紫外臭氧垂直探测仪波长精度分析与波长定标新方法的研究

　　1　引　　言

　　紫外臭氧垂直探测仪是测定160~400 nm波段太阳紫外连续光谱辐照度和250~340 nm大气臭氧吸收的12个特征波长处地球大气太阳后向散射紫外光谱辐亮度的光学遥感仪器。根据对大气臭氧吸收的12个特征波长光谱辐亮度的测量结果,反演地球上方0~50 km臭氧垂直分布。

　　根据光谱辐射照度ES(λ)和辐射亮度LA(λ)定义[1],Ew(λ)、Vw(λ)、BRDF(λ,α,β)、VS(λ)、VA(λ)是ES(λ)和LA(λ)的函数。Ew(λ)为定标光源光谱辐照度值,Vw(λ)为探测仪对定标光源读出值,VS(λ)为探测仪太阳紫外连续光谱辐照度读出值,BRDF(λ,α,β)为探测仪漫反射器双向反射率分布函数角度修正值,VA(λ)为探测仪12个特征光谱辐亮度读出值,BRDF(λ)为BaSO4漫反射板双向反射率分布函数值[2-3]。以上各个参量都是波长的函数,探测仪在工作时需要知道输出光谱的波长值,因此波长的读数精度及定标是重要性能指标。波长读数精度主要取决于整个波长扫描机构的精度、光机系统受环境影响因素,所以对紫外臭氧垂直探测仪波长精度分析和定标是十分必要的。

　　2　波长扫描机构

　　紫外臭氧垂直探测仪的波长扫描是通过转动光栅来实现的。从仪器使用的工作环境考虑(真空环境),紫外臭氧垂直探测仪采用了凸轮摆杆机构。图1为凸轮摆杆与光栅组件的结构示意图。

　　2.1　波长扫描机构原理

　　根据平面衍射光栅的色散方程[4]:d(sini+sinγ) =mλ(m =0,±1,±2,…)(1)式中:d为光栅常数,i为入射角,γ为衍射角,m为光谱级次,λ为波长值。2δ为入射光线与衍射光线的夹角,对　　于已确定的光谱仪2δ是一个常量,因此以2δ的角平分线为基线,用光栅法线与基线的夹角式θ表示光栅的转角(i =-γ),则:

　　式(2)表明光栅转角和波长值是非线性关系,为了按波长均匀分配每一光谱线的波长值,需要采用凸轮摆杆机构实现光栅的转动。凸轮扫描机构特点:可以在同一凸轮机构上实现不同模式的扫描。

　　2.2　凸轮廓线方程

　　波长扫描机构的凸轮廓线设计是十分关键的,可以采用极坐标法求出凸轮廓线方程,如图2所示

　　O′为平面衍射光栅的转动中心,O′N为光栅确定的基本方向,也就是相对此方向计算光栅的真实转角θ。θ0是光栅转动前的起始转角,O为凸轮的轴心。L是凸轮轴心到光栅转动中心O′的距离。α为摆杆转动的角度,α0为摆杆起始角。Δβ是凸轮真实转角的修正值,Δβ=α-α0/2。则凸轮廓线方程为: