可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

张 权，李 新，翟文超，刘恩超，张艳娜，郑小兵

(1.中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026)

引言

卫星载荷在轨运行期间，由于受到外界复杂环境的影响，性能参数会不断衰变，因此需要定期进行在轨定标以校正载荷衰变[1-2，13-14]。为实现在轨卫星载荷的辐射定标，通常采用场地定标的方法，即在地面上选取均匀区域作为辐射定标场，当卫星过境时，通过地面或飞机进行准同步测量[3]。场地定标包括3种方法:反射率基法、辐亮度基法和辐照度基法[4]。反射率基法需要进行地物目标的特征光谱测量、辐射测量，辐照度基法还需要进行天空总辐照度和漫射辐照度的测量，这些辐射量的测量都需要高光谱仪器[5]。可见-短波红外波段(400 nm～2 500 nm)是遥感应用的重要波段，广泛应用于工业、农业、环境监测等各方面[6-7]。中国科学院安徽光学精密机械研究所针对相应需求，研制了可见-短波红外波段的场地反射率辐射计和野外辐照度仪等仪器设备，两种仪器均具备可见-短波红外波段的光谱模块。作为仪器的核心部分，可见-短波红外波段的光谱模块的精密程度决定了整个仪器的精密程度，从而影响到用于场地定标的测量数据的准确性。

由于受到单个探测器响应波段范围的限制[8]，自行研制仪器均由3个光谱模块组成，分别为可见波段(400 nm～1 000 nm)光谱模块(VIS)、近红外波段(900 nm～1 700nm)光谱模块(NIR)、短波红外波段(1 600 nm～2 500 nm)光谱模块(SWIR)。光机装调是光电产品研制过程中重要环节之一，它直接影响系统的精度和可靠性[9-11]。对于光谱模块，光机设计和光机装调是紧密联系的两个环节。光机设计决定光机装调方式，光机装调结果可以验证光机设计的优劣[9]。本文通过介绍光谱模块的光机装调以及对光机装调结果的分析，探讨光机装调的一些经验，并验证光机设计的合理性。

1 光谱模块装调

由于Si探测器发展时间较早，在可见波段光谱仪技术较为成熟，国内外均研制成功了高性能的仪器[12-14]。 随着短波红外波段探测技术和平场凹面光栅研制技术的快速发展[15]，短波红外波段的光谱仪技术也有了较大发展。自行研制仪器中的3个光谱模块均采用平场凹面光栅分光，线阵探测器探测信号。单个光栅同时承担光谱色散、光谱成像的功能，将入射光分光会聚在一个平面上，线阵列探测器的光敏面和这一平面重合。入射光经过分光以后不同的波长会聚位置不同。其中可见波段光谱模块采用Si光电二极管阵列，包含512个像元；近红外波段光谱模块采用InGaAs阵列探测器，包含256个像元；短波红外波段光谱模块采用扩展InGaAs阵列探测器，同样包含256个像元。为方便起见，可将3个光谱模块的像元号依次编为0～511、512～767和768～1 023。对光谱模块进行装调测试的最终目的是要确定探测器像元和波长之间的对应关系以及光谱分辨率。

按照3个光谱模块中平场凹面光栅的参数，分别设计光路原理图，如图1所示。光谱模块的整体采用铝合金框架结构，壳体采用加强筋设计，有利于整体的稳定性、轻量化。根据平场凹面光栅的成像特点，在结构上分别设计了各组件的调整维度。其中，光纤和狭缝采用固定的方式，通过设计和精密加工保证固定位置的精度。反射镜通过其固定支座有一个微量的角度调整，可用于调整整体光路的偏移。光栅具备微量旋转、微量前后以及微量左右的装调余量，用于多维度调整光谱成像与线阵列像元的重合程度。VIS光谱模块中，探测器通过其固定支座与壳体的固定，探测器支座沿像元阵列方向具备微量平移装调余量;NIR光谱模块和SWIR光谱模块中，探测器均固定于散热模块中，散热模块与光谱模块框体通过螺钉连接，两者在沿像元阵列方向也有微量平移装调余量。因此在理论上可以保证3个光谱模块中的探测器像元的覆盖范围。

图1 光谱模块光路原理图Fig.1 Optical path principle of spectral modules

在进行光机装调之前，先固定狭缝和光纤头，初步装好反射镜组件、光栅组件和探测器组件。将光谱模块连接光源后，通过观察探测器的响应曲线来实时微调其他光学组件。反射镜组件一般固定于理论设计位置。观察探测器响应曲线中的特征波长峰值与像元的对应关系，通过调整探测器沿像元阵列方向的平移位置，使光栅分光的波长范围大致在探测器的覆盖范围之内。最后调整光栅的位置，光栅的调整较为灵活，具有旋转和前后左右的多维度调整，便于使光栅分光汇聚平面与线阵列探测器的光敏面高度重合。观察探测器响应曲线的整体趋势、像元对应位置以及半高宽，当曲线位置较好、半高宽相对较窄时，即可将光栅支座固定，采集数据后进行数据分析，根据数据分析结果调整后期的装调实验。图2为3个光谱模块的装调测试示意图。

图2 光谱模块装调测试示意图Fig.2 Schematic of opto-mechanical assembly on spectral modules

2 装调结果分析

光谱模块的光机装调是通过调整模块内部光学组件的相对位置来确定探测器输出谱线和像元的良好对应关系，以达到预期分辨率的测试。光机装调也是对光谱模块进行光谱定标的过程，因此进行光机装调时常选用用于光谱定标的设备，比如波长校准光源、单色仪等。

2.1 可见波段光谱模块

可见波段光谱模块的光谱范围为400 nm～1 000 nm，常用的波长校准光源有汞氩灯、氖灯、汞灯和氩灯等，其中汞氩灯的输出波长范围为184.9 nm～1 047.005 4 nm，完全覆盖了可见波段光谱模块的光谱范围，而且汞氩灯具有较多明显的特征峰值，因此采用汞氩灯对可见波段光谱模块进行光机装调测试。

实验所用的汞氩灯为AVANTES公司生产的波长校准光源，如图3(a)所示。汞氩灯的特征谱线均为已知的波长值，如图3(b)所示，为可见波段光谱模块采用汞氩灯测试时的光谱曲线。通过特征峰值的比对，可得到表1中18个特征波长点。在Origin软件中对表中每个独立波长点进行高斯拟合，即可获得每个波长点的中心像元位置，如表1所示。

序号101112131415161718波长/nm772.376794.818800.616811.531826.452842.465852.144912.297922.45中心像元320.259 7340.057 6345.422 0354.452 1368.024 5381.712 4391.012 2445.644 1454.962 9

为得到可见波段光谱模块全波段范围内波长与中心像元的对应关系，采用Origin软件对表1中的波长与中心像元分别进行二次多项式、三次多项式和四次多项式拟合，拟合结果如图4所示。

图4 可见波段光谱模块多项式拟合结果Fig.4 Polynomial fitting results of VIS module

由图4可知，二次、三次、四次多项式拟合后的R2和调整后的R2均为1，表明线性拟合完全相关。而残差平方和(residual sum of squares)随着阶次的增大而减小，但三次和四次多项式拟合相差较小，因此选择三次多项式拟合作为最终的拟合结果。其拟合方程如下：

y= 390.24599+1.23103x-7.96013×

10-5x2-1.2029×10-7x3

(1)

代入起始像元编号0和截止像元号511，即x=0和x=511，可得到可见光谱模块的光谱范围为390.246 0 nm～982.466 6 nm。因此可见波段光谱模块的探测器单个像元的平均分辨率为R=(982.4666～390.2460)/512≈1.1567像素。在Origin软件中对表1中每个独立波长点进行高斯拟合，还可获得每个波长点的半高宽(FWHM)。单个像元的平均分辨率与半高宽的乘积即为光谱模块在特定波长下的评估分辨率，如表2所示。

