郭宝泽 1,2,3,4石恩涛 1,2,3,*王咏梅 1,2,3,4武志昆 1,2,3,4
1 中国科学院国家空间科学中心环境探测室，北京 100190
2 天基环境探测北京重点实验室，北京 100190
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190
4 中国科学院大学，北京 100190
对星载仪器的回传数据进行分析，发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数（ISRF）的“漂移”，从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题——狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程，建立了合理的光学模型，利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析，得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联，研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响，量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化，并提出一种提高探测精度的方法。
成像光谱仪 光学仿真 狭缝匀光器 傅里叶光学 光学学报
2023, 43(18): 1812006
武志昆 1,2,3,4石恩涛 1,3,4王咏梅 1,2,3,4,*郭宝泽 1,2,3,4
1 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室，北京 100190
4 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190
为了有效校正透射式色散型成像光谱仪系统的谱线弯曲，提出了一种基于狭缝离轴的畸变补偿方法。该方法首先假设中心波长谱线弯曲得到校正，计算出色散元件的入射角随狭缝长度的变化关系；接着对狭缝进行离轴处理，利用准直镜的畸变得到色散元件的目标入射角，从而校正中心波长的Smile畸变（谱线弯曲），剩余波长的Smile畸变和Keystone畸变（色畸变）向外弯曲，整体呈枕形畸变；最后使用会聚镜的畸变校正剩余谱线弯曲。利用该方法设计了一款反射光栅型成像光谱仪，在各项参数满足设计要求的同时，利用准直镜畸变校正了系统的谱线弯曲，基于该设计研制了原理样机，系统Smile畸变最大为12.9 μm，Keystone畸变最大为6.4 μm，测试结果满足系统的设计要求，证明了该方法的可行性。
光学器件 成像光谱仪 准直镜 谱线弯曲 畸变补偿 光学学报
2022, 42(24): 2423001
武志昆 1,2,3,4石恩涛 1,3,4,*王咏梅 1,2,3,4郭宝泽 1,2,3,4李鹏达 1,3,4
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
4 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8 μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。
测量 光谱仪 偏振敏感度 会聚光路 退偏器 光学学报
2022, 42(10): 1012001
1 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
2 天基空间环境探测北京市重点实验室，北京 100190
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190
4 中国科学院大学，北京 100049
针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题，提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角，再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上，校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下，对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性，设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪，点列图均方根(RMS)半径小于8 μm，满足成像质量要求，Smile为1.50 μm、Keystone为3.52 μm，均小于0.2倍像素。设计结果表明，通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile，利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴，利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。
光学设计 成像光谱仪 棱镜-光栅-棱镜 Bragg衍射 谱线弯曲 optical design imaging spectrometer prism-grating-prism Bragg diffraction Smile 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200433
基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据对临近空间高度(60~110 km)的大气温度反演进行了研究及结果分析。 首先, 基于正演模型分别模拟了无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值, 基于这两种模拟数据分别进行了临近空间大气温度反演, 并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析, 确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为温度观测的判断依据。 温度通过影响线强和自吸收两部分来影响辐射强度, 且温度对它们的影响正好相反, 权函数就是用来表示温度对辐射强度影响大小的函数, 而反演结果的差距可从其权函数中得到规律。 在无噪声情况下, 当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时, 权函数未发生正负翻转, 温度反演精度较高, 平均反演偏差为4.1 K; 当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时(主要位于60~80 km高度), 权函数发生正负翻转, 原因是自吸收降低了辐射强度对温度的灵敏度, 此时温度的反演精度较差, 平均反演偏差达到34.9 K。 此外, 在有噪声的情况下, 强线比弱线的抗干扰能力更强, 反演精度更高, 在实际观测中也更适合用于温度的反演, 所以线强的强弱也是谱线选择的另一个重要的依据。 基于辐射弱线, 进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响, 结果表明: 辐射越强, 信噪比越大, 温度的反演精度越高, 反之则越低。 当气辉谱线线强达到10-26时, 也可以用于80 km以上的温度反演并获得较好的反演结果, 反演精度<5 K。
氧气A带 温度反演 临近空间 Oxygen A-band Temperature retrieval Near space 郭宝泽 1,2,3,4,*石恩涛 1,2,3王咏梅 1,2,3张贤国 1,2,3
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 天基环境探测北京重点实验室, 北京 100190
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
4 中国科学院大学, 北京 100190
针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10 μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。
光学设计 成像光谱仪 消色差 二级光谱
1 中国电子科技集团公司第 34研究所，广西桂林 541004
2 广西师范大学物理科学与技术学院，广西桂林 541004
基于倏逝波理论，利用熔融拉锥技术，采用多种光纤，研制出了一种可以用于激光集束的多芯的全光纤器件。这种器件具有插入损耗小和器件芯间平行度高等优点。现已研制成功 19芯和 37芯光纤集束器，插入损耗＜1 dB。这种新型光纤器件为光纤放大网络(FAN)集束提供一体化的阵列集束光纤，提高空间利用率，便于在大规模使用光纤的环境中应用。
倏逝波 熔融拉锥 全光纤器件 光纤集束器 光纤放大网络 evanescentwave fusedbiconicaltaper allfiberdevice fiberbundledevice fiberamplificationnetwork
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学 天文与空间科学学院, 北京 100049
像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标, 反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声, 且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差, 计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上, 厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法, 再结合帧转移型CCD的工作方式, 提出了设置多档曝光时间, 每档曝光时间下采集多帧暗(亮)图像, 再通过拟合求得暗电流(“暗电流+光电流”)后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时, 建立CCD像素非均匀性测试系统, 验证其光源的稳定性和均匀性, 以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上, 利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e-/pixel·s-1, PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性, 所得结果更具普遍适用性。
科学级CCD 非均匀性 暗电流 光电流 scientific CCD non-uniformity dark current photocurrent DCNU DCNU PCNU PCNU 红外与激光工程
2019, 48(4): 0417004
1 中国科学院国家空间科学中心 空间环境探测研究室, 北京 100190
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院, 北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
4 天基空间环境探测北京重点实验室, 北京 １００１９０
高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求, 优选出高精度的太阳参考光谱, 用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线, 并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差, 以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS, 确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下, 可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。
波长漂移 波长定标 太阳参考光谱 太阳Fraunhofer线 高光谱成像 wavelength shift wavelength calibration solar reference spectrum solar Fraunhofer lines hyper-spectral imaging 红外与激光工程
2019, 48(3): 0303006
张卓 1,2,3,4,5王维和 6王后茂 1,3,4,5王咏梅 1,3,4,5,7
1 中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国家空间科学中心 空间环境探测研究室, 北京100190
4 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
5 中国科学院 空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
6 国家气象局 卫星气象中心, 北京 100081
7 中国科学院大学 天文与空间科学学院, 北京 100049
风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标, 导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后, 结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据, 探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区, 用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度, 比较观测值与模拟计算值, 通过统计筛选晴空像元, 估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理, 反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明, 基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候, 可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。
在轨定标 紫外遥感 臭氧总量 风云三号 紫外臭氧总量探测仪 真实性检验 on-board calibration Ultra-violet(UV) remote sensing total ozone amount FY-3 Total Ozone Unit(TOU) validation
