新型高分辨率紫外-可见成像光谱仪波长定标系统设计

　　0 引 言

　　从二十世纪九十年代开始，高光谱遥感已经成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段[1]。高光谱遥感(Hyper Spectral Remote Sensing)克服了传统单波段、多光谱遥感在波段数、波段范围、精细信息表达等方面的局限性，以较窄的波段区间、较多的波段数量提供遥感信息，在地球 环境监测、气象、空间科学、资源等领域得到了广泛应用。最近几年，高光谱遥感技术在大气臭氧等其它吸收气体分布探测中得到应用。紫外 可见成像光谱仪分辨率<1 nm，光谱范围 270～500 nm 的高光谱分辨率光谱仪，通过对太阳后向散射光谱、吸收光谱测量并通过数据反演得到大气臭氧等其它吸收气体密度分布，为气象预测和全球气候变化的研究提供重 要的参数[2]。波长定标是仪器的辐射定标、确定仪器光谱范围、检测光谱分辨力等性能指标的前提，通过波长定标将探测器像元的输出信号转化为波长信号，是 仪器地面定标的重要组成部分。定标光源、谱线中心位置计算、定标曲线拟合是影响波长定标精度的主要因素[3]。光谱仪波长定标的定标光源通常选用光谱谱线 灯[4-5]和单色仪[3]，光谱谱线灯在其光谱范围内只有有限的分立光谱线且分布不均匀，由于 CCD 等面阵探测器离散像元大小的影响，对高分辨率光谱仪波长定标精度影响较大[6];传统单色仪虽能在较宽的波段范围内输出任意波长的单色光，但由于每次只能 定标一个波长，受波长扫描机构等的影响每次引入的误差不一样，当定标高分辨率光谱仪时需定标较多谱线，花费时间长操作麻烦且易受光源稳定性的影响。因此为 了满足紫外 可见高分辨率成像光谱仪仪器高精度波长定标要求，设计了一套高分辨率波长定标系统。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中阶梯光栅 单色仪以及后置光学系统组成。

　　1 阶梯光栅的原理

　　由光栅的角色散公式可知，如果用低级次光谱(第 1 或第 2级)，只有细刻线光栅才能获得高角色散;如果用高级次光谱(几十或上百级)，则粗光栅同样可以获得高角色散。为利用高级次光谱和大入射角而特殊设计的一 种光栅 阶梯光栅(Echelle)[7-8]，处于 Littrow 结构的中阶梯光栅如图1 所示。阶梯光栅衍射方程:

式中：m 为衍射级次;d 为光栅常数;s，t 分别为刻槽宽度和深度;i，θ 分别为入射角和衍射角，从阶梯光栅的法线量起;φ为光线的偏向角。

　　中阶梯光栅通常刻线较少，工作在高级次。单个级次的色散角小，一般只有几度，自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近，因此一个阶梯光 栅对所有波长都是有效闪耀，阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。设计中采用的中阶梯光栅闪耀角为 76°，光栅常数为 72 lp/mm，光栅的入射角和衍射角分别大约为 76.5°和 75.5°。根据待定标光谱仪的光谱范围，由式(1)计算得，阶梯光栅光谱衍射级次为 100～54。阶梯光栅单色仪出缝处同时输出这 57 级光谱线，这不同于常规的单色仪只输出单一级波长的谱线，具有光谱谱线灯的特点，但在光谱范围内分布比较均匀，并可进行波长扫描，增加了定标的精度和灵活 性。