表2 可见波段光谱模块半高宽和评估分辨率Table 2 FWHM and resolution of VIS module

序号101112131415161718波长/nm772.376794.818800.616811.531826.452842.465852.144912.297922.45半高宽/nm2.723 62.974 62.875 33.022 92.871 73.361 02.831 13.118 23.112 1评估分辨率/nm3.150 33.440 73.325 83.496 53.321 73.887 73.274 63.606 83.599 7

从表2可知，可见光波段光谱模块的波长分辨率优于4 nm。

2.2 近红外波段光谱模块

近红外波段光谱模块的光谱范围为900 mm～1 700 nm，波长校准光源中的氩灯的输出波长范围为696.5 nm～1 704 nm，完全覆盖了近红外波段光谱模块的光谱范围，而且氩灯具有较多明显的特征峰值，因此采用氩灯对近红外波段光谱模块进行光机装调测试。

图5 氩灯和近红外波段光谱模块的光谱图Fig.5 Spectral curve of argon lamp and NIR module

如图5(a)所示，氩灯的特征谱线均为已知的波长值，图5(b)所示为近红外波段光谱模块采用氩灯测试时的光谱曲线。通过特征峰值的比对，可得到12个特征峰的波长值，在Origin软件中对表中每个独立波长点进行高斯拟合，即可获得每个波长点的中心像元位置，如表3所示。

表3 近红外波段光谱模块谱线中心坐标Table 3 Center coordinates of spectral line of NIR module

序号789101112波长/nm1 243.932 11 350.419 11 409.361 504.651 651.9861 694.058中心像元623.707 8656.388 3675.193 6705.768 7753.635 0764.223 9

为得到近红外波段光谱模块全波段范围内波长与中心像元的对应关系，采用Origin软件对表3中的波长与中心像元分别进行二次多项式拟合、三次多项式拟合和四次多项式拟合，拟合结果如图6所示。

由图6可知，二次、三次、四次多项式拟合后的R2和调整后的R2均比较接近，其中四次多项式拟合最大。而残差平方和随着阶次的增大而减小，

图6 近红外波段光谱模块多项式拟合结果Fig.6 Polynomial fitting results of NIR module

但四次多项式拟合明显小于二次和三次，因此选择四次多项式拟合作为最终的拟合结果。其拟合方程如下：

y= 18913.55462-122.01506x+0.29637x2-

3.09225×10-4x3+1.20063×10-7x4

(2)

代入起始像元编号512和截止像元号767，即x=512和x=767，可得到近红外波段光谱模块的光谱范围为879.8627 nm～1701.5597 nm。因此近红外波段光谱模块的探测器单个像元的平均分辨率为R=(1701.5597-879.8627)/256≈3.2098 nm。在Origin软件中对表3中每个独立波长点进行高斯拟合，还可获得每个波长点的半高宽(FWHM)。单个像元的平均分辨率与半高宽的乘积即为光谱模块在特定波长下的评估分辨率，如表4所示。

表4 近红外波段光谱模块半高宽与评估分辨率Table 4 FWHM and resolution of NIR module

从表4可以得出，近红外波段光谱模块的波长分辨率优于15 nm。

2.3 短波红外波段光谱模块

短波红外波段光谱模块的光谱范围为1 600 nm～2 500 nm，波长校准光源中没有完全覆盖此光谱范围的光源。单点激光器可以输出确定的波长值，但是单点激光器存在波长漂移的现象，且波长漂移位置无法确定，而单色仪可以在一定波长范围内输出稳定的一系列等间隔确定波长。综合2种设备的特点，采用单点激光器对短波红外波段光谱模块进行光机装调测试，初步确定光机组件的相对位置，再通过单色仪对该状态下光谱模块的输出结果进行数据分析，根据分析结果的好坏确定后期的装调实验。

