演结果系统偏低2×10^-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO2反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%(~4 ppm)的CO2反演精度来说,提供了有力支撑。

摘要："高分五号"卫星于2018年5月9日成功发射,是我国第一颗高光谱观测卫星,大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷,采用空间外差光谱技术进行高光谱分光,是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理,包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成,核心单元为一体化胶合干涉仪,为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平,载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置,可满足光谱及辐射定标要求。最后,梳理了载荷数据处理的基本流程,并对首批观测数据进行了光谱复原,成功获取了1级数据产品,为下一步温室气体反演应用奠定了基础。

摘要：为了提高太阳绝对光谱辐照度仪的波长定标精度,提出了用线阵CCD作为位置传感器进行波长定标的方案,完成了0.4～1.0μm波长的定标。根据仪器的安装结构和Fèry棱镜的参数,描述了波长与CCD像元的对应关系,制定了定标与计算方法,并介绍了器件的选型及线阵CCD的时序驱动和输出信号的处理。在室内波长定标中,利用可调谐激光器作为光源,确定了CCD像元与中心波长的对应关系,并通过光谱扫描进行了验证。在室外开展了太阳观测实验,并与可见-短波红外光谱仪做了对比。实验结果表明,波长定位精度优于0.5nm,测量的光谱曲线吸收峰与大气典型吸收谱线吻合,同时验证了波长定标方案的可行性与CCD电子学设计的合理性。

摘要：论述了太阳漫射板星上定标原理,研究了太阳漫射板衰减监测方法。针对星上太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)的衰变,设计了以太阳为参照,通过与星上漫反射板反射辐射量比对测量实现监测功能的多波段星上漫反射板衰减监测辐射计(SDDM)。介绍了星上定标与漫射板监测的关系,设计了SDDM积分球两开口入光+挡板的光机结构,消除了入射光角度变化与探测器响应的相关性。根据光机结构设置的监测过程,给出了SDDM的监测物理模型,并对SDDM滤光片探测器动态范围设置及信噪比进行了验证和分析。在实验室模拟了太阳照射SDDM太阳观测端口的角度变化,对其透过率模型进行了多次重复测量,结合漫射板相对双向反射比因子(BRF)测量不确定度、卫星姿态及漫射板安装误差进行分析,得到SDDM测量的漫射板监测不确定度优于0.88%。

摘要：星上定标器作为遥感卫星在轨辐射定标装置,定标漫反射板(SD)作为定标器中的参考标准板,其结构设计的可靠性将直接影响到星上定标器的定标精度。为了得到星上定标漫反射板结构在航天力学条件下的响应情况,通过振动实验台模拟对其进行加速度过载和随机振动响应特性进行了测试,获得了定标漫反射板组件的加速度过载响应特性、固有频率和随机振动响应特性。同时,为了考察星上定标漫反射板的光学特性,进行了方向半球反射比(DHR)、双向反射分布函数(BRDF)等光学特性的测量。结果表明,漫反射板组件在航天力学条件下强度和刚度都满足设计要求,基频大于120 Hz;而且漫反射板具备高反射率(大于99%)、光谱平坦性、朗伯性等优良光学特性,满足航天应用要求。