[发明专利]一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统

权利要求书

1.一种基于地球同步轨道差分吸收光谱仪的定标光学系统，其特征在于：所述的定标光学系统包括摆镜系统、前置光学系统、太阳光漫反射板组件和太阳光挡门组件；所述摆镜系统包括指向镜(1)、摆镜摆扫轴系(2)、电机谐波组件 (3)、摆镜U型支架(4)；其中指向镜(1)、摆镜 摆扫轴系(2)和电机谐波组件(3)形成一个完整的模块，通过摆镜U型支架(4)与光谱仪整机连接固定，可实现整体拆卸安装；所述前置光学系统包括主镜(5)、次镜(6)、第三反射镜(7)、平面转折镜(8)和狭缝(9)；所述太阳光漫反射板组件主要由漫反射板(10)构成；所述太阳光档门组件包括太阳挡板(11)、太阳挡板扫描轴系(12)、驱动电机(13)和太阳挡板U型支架(14)；其中太阳挡板扫描轴系(12)和驱动电机(13)在一定时间范围内使得太阳挡板(11)打开，太阳挡板(11)、太阳挡板扫描轴系(12)、驱动电机(13)这三部分通过太阳挡板U型支架(14)与光谱仪整机连接；当光谱仪进行定标时，太阳挡板(11)打开，太阳光入射到漫反射板(10)后形成漫射光到指向镜(1)，光线再经指向镜(1)反射到主镜(5)，再依次经过次镜(6)、第三反射镜(7)和平面转折镜(8)最终聚焦到狭缝(9)；

所述前置光学系统采用离轴三反消像散(Off-axis Three-mirror Anastigmatic，TMA)结构，前置光学系统中的主镜(5)、次镜(6)和第三反射镜(7)均采用三块非球面反射镜组成，具体为主镜(5)设计为双曲面镜，次镜(6)和第三反射镜(7)均为扁球面设计，并且要求主镜(5)、次镜(6)、第三反射镜(7)以及平面转折镜 (8)均为微晶玻璃的材料，上述反射镜均镀宽带紫外增强铝膜；

太阳漫射板星上辐亮度标准物理模型如式1所示，

其中：

E_s(λ_i)为λ_i处大气外太阳光谱辐照度；

L_cal,SD(λ_i,t)为星上定标t时刻，太阳漫射板遥感仪器观测方向太阳漫射板λ_i处的实时光谱辐亮度；

θ_SD,t,φ_SD,t；θ_v,φ_v分别为星上定标t时刻，太阳漫射板坐标系下太阳入射天顶角与方位角及遥感器观测天顶角与方位角；

f_t(θ_SD,t,φ_SD,t；θ_v,φ_v；λ_i)为星上定标t时刻，太阳以角度θ_SD,t,φ_SD,t照明太阳漫射板，θ_v,φ_v方向观测λ_i谱段处的太阳漫射板BRDF量值；

τ₂(θ_S,t,φ_S,t)是漫反射板前θ_S,t,φ_S,t入射角度下衰减屏透过率，不需要衰减入射能量时该项值取1，θ_S,t,φ_S,t为卫星坐标系下的太阳入射天顶角和方位角；

R(t)为日地距离因子，与时间有关，每年周期性变化的；

上述公式中的大气外太阳光谱辐照度E_s(λ_i)非常均匀、稳定，由长期的科学观测得到，其稳定性在1％的水平；日地距离因子R(t)可根据地球绕太阳公转轨道，精确计算出t时刻的日地距离；太阳照明角度θ_SD,t,φ_SD,t和θ_S,t,φ_S,t可根据卫星轨道参数及所选取星上定标时机计算给出；τ₂(θ_S,t,φ_S,t)能在地面实验室精确测出，是入射角度的函数；f(θ_SD,t,φ_SD,t；θ_v,φ_v；λ_i；t)就是太阳漫射板星上定标t时刻与入射及观测角度对应的λ_i处BRDF量值，根据式1就可确定星上定标t时刻太阳漫射板遥感仪器观测方向λ_i谱段处的反射辐亮度，建立相应谱段的星上辐亮度标准；

定义遥感器辐亮度修正系数F_i,j为根据相机对漫射板观测通过实验室定标系数计算的漫射板谱段辐亮度与星上定标漫射板谱段标准辐亮度，据此所建立的基于太阳-漫射板的星上定标模型为：

其中：

L_CAL(θ_CAL,φ_CAL；θ_i,φ_i；λ_j)表示定标时刻的漫射板光谱辐亮度，L_lab[DN_CAL,i,j,DN_CAL,i,j,0,G_ain,CAL,T_FP,CAL,RTA(α_CAL)]为以地面实验室定标与测量建立的遥感器辐射定标物理模型为基础，将相机星上定标时刻对漫射板观测的各谱段计数值包括暗电流、谱段增益、焦平面温度、电子学器件温度等参数代入计算得到的漫射板光谱辐亮度；

式2中F因子确定后即可作为仪器对观测目标辐亮度进行修正的系数；

所述前置光学系统采用视场离轴，光阑置于次镜(6)上，中心视场倾斜，光阑不离轴，中间不成像，前置光学系统整体形成像方远心光路；

所述漫反射板(10)采用聚四氟乙烯材料，由于聚四氟乙烯材料本身相对较软，要保证光学性能及其面形，需要用金属材料制作的支撑基础框架；

所述漫反射板(10)的不确定优于1.5％,在仪器测试角度范围，面均匀性优于99％；

所述摆镜系统机构放置在前置光路的入瞳方向，为满足系统通光口径要求和摆扫角度视场覆盖要求，设计指向镜(1)为长条形或椭圆形，指向镜(1)的材料采用碳化硅，考虑到减重要求，指向镜(1)的重量优于12㎏，其面形精度RMS优于λ/30，指向镜(1)镀宽带紫外增强铝膜；

所述摆镜系统通过摆镜摆扫轴系(2)、电机谐波组件 (3)的设计来实现指向镜(1)的指向精度优于0.002°，工作范围内轴系摆动优于3″；

所述太阳光挡门组件中，驱动电机(13)安装在太阳挡板U型支架(14)上，通过太阳挡板扫描轴系(12)驱动完成太阳挡板(11)切换动作，太阳挡板(11)采用穿轴胶结的方式安装在太阳挡板扫描轴系(12)上，且太阳挡板(11)采用碳纤维材料；

所述太阳光挡门组件中，通过太阳挡板扫描轴系(12)、驱动电机(13)的设计来实现太阳挡板(11)指向精度优于0.2°，旋转角度满足90°。