紫外辐射计的波长定标及不确定度分析

　　1 引 言

　　紫外辐射计为风云三号气象卫星上的紫外光学遥感仪器之一。它的主要任务是进行太阳紫外光谱辐照度/太阳后向散射紫外光谱辐亮度测量(太阳模式测量/大气模式测量)并通过数据反演，得到臭氧含量的垂直分布，为气象预测和全球气候变化的研究提供重要的参数[1-2]。它能够在 250~340 nm 间对 12 条臭氧吸收谱线处地球大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度实现观测，根据臭氧反演要求，12 条臭氧吸收谱线要求有一定的波长精度，指标为±0.05 nm，带宽 1.1 nm。紫外辐射计为艾伯特—法斯蒂(Ebert-Fastie)光栅双单色仪，步进电机和凸轮机构带动光栅转动实现波长扫描。凸轮机构的加工误差、光学和机械结构的最后装调误差、环境温度的变化、机构空回、摩擦力、电子系统噪声等随机因素都会影响输出波长的精度[3]。

　　光谱定标的任务是确定各通道的光谱中心波长位置和通过特性(等效通带宽度和通带函数)。常用的光谱仪波长定标方法为低压汞灯特征谱线法。汞灯特征谱线群中没有与大气特征谱线重合的谱线，因此需要通过更高精度的光谱辐射源实现紫外辐射计的波长定标。本试验构建了高光谱分辨力紫外波长定标装置，不仅解决了依靠汞灯特征谱线定标的局限性，而且解决了由于紫外波段能量弱而引发的一系列问题。

　　2 构建高光谱分辨力紫外辐射计波长定标装置

　　紫外辐射计由于自身波长机构的加工误差、机械空回、环境温度变化、电子学系统噪声等因素具有一定的波长非线性。仅由常规的低压汞灯谱线法并不能满足紫外辐射计臭氧 12 条吸收谱线的高精度波长定标要求。因此自行构建了高光谱分辨力紫外辐射计波长定标装置，见图1。该系统主要由具有高稳定性的大功率氙灯系统和高光谱分辨力的切尔尼—特纳(Czerny-Turner)型非对称式单色仪[4]以及后置光学系统组成。C–T 单色仪光源为 500 W 风冷滨松氙灯，采用单透镜照明方式。单色仪工作波段为 200~840 nm，准直镜和成像镜焦距均为1.5 m，K9 玻璃材料，镜表面镀 Al+MgF2 膜，250~400 nm 波段镜面光谱反射率高于80%。单色仪为避免二次衍射和多次衍射采用 Carry 理论确定最小离轴角。其中100 mm×100 mm 光栅频率为1200 grooves/mm，表面镀 Al+MgF2膜，光谱分辨力 0.007 nm。步进电机驱动正弦机构实现光栅转动。为去除紫外辐射计在光路中的角度偏差即由不同光辐射入射角度而引起的角度响应，在紫外辐射计入射狭缝前放置石英材料的漫透射器提供均匀光辐射以消除仪器的角度响应。

　　紫外辐射计由于机械结构的限制无法与单色仪的出射狭缝实现对接，因此综合考虑光学系统像差和能量需求，利用两块离轴抛物面反射镜设计了 F#=5 的后置光学系统[5-6]，使单色仪出射辐射投射到紫外辐射计前置漫透射器上，在紫外辐射计入射狭缝处形成均匀辐射。