一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统的制作方法

本发明属于一种光学测量方法领域，具体是基于地球同步轨道下的一种收集、汇聚太阳光进入星载差分吸收光谱仪进行定标的光学系统，通过引入太阳光作为定标光源，实现光谱仪工作波段全光路、全口径的星上绝对辐射定标，同时对光谱仪在轨稳定性进行长期监测。

背景技术：

国内外常用的星载、机载差分吸收光谱仪的定标光学系统采用的方式基本上都是：太阳光结合漫射板的组合方式。利用太阳辐射作为定标辐射源，校正主光路辐射响应变化；利用参考定标器，校正工作定标板自身衰退引入的误差。

地球同步轨道该差分吸收光谱仪在卫星的本体坐标系定义如图2所示，其中遥感器+z指向地心，+x向为飞行方向，根据右手定则可确定+y方向。静止轨道类型的卫星轨道平面(xz面)基本与地球赤道面重合，因此太阳矢量与xz面(赤道面)夹角即赤纬角，整年变化范围约±23°26′。定义春分-夏至-秋分两个季节内(太阳都在北半球)太阳赤纬角为正，而太阳位于南半球的两季太阳赤纬角为负值。相对而言，每次定标(按5分钟计)的时间太阳赤纬角变化基本可忽略，但每天卫星随地球自转的产生的时角-太阳光线在卫星本体坐标系下xz面投影与-x轴的夹角变化约4°/min。

某些国外星载差分吸收光谱仪定标光学系统，利用在摆镜入瞳前端添加漫透射板来实现在轨光谱辐射定标。为满足系统定标要求，摆镜的入光前端设计有定标轮：分别为对地观测窗口，太阳光定标窗口和参考窗口，此外也可实现窗口遮挡，进行暗背景测量。太阳定标窗口和参考窗口安装有石英漫透射板。这样的设计的优点是，定标光路和对地观测光路完全重合，缺点是前端的定标轮口径偏大，导致整体光谱仪系统体积偏大。同时添加的转动部件导致仪器可靠性下降，一旦定标窗口无法正常切换到主光路对地观测窗口，仪器将会完全失效，不利于仪器的整体可靠性。

目前国内外基于地球同步轨道的差分吸收光谱仪系统，尤其是在大气环境检测领域，高分辨率的差分吸收光谱仪在紫外/可见探测波段(300nm～500nm)，基于太阳光和漫反射板组合的定标光学系统尚属空白。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，在确定轨道参数(定标时刻太阳照明角度)，通过打开太阳档门引入太阳光，照射到太阳光漫反射板。同时，光谱仪的摆镜转动到某个角度，将漫反板形成的漫射光引入主光学系统，摆镜转动的角度避免对地观测的光信息进入主光学系统，主镜只能接收到来自漫反射板传递过来的光信息，通过前置三反系统，经平面转折镜进入狭缝，实现定标。当太阳光将漫反射板完全照明后可以开始数据采集，当定标结束时候，关闭太阳光档门，摆镜转动到对地观测模式下的角度。该方法解决了基于地球同步轨道差分吸收光谱仪在轨定标用定标轮结合漫透射的方式，避免了光学系统整体体积偏大、重量偏重、可靠性下降等问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，所述的定标光学系统包括摆镜系统、前置光学系统、太阳光漫反射板组件和太阳光挡门组件；所述摆镜系统包括指向镜、摆镜摆扫轴系、电机谐波组、摆镜u型支架；其中指向镜、摆扫轴系和电机谐波组件形成一个完整的模块，通过摆镜u型支架与光谱仪整机连接固定，可实现整体拆卸安装。所述前置光学系统包括主镜、次镜、第三反射镜、平面转折镜和狭缝。所述太阳光漫反射板组件主要由漫反射板构成。所述太阳光档门组件包括太阳挡板、太阳挡板扫描轴系、驱动电机和太阳挡板u型支架。其中太阳挡板扫描轴系和驱动电机在一定时间范围内使得太阳挡板打开，这三部分通过太阳挡板u型支架与光谱仪整机连接。当光谱仪进行定标时，太阳挡板打开，太阳光入射到漫反射板后形成漫射光到指向镜，光线再经指向镜反射到主镜，再依次经过次镜、第三反射镜和平面转折镜最终聚焦到狭缝。

所述的基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，所述前置光学系统采用离轴三反消像散(off-axisthree-mirroranastigmatic，tma)结构，前置光学系统中的主镜、次镜和第三反射镜均采用三块非球面反射镜组成。具体为主镜设计为双曲面镜，次镜和第三反射镜均为扁球面设计。并且要求主镜、次镜、第三反射镜以及平面反射镜均为微晶玻璃的材料，上述反射镜均镀宽带紫外增强铝膜。所述前置光学系统采用视场离轴，光阑置于次镜上，中心视场倾斜，光阑不离轴，中间不成像，前置光学系统整体形成像方远心光路。

所述的基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，所述漫反射板采用聚四氟乙烯材料，由于聚四氟乙烯材料本身相对较软，要保证光学性能及其面形，需要用金属材料制作的支撑基础框架。所述漫反射板的不确定优于1.5％,在仪器测试角度范围，面均匀性优于99％。

所述摆镜系统机构放置在前置光路的入瞳方向，为满足系统通光口径要求和摆扫角度视场覆盖要求，设计指向镜为长条形(也可为椭圆形)。指向镜的材料采用碳化硅，考虑到减重要求，指向镜的重量优于12㎏，其面形精度rms优于λ/30。指向镜镀宽带紫外增强铝膜。所述摆镜系统通过摆镜摆扫轴系、电机谐波组的设计来实现指向镜的指向精度优于0.002°，工作范围内轴系摆动优于3″。

所述太阳光挡门组件：驱动电机安装在太阳挡板u型支架上，通过太阳挡板扫描轴系驱动完成太阳挡板切换动作。太阳挡板采用穿轴胶结的方式安装在太阳挡板扫描轴系上，且太阳挡板采用碳纤维材料。

所述太阳光挡门组件：通过太阳挡板扫描轴系、驱动电机的设计来实现太阳挡板指向精度优于0.2°，旋转角度满足90°。

本发明的原理包括：基于太阳漫射板的星上定标是当前国际上认可度最高的一种高精度星上定标手段，可在星上实现遥感器高频次高精度的长期定标。其定标原理主要是在合适的星上定标时机引入光谱辐照度稳定已知的大气外太阳照明双向反射分布函数已精确测定的漫反射板，建立光谱辐亮度已知的近似朗伯面源，为遥感器提供已知的辐射输入。结合地面实验室精确测定的遥感器辐射响应模型，可完成高精度星上绝对辐射定标，其定标原理如说明书图2所示。太阳漫射板星上辐亮度标准物理模型如式1所示。

其中：

es(λi)为λi处大气外太阳光谱辐照度；

lcal,sd(λi,t)为星上定标t时刻，太阳漫射板遥感仪器观测方向太阳漫射板λi处的实时光谱辐亮度；

θsd,t,φsd,t；θv,φv分别为星上定标t时刻，太阳漫射板坐标系下太阳入射天顶角与方位角及遥感器观测天顶角与方位角；

ft(θsd,t,φsd,t；θv,φv；λi)为星上定标t时刻，太阳以角度θsd,t,φsd,t照明太阳漫射板，θv,φv方向观测λi谱段处的太阳漫射板brdf量值；

τ2(θs,t,φs,t)是漫反射板前θs,t,φs,t入射角度下衰减屏透过率，不需要衰减入射能量时该项值取1(θs,t,φs,t为卫星坐标系下的太阳入射天顶角和方位角)；

r(t)为日地距离因子，与时间有关，每年周期性变化的。

上述公式中的大气外太阳光谱辐照度es(λi)非常均匀、稳定，由长期的科学观测得到，其稳定性在1％的水平；日地距离因子r(t)可根据地球绕太阳公转轨道，精确计算出t时刻的日地距离；太阳照明角度θsd,t,φsd,t和θs,t,φs,t可根据卫星轨道参数及所选取星上定标时机计算给出；τ2(θs,t,φs,t)能在地面实验室精确测出，是入射角度的函数；f(θsd,t,φsd,t；θv,φv；λi；t)就是太阳漫射板星上定标t时刻与入射及观测角度对应的λi处brdf量值。因此，根据式1就可确定星上定标t时刻太阳漫射板遥感仪器观测方向λi谱段处的反射辐亮度，建立相应谱段的星上辐亮度标准。

定义遥感器辐亮度修正系数fi,j为根据相机对漫射板观测通过实验室定标系数计算的漫射板谱段辐亮度与星上定标漫射板谱段标准辐亮度，据此所建立的基于太阳-漫射板的星上定标模型为：

其中：

表示定标时刻的漫射板光谱辐亮度，llab[dncal,i,j,dncal,i,j,0,gain,cal,tfp,cal,rta(αcal)]为以地面实验室定标与测量建立的遥感器辐射定标物理模型为基础，将相机星上定标时刻对漫射板观测的各谱段计数值(包括暗电流)、谱段增益、焦平面温度、电子学器件温度等参数代入计算得到的漫射板光谱辐亮度。

式2中f因子确定后即可作为仪器对观测目标辐亮度进行修正的系数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的光学系统辐射能量利用效率高。本发明利用太阳光结合漫反射板，经前置离轴三反望远镜，通过平面反射镜将光路转折，入射到狭缝。本发明的镜面数少、辐射能量利用效率高，工作光谱范围宽，无色差校正，从而提高了测量的准确性和整个系统的探测分辨率。

(2)本发明利用的漫反射板在测量技术的成熟度高于漫透射板，且研制工艺也较漫透射板容易些。当前国内并没有漫透射的绝对测量装置。用于空间环境的漫反射板只有一种99％反射率的板，反射率不可调整，其出射能量水平可通过适当增大太阳照明天顶角(＞65°时朗伯性变差很多)进行调节。为了获得合适的漫射板出射能量，更多情况会使用衰减屏对漫射板接受的照度进行衰减而保证太阳入射天顶角不至于太大(如modis、viirs和hy1c等)，确保漫射板使用角度范围始终有较好的朗伯性。透射式漫射板一般使用在要求漫射板出射能量很低或者入射光线与观测光轴夹角非常大(＞140°)的情况，且漫透射板越厚透过率越低朗伯性越好，该特性决定了透射板都会比较重。

相对而言，基于太阳漫反射板星上定标技术应用较多，地面测试手段更成熟全面，目前可实现的星上定标精度更高。

(3)本发明体积小，重量轻，可靠性高。本发明利用漫反射板引入太阳光，避免了在摆镜前端采用滤光轮式的透漫射板方式，从而使得仪器整体的光学体积紧凑，重量相对其他星载同类产品大为减轻。漫反射板不在对地观测的主光路中，通过和指向镜相结合使用，达到定标光路的实效性，从而适应星载和机载平台的不同需求。

(4)此外，本发明中的反射镜结构性能和热性能都较好的微晶玻璃材料(zerodur)玻璃材料，表面镀铝加氧化硅保护膜确保仪器工作光谱范围都有90％以上的反射率。指向镜在光路最前端，最易直接接受各类辐照，因此受温度影响最为严重，同时考虑地面装配应力和重力影响，选取碳化硅作为反射镜基体材料。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光谱仪在卫星的坐标系定义即摆放位置；

图3为本发明的下午太阳照明光谱仪角度变化范围示意图；

图4时角方向定标角度范围示意；

图中：1为指向镜，2为摆镜摆扫轴系，3为电机谐波组，4为摆镜u型支架，5为主镜，6为次镜，7为第三反射镜，8为平面转折镜，9为狭缝，10为漫反射板，11为太阳挡板，12为太阳挡板扫描轴系，13为驱动电机，14为太阳挡板u型支架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，该定标光学系统包括摆镜系统、前置光学系统、太阳光漫反射板组件和太阳光挡门组件；摆镜系统包括指向镜1、摆镜摆扫轴系2、电机谐波组3、摆镜u型支架4；其中指向镜1、摆扫轴系2和电机谐波组件3形成一个完整的模块，通过摆镜u型支架4与光谱仪整机连接固定，可实现整体拆卸安装。前置光学系统包括主镜5、次镜6、第三反射镜7、平面转折镜8和狭缝9。太阳光漫反射板组件主要由漫反射板10构成。太阳光档门组件包括太阳挡板11、太阳挡板扫描轴系12、驱动电机13和太阳挡板u型支架14。其中太阳挡板扫描轴系12和驱动电机13在一定时间范围内使得太阳挡板11打开，这三部分通过太阳挡板u型支架14与光谱仪整机连接。当光谱仪进行定标时，太阳挡板11打开，太阳光入射到漫反射板10后形成漫射光到指向镜1，光线再经指向镜1反射到主镜5，再依次经过次镜6、第三反射镜7和平面转折镜8最终聚焦到狭缝9。

前置光学系统采用离轴三反消像散(off-axisthree-mirroranastigmatic，tma)结构，前置光学系统中的主镜5、次镜6和第三反射镜7均采用三块非球面反射镜组成。具体为主镜5设计为双曲面镜，次镜6和第三反射镜7均为扁球面设计。并且要求主镜5、次镜6、第三反射镜7以及平面反射镜8均为微晶玻璃的材料，上述反射镜均镀宽带紫外增强铝膜。前置光学系统采用视场离轴，光阑置于次镜6上，中心视场倾斜，光阑不离轴，中间不成像，前置光学系统整体形成像方远心光路。

漫反射板10采用聚四氟乙烯材料，由于聚四氟乙烯材料本身相对较软，要保证光学性能及其面形，需要用金属材料制作的支撑基础框架。漫反射板10的不确定优于1.5％,在仪器测试角度范围，面均匀性优于99％。

摆镜系统机构放置在前置光路的入瞳方向，为满足系统通光口径要求和摆扫角度视场覆盖要求，设计指向镜1为长条形(也可为椭圆形)。指向镜1的材料采用碳化硅，考虑到减重要求，指向镜1的重量优于12㎏，其面形精度rms优于λ/30。指向镜1镀宽带紫外增强铝膜。摆镜系统通过摆镜摆扫轴系2、电机谐波组3的设计来实现指向镜1的指向精度优于0.002°，工作范围内轴系摆动优于3″。

太阳光挡门组件：驱动电机13安装在太阳挡板u型支架14上，通过太阳挡板扫描轴系12驱动完成太阳挡板11切换动作。太阳挡板11采用穿轴胶结的方式安装在太阳挡板扫描轴系12上，且太阳挡板11采用碳纤维材料。通过太阳挡板扫描轴系12、驱动电机13的设计来实现太阳挡板11指向精度优于0.2°，旋转角度满足90°。

光谱仪在卫星的本体坐标系定义如图2所示，其中遥感器+z指向地心，+x向为飞行方向，根据右手定则可确定+y方向。静止轨道类型的卫星轨道平面(xz面)基本与地球赤道面重合，因此太阳矢量与xz面(赤道面)夹角即赤纬角，整年变化范围约±23°26′。定义春分-夏至-秋分两个季节内(太阳都在北半球)太阳赤纬角为正，而太阳位于南半球的两季太阳赤纬角为负值。相对而言，每次定标(按5分钟计)的时间太阳赤纬角变化基本可忽略，但每天卫星随地球自转的产生的时角-太阳光线在卫星本体坐标系下xz面投影与-x轴的夹角(如图3所示)变化约4°/min。

下午13点到18点期间要进行定标需考虑定标光路来自地球方向的杂散光影响，根据遥感器的光学系统特点，在摆镜从对地观测方向切换至定标方向转角大于12°以后可确保地球方向杂光不能到达主镜以及光谱仪狭缝，以此确定遥感器定标时的摆镜姿态。再根据定标时间段太阳照明卫星的角度变化范围，分析设计漫射板的位置及姿态，综合结构方面的情况考虑最终确定遥感器可在每天下午16点及18点间进行星上定标。实际的定标光路布局如图4所示。

在每天16点(入射光与-x轴夹角约60°)与18点(入射光与-x轴夹角约90°)间都要能进行定标，入光角度范围至少要30°才可满足。同时太阳光照卫星xz面的角度整年变化范围为±23.5°，要求每天都可进行定标将使遥感器定标光路太阳通孔尺寸非常大。考虑卫星可进行机动，翻滚和俯仰方向范围为±8.5°，偏航方向为±20°。据此，可将遥感器定标光路的太阳通孔缩减±20°范围，只需将太阳通孔尺寸开至大于±3.5°即可，实际按±5°开口结合卫星±20°的偏航机动可实现整年每天都进行星上定标，如图4所示。

具体定标流程如下：

a)确认最新轨道参数(定标时刻太阳照明角度需要知道精确值)；

b)提前打开定标光路通光门；

c)指向镜从对地观测方向切换至定标光路；

d)太阳光经漫反板、前置离轴三反望远镜、平面转折镜进入狭缝，进行数据采集；

e)关闭定标光路通光门，同时指向镜从定标光路切换至对地观测方向；

f)结束定标。

总之，本发明采用太阳-漫反射板星上定标方式实现光谱仪星上全孔径全光路的高精度实时定标。利用太阳光档门组件的开合引入太阳光进入仪器内部，通过漫反板和指向镜的配合，确保太阳光通过漫反板后进入前置离轴三反望远镜照亮狭缝，实现在轨定标。漫反射板没有转动结构，固定设置且不在对地观测光路中，有效提高了仪器整体的可靠性，且使得整个光学系统体积紧凑，易于整个系统的小型化和轻型化，从而确保了紫外/可见的宽波段定标精度，特别适合空间技术应用。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。