由于光谱模块输出谱线的特征峰之间具有一定的相对性，对短波红外波段光谱模块进行初步装调测试时，为简化实验步骤，可选用2种波长的单点激光器(如1 940 nm、2 200 nm)。使用单点激光器进行装调时，首先测量本底信号，然后测量即时信号，即时信号减去本底信号为有效信号。图7为使用1 940 nm激光器时的光谱模块的有效信号曲线图。依据光谱模块的波长范围与像元范围对应时的初步推算，可知1 940 nm约在第90个像元附近，2 200 nm约在第160个像元附近。调整短波红外波段光谱模块的反射镜、光栅和探测器，同时观察软件界面采集到的谱线位置，若1 940 nm和2 200 nm谱线对应的像元位置分别在90和160附近且谱线分辨率较高时，则可认为装调初步合格。初步确定各光学组件的相对位置后，采用单色仪对装调后的短波红外波段光谱模块进行测试并采集数据。

采用卓立汉光公司生产的Omni系列单色仪，其输出波长范围为300 nm～2 500 nm。对短波红外波段光谱模块选用了1 650 nm～2 490 nm(间隔40 nm)范围内的22个波长点。在Origin软件中对每个波长点进行高斯拟合，即可获得每个波长点的中心像元位置,如表5所示。

图7 短波红外波段光谱模块单点激光器测量信号Fig.7 Measuring signal of SWIR module when using single laser

序号1234567891011波长/nm1 6501 6901 7301 7701 8101 8501 8901 9301 9702 0102 050中心像元5.35116.22527.12138.07149.10560.13371.26282.47793.71105.115116.476序号1213141516171819202122波长/nm2 0902 1302 1702 2102 2502 2902 3302 3702 4102 4502 490中心像元128.014139.613151.316163.009174.969186.903198.868211.119223.383235.513248.146

为得到全波段范围内波长与中心像元的对应关系，采用Origin对表5中的波长和中心像元分别进行二次多项式、三次多项式和四次多项式拟合，拟合结果如图8所示。

由图8可知，二次、三次、四次多项式拟合后的R2和调整后的R2均为1，表明线性拟合完全相关。但四次多项式拟合的残差平方和最小，因此选择四次多项式拟合作为最终的拟合结果，拟合方程如(3)式所示。

图8 短波红外波段光谱模块多项式拟合结果Fig.8 Polynomial fitting results of SWIR module

y= 806.83779-6.35498x+0.01819x2-

1.40159×10-5x3+3.8138×10-9x4

(3)

代入起始像元编号768和截止像元号1023，即x=768和x=1 023，可得到短波红外波段光谱模块的光谱范围为1 630.188 7 nm～2 515.342 4 nm。因此该光谱模块的探测器单个像元的平均分辨率为R=(2 515.342 4～1 630.188 7)/256≈3.457 6 nm。在Origin软件中对表5中每个独立波长点进行高斯拟合，还可获得每个波长点的半高宽(FWHM)。单个像元的平均分辨率与半高宽的乘积即为光谱模块在特定波长下的评估分辨率，如表6所示。

从表6可以看出，短波红外波段光谱模块的波长分辨率优于20 nm。

3 结论

根据辐射仪器3个光谱模块的光机结构特点，总结了一些进行光机装调的参考经验。对于可见波段光谱模块和近红外波段光谱模块，分别采用汞氩灯和氩灯对其进行光机装调测试，并根据装调数据进行光谱分析;对于短波红外波段光谱模块，采用单点激光器进行初步光机装调测试，另外采用单色仪测试数据进行光谱分析。分析结果表明，3个模块的光谱分辨率分别优于4 nm、15 nm和20 nm，达到了仪器的设计指标，验证了光机设计的合理性。针对不同波段的光谱模块，采用不同的光机装调实验方法，并对装调结果分别进行定量数据分析，可为其他光谱模块的设计和装调提供有益参考。

表6 短波红外波段光谱模块半高宽和评估分辨率Table 6 FWHM and resolution of SWIR module

序号1213141516171819202122波长/nm2 0902 1302 1702 2102 2502 2902 3302 3702 4102 4502 490半高宽/nm4.7914.7534.8324.5024.7904.9925.1945.4255.3344.6744.735评估分辨率/nm16.56716.43516.70815.56616.56317.25917.95818.75818.44216.16216.372