面阵探测器对风云四号大气垂直探测仪的影响

　　0 引 言

　　大气垂直探测仪作为新型的航空航天遥感仪器将搭载于下一代三轴稳定卫星———风云四号气象卫星上。它是一种成像式的傅里叶变换光谱仪, 利用地球表面和大气的红外辐射特性, 在空间探测大气温度、湿度与成分的三维分布, 探测臭氧总量、云、二氧化碳和水汽含量, 是一种多通道光谱测量仪器。这种仪器将会为我国中期数值天气预报提供极有价值的气象资料, 对于实现我国新一代气象卫星全球、全天候、三维、定量遥感目标具有重大的意义。与传统的光栅光谱仪和滤光片光谱仪相比, 傅里叶变换光谱仪具有高通量、多通道、高波数准确度和高光谱分辨率等优点,是空间环境探测较为优越的光谱探测仪器。为实现成像探测, 用面阵探测器对多个视场进行并行探测[1, 2]。

　　参考文献[3]研究了辐射面源离轴效应对迈克尔逊干涉仪光谱线形的影响, 参考文献[4]讨论了干涉仪角反射镜非准直对谱线形状的变形。本文着重研究空间视场和面阵探测器对大气垂直探测仪光谱函数的影响。在理论上给出干涉调制方程, 并就探测元中心在与不在光轴中心两种情况分别给出了严格的表达式, 并针对大气垂直探测仪面阵探测器结构, 研究探测元位置与光谱调制度、光谱中心位置和仪器响应函数 ILS 的关系, 结果将用于评价大气垂直探测仪的光谱标定性能[5]。

　　1 干涉调制函数

　　大气垂直探测仪基于傅里叶光谱仪技术, 以获得较高的信号调制度作为目标, 光谱仪的调制效率是影响光谱仪信号信噪比的重要因素。正常情况下入射到干涉仪的辐射具有一定的发散角, 导致焦平面处的光线会聚在面阵探测器位置处成为一个小区域, 而不是一点。

　　面阵探测器的等效结构如图 1 所示, 符号定义如下: ρ为探测元上一点与探测器元中心的角度; ρ0为探测器元的半角大小; α为探测器元上一点与干涉光仪光轴的张角; α0为探测器元中心与干涉仪光轴的角度; β为探测元上一点相对焦平面的方位角。

　　若输入光谱辐射为 Bv, 到达探测器的干涉信号 I(x)[6]为:

　　定义 G(α0,ρ0)为几何因子, 理想情况下探测元中心在干涉仪光轴上, 而且探测元为一个点, 即 α0、ρ0都为 0, G(0,0)=cos( 2πvx) 。图 1 中, 探测元中心偏离光轴角度为 α0, 几何因子变为:

　　如果 α0=0, 则 α=ρ, 即探测元中心与干涉仪光轴中心正好重合, 所以:

　　干涉信号发生两个明显的变化, 一是表观的光谱位置中心波数 v 变为 v (1- Ω/4π), 即波数向低频方向偏移 Ω/4π, 二是干涉图被 sin c(vxΩ/2)函数所调制。对于图 1 所示的情况 α0≠0, 结果可由 Lommel函数表达, 其结果为: