Optical system design of spectrometer with double Rowland circle structure
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摘要:
提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中，200 nm～500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构；500 nm～700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线，利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅，实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束，设计、计算出光学系统各个参数指标，基于Zemax仿真分析，调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题，利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数，使像差比初始结构减小4.475 μm，光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm × 500 mm。仿真结果表明：光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm～700 nm，全波段分辨率达0.4 nm。
Abstract:An optical system of a spectrometer based on the double Rowland circle optical structure and its related design methods were proposed. The optical path in the detection wavelength range of 200 nm~500 nm was a conventional Rowland circle optical structure. The optical path in the detection wavelength range of 500 nm~700 nm used the zeroth diffraction order subspectral lines diffracted by a concave grating, which were adjusted by a plane reflector to project the spectral lines into another concave grating, and the double Rowland circle optical structure was realized. According to the design requirements and the mutual constraints among the various parameters of the optical system, the various parameters were designed and calculated. Based on Zemax simulation analysis, the optical parameters were adjusted and the feasibility of the optical system was verified. Aiming at the problem of aberration of the planar signal detector on the Rowland circle, the reflector was used to increase the number of signal detectors, and the aberration was reduced by 4.475 μm compared with that of initial structure. The overall optical structure size of the spectrometer was less than 400 mm 500 mm. Simulation results show that the spectral band range measured by the spectrometer can reach 200 nm~700 nm, and the whole band resolution can reach 0.4 nm.
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Keywords:
- Rowland circle /
- concave grating /
- spectrometer /
- Zemax
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引言
基于场地的替代定标方法是卫星遥感器在轨定标的重要手段。在外场替代定标中, 通过在辐射定标场现场实测地表和大气参数[1-2], 输入辐射传输模型[3], 计算得到卫星入瞳辐亮度, 结合卫星过境时刻观测数据, 实现卫星遥感器的在轨辐射定标。在场地替代定标方法中, “反射率基法”是发展最早, 应用最为成熟的技术手段[4-5], 目前仍是场地替代定标中的主流技术手段。因此辐射校正场地表特性的精确表征至关重要。
在卫星遥感器外场替代定标过程中, 入射到地面的辐射分为太阳直射辐射和天空漫射辐射, 受大气分子散射、气溶胶粒子散射的影响, 天空漫射辐射中存在明显的偏振成分[6]。由于地面反射并非理想的漫反射, 其消偏效果有限, 这部分偏振光成分经过地面漫射后仍然会存在偏振残留, 进而在地面反射辐射中引入偏振效应。另一方面, 地表自身的粗糙度也会影响其反射光的偏振状态, 相关研究表明, 在不同的粗糙度状态下, 反射光的偏振态存在差异[7-8]。因此, 有必要对试验场地反射辐射的偏振特性进行研究, 评估实验条件下的地表反射辐射的偏振状态、角度分布规律等信息。
敦煌辐射校正场是我国遥感卫星辐射定标的重要场地, 业界对敦煌校正场地表特性表征方面做了大量的工作, 例如场地的均匀性, 场地的双向反射比分布函数(BRDF)测量、场地反射率的稳定性以及季节变化等, 但对场地地表反射辐射的偏振特性研究较少。场地反射率由地表反射辐射和参考板的反射辐射比对测量得到, 特别是目前场地反射率的测量主要借助于地物光谱仪, 如SVC和ASD等, 其内部使用了反射、光栅色散式的光路结构, 这种光路结构不可避免会引入偏振效应, 相关的研究也证实这类地物光谱仪自身存在偏振敏感性[9-10]。当使用这类设备进行场地反射率测量时, 如果场地反射辐射中存在偏振特性, 则偏振效应必然会引入场地反射率的测量误差(由于参考板良好的朗伯特性, 其偏振效应可以忽略)。
本文利用通道式偏振成像仪和偏振光谱仪(经过偏振改造的ASD光谱仪)对敦煌辐射校正场反射辐射的偏振特性进行了研究, 获得了实验条件下的敦煌辐射校正场场地反射辐射的偏振特性。本文介绍了场地反射辐射偏振特性测量的基本原理, 详细介绍了所采用的偏振成像仪和偏振光谱仪两种测量方案, 最后对测量结果进行了分析。
1 场地反射辐射的偏振特性测量原理
光具有波粒二象性, 根据麦克斯韦方程组可知, 光是矢量波。光的偏振现象就是光的矢量性质的表现, 是光波的一种基本性质。根据电场矢量E的端点所描绘的轨迹区分, 偏振光分为椭圆偏振光、线偏振光和圆偏振光。对光偏振态的定量描述, 主要采用Stokes矢量法, 因此对于任一单色平面波, 其偏振态可用参量I、Q、U、V表述为
$$ \mathit{\boldsymbol{S}} = {\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} I&Q&U&V \end{array}} \right]^{\rm{T}}} $$ (1) 式中:I为非偏振分量; Q、U为2个方向上的线偏振分量; V为圆偏振分量, 在自然界中, 地表反射的圆偏振分量较小, 故本文暂不考虑, 默认V=0。
计算Stokes参量, 需要知道系统的Mueller矩阵, 对于入射光射入一个理想起偏器时, 与参考方向成θ角的理想起偏器Mueller矩阵如下:
$$ \mathit{\boldsymbol{M}} = \frac{1}{2}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{ {\rm{cos}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&{ {\rm{sin}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&0\\ {{\rm{cos}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&{ {\rm{cos}}{{\kern 1pt} ^2}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&{ {\rm{cos}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta \ {\rm{sin}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&0\\ {{\rm{sin}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&{ {\rm{cos}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta \ {\rm{sin}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&{ {\rm{si}}{{\rm{n}}^2}{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\theta }&0\\ 0&0&0&0 \end{array}} \right] $$ (2) 则出射光的Stokes参量Sout与入射光Sin的关系为
$$ {\mathit{\boldsymbol{S}}_{{\rm{ out }}}} = \mathit{\boldsymbol{M}} \cdot {\mathit{\boldsymbol{S}}_{{\rm{ in }}}} $$ (3) 即为
$$ {\mathit{\boldsymbol{S}}_{{\rm{out}}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{I_{{\rm{out}}}}}\\ {{Q_{{\rm{out}}}}}\\ {{U_{{\rm{out}}}}}\\ 0 \end{array}} \right] = \mathit{\boldsymbol{M}}\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} I\\ Q\\ U\\ 0 \end{array}} \right] $$ (4) 由(2)式和(4)式可知单色出射光的Iout与入射光[I Q U]T的关系, 如(5)式所示。
$$ {I_{{\rm{out}}}} = \frac{1}{2}(I + Q {\rm{cos}} 2\theta + U {\rm{sin}} 2\theta ) $$ (5) 对于典型的三偏振通道探测仪来说, 定义其三通道相对于基准方向的偏振方向分别为a、b和c, 典型的角度取0°、60°、120°或者0°、45°、90°, 将偏振片透光轴方向角度代入(5)式联立方程组可得:
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {I_{{\rm{ out }}}^a}\\ {I_{{\rm{ out }}}^b}\\ {I_{{\rm{ out }}}^c} \end{array}} \right] = {\mathit{\boldsymbol{M}}^\prime }\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} I\\ Q\\ U \end{array}} \right] = \frac{1}{2}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{ {\rm{cos}} 2a}&{ {\rm{sin}} 2a}\\ 1&{ {\rm{cos}} 2b}&{ {\rm{sin}} 2b}\\ 1&{ {\rm{cos}} 2b}&{ {\rm{sin}} 2c} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} I\\ Q\\ U \end{array}} \right] $$ (6) 式中Iouta、Ioutb和Ioutc分别为目标辐射经过偏振探测仪3个偏振通道后的分量。
由于光学元件差异和探测器的差异, 偏振探测仪的偏振通道间通常会存在响应非一致性, 综合表现为各偏振通道响应度的差异, 需要在实验室进行通道响应非一致性校正。常采用的方法是使用积分球无偏光源, 在输入辐亮度已知的情况下获得各偏振通道的相对校正系数。假设对应偏振探测仪某光谱通道λi的积分球光源辐亮度为L(λi), 则有下式成立:
$$ \begin{array}{*{20}{l}} {L({\lambda _i}) = DN_a^{L({\lambda _i})}{R_a}({\lambda _i}) = }\\ {{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} DN_b^{L({\lambda _i})}{R_b}({\lambda _i}) = DN_c^{L({\lambda _i})}{R_c}({\lambda _i})} \end{array} $$ (7) 式中DNaL(λi)、DNbL(λi)和DNcL(λi)分别是偏振探测仪观测积分球光源时光谱通道λi 3个偏振通道的响应值; Ra(λi)、Rb(λi)和Rc(λi)是3个偏振通道的辐射响应度。根据(7)式, 以通道b为参考通道, 则通道a和c相对b进行校正可得:
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{R_a}({\lambda _i}) = {T_a}({\lambda _i}){R_b}({\lambda _i}) = DN_b^{L({\lambda _i})}/DN_a^{L({\lambda _i})} \cdot {R_b}({\lambda _i})}\\ {{R_b}({\lambda _i}) = {T_b}({\lambda _i}){R_b}({\lambda _i})}\\ {{R_c}({\lambda _i}) = {T_c}({\lambda _i}){R_b}({\lambda _i}) = DN_b^{L({\lambda _i})}/DN_c^{L({\lambda _i})} \cdot {R_b}({\lambda _i})} \end{array}} \right. $$ (8) 式中Ta(λi), Tb(λi)和Tc(λi)是光谱通道λi 3个偏振通道的响应非一致性校正系数, 其中Tb(λi)=1。目标观测时, 可得到偏振探测仪光谱通道λi的偏振测量方程如(9)式所示。
$$ \begin{array}{l} \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} I\\ Q\\ U \end{array}} \right] = {\mathit{\boldsymbol{M}}^{\prime - 1}}\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {DN_a^T({\lambda _i}){R_a}({\lambda _i})}\\ {DN_b^T({\lambda _i}){R_b}({\lambda _i})}\\ {DN_c^T({\lambda _i}){R_c}({\lambda _i})} \end{array}} \right] = \\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt}\ \ \ {\mathit{\boldsymbol{M}}^{\prime - 1}}{R_b}({\lambda _i})\left. {\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {DN_a^T({\lambda _i}){T_a}({\lambda _i})}\\ {DN_b^T({\lambda _i})}\\ {DN_c^T({\lambda _i}){T_c}({\lambda _i})} \end{array}} \right.} \right] \end{array} $$ (9) 式中DNaT(λi)、DNbT(λi)和DNcT(λi)分别为偏振探测仪a、b、c 3个偏振通道测量目标时的响应值。
目标辐射的偏振度可由(10)式计算得到。
$$ P = \sqrt {\frac{{{Q^2} + {U^2}}}{I}} $$ (10) 由(7)式和(8)式可知, Rb(λi)为公共参量, 故偏振度结果仅与偏振片透光轴方向(a、b和c)、探测器测量目标的实际响应值(DNaT(λi)、DNbT(λi)和DNcT(λi))和响应非一致性系数(Ta(λi)、Tb(λi)和Tc(λi))有关, 其中3个偏振通道的偏振片透光轴方向和通道间响应非一致性校正系数通过实验室定标得到。
2 测量方案
为获得敦煌辐射校正场反射辐射的偏振特性, 本文使用多波段偏振成像仪和偏振光谱仪两种工作体制的设备分别进行了场地多角度偏振分布测量, 其中多波段偏振成像仪吊装在塔吊上, 通过控制塔吊悬臂运动, 实现了非定点的偏振测量; 偏振光谱仪安装在手动控制的BRDF测量架上, 通过控制BRDF测量架导轨运动, 实现固定点偏振测量(BRDF测量架中心处)。借助塔吊50 m长悬臂上的径向运动和悬臂的旋转运动, 获得了直径100 m圆周区域的局部偏振分布均匀性。
2.1 测量设备介绍
试验中使用了多波段偏振成像仪和偏振光谱仪, 两种设备的详细介绍如下。
1) 多波段偏振成像仪
图 1为多波段偏振成像仪的三维模型, 主要由CCD相机头部和二维云台组成。CCD相机头部集成了三分束同时成像CCD相机和滤光片转轮, 试验时配备了490 nm滤光片和670 nm滤光片。成像仪采用分振幅偏振探测光路原理, 可同时获得(0°, 45°, 90°)3个方向的偏振图像, 二维云台主要用于改变CCD相机的观测几何。仪器图像数据处理时, 采用10°视场。尽量减少仪器自身因视场过大而引入的较大偏振误差, 同时匹配偏振光谱仪的视场。仪器实验室偏振度定标误差优于1%。
2) 偏振光谱仪
偏振光谱仪[10]主要由ASD光谱仪搭配偏振测量组件后改装而成, 如图 2所示, 具体的改装方案如下:在ASD光纤镜头前面加装偏振测量组件, 偏振测量组件主要由偏振片和退偏器组成, 在组件外部添加角度刻线, 用于控制偏振片角度。退偏器的作用是将透过偏振片的偏振光退偏成非偏光, 消除仪器自身的偏振特性的影响, 提高仪器偏振测量精度。偏振探测需要分时测量3个方向(0°, 60°, 120°)。偏振测量组件的孔径光阑视场是10°, 偏振光谱仪的实验室偏振定标误差小于1.5%。两台仪器主要参数见表 1。
表 1 仪器主要参数Table 1. Main parameters of instruments偏振仪器 多波段偏振成像仪 偏振光谱仪 波段/nm 490和670 350~2 500 光谱分辨率/nm ~40(FWHM) 3@700
8@1 400/2 100视场/(°) 10 10 工作方式 自动/同时观测 手动/分时观测 偏振方向/(°) (0, 45, 90) (0, 60, 120) 绝对误差(DoLP)/% ~1 ~1.5 2.2 场地反射辐射多角度偏振测量方案
地表辐射的偏振特性和太阳几何方位以及仪器观测几何密切相关, 为获得地表辐射的多角度偏振分布特征, 设计了场地地表辐射的多角度偏振分布测量方案, 本文采用了基于多波段偏振成像仪的非定点测量和偏振光谱仪的定点式测量两种测量方案。
2.2.1 偏振成像仪非定点测量方案
多波段偏振成像仪受体积和重量的限制, 为了获得更为精准的观测几何以及更大范围的场地图像, 本文采用场地塔吊辅助实验。图 3是实验现场仪器的安装照片。偏振成像仪固定在吊篮(配重)的下端, 吊篮固定于塔吊吊钩之上, 偏振成像仪初始位置为竖直向下。图 4是实验现场总体图。
偏振成像仪采用非定点方式进行测量, 非定点测量方式如图 3所示, 在非定点测量过程中, 仪器与场地的相对位置不变, 控制仪器上的二维转台进行测量, 具体的测量流程如下。
1) 首先从初始方位面开始, 固定转台方位角度不变, 仪器从天顶-60°开始测量, 以15°为间隔, 测量至天顶60°, 完成初始方位面的测量, 测量结束时保持仪器天顶观测角度不变(保持在该方位面测量结束时的天顶角度)。
2) 控制转台以30°为间隔, 转动至下一个方位面, 转动结束后保持转台方位角不变。控制仪器在该方位面内进行天顶测量, 天顶角度起始位置为上一个方位面测量结束时的天顶角度, 角度间隔为15°。
3) 重复上述过程, 直到完整一周测量完成。
图 5所示为偏振成像仪在每个方位面内的天顶测量示意图, 测量范围均为(-60°, 60°), 以15°为间隔, 共9个位置。图 6所示为整个圆周内的所有非定点测量的测量点, 仪器位于圆周正中心, 图 6中箭头指示了测量轨迹, 圆点代表每个测量点。从图中可以看出共6个测量方位面, 每个方位面共9个天顶测量点。由于偏振成像仪采用自动化控制, 分振幅同时成像, 为尽可能减小太阳几何方位变化对测量带来的影响, 测量总时间控制在20 min内。
2.2.2 偏振光谱仪定点测量方案
偏振光谱仪采用便携式BRDF手动测量架进行场地反射辐射偏振特性测量, 手动测量架如图 7所示。偏振光谱仪的偏振测量组件固定在测量架的滑轮机构上, 天顶角测量间隔15°, 方位角测量间隔30°, 每个位置测量3个偏振方向, 即偏振片依次转动0°、60°、120°, 测量位置点如图 8所示。偏振光谱仪采用手动测量方案, 每一个位置测量3个方向, 每个方向测量3次数据, 由于采用了人工测量, 为减少测量时间过长, 太阳方位角变化对测量结果的影响, 每轮测量时, 以太阳方位面为轴面, 仅测量半球空间的一半, 每轮测量时间小于20 min。
2.3 场地局部均匀性测量方案
本文利用多波段偏振成像仪配合塔吊进行了场地局部偏振分布均匀性的评估。试验时, 多波段偏振成像仪固定于吊篮下方, 并始终保持竖直向下观测。塔吊臂长50 m, 因此实验主要评估塔吊周边场地直径100 m区域的局部场地。
设计了两种测试模式, 一种模式方法见图 9所示, 塔吊悬臂按方位角旋转, 角度间隔为45°, 塔吊悬臂旋转一周, 共设置8个方位角测量点。在每个方位角的测量点上, 控制多波段偏振成像仪采集数据10次, 取该点10次测量结果的平均值代表该测量点的地表反射辐射偏振度, 这种测量模式称为“圆周模式测量”; 另一种模式如图 10所示, 控制塔吊悬臂上的滑轮运动, 使多波段偏振成像仪沿悬臂径向运动, 共设置8个测量点, 每个测量点共采集10个数据, 取10个测量数据的平均值代表该测量点的地表反射辐射偏振度, 这种测量模式称为“线模式测量”。考虑到尽可能控制测量时间, 减少太阳几何方位变化对测量的影响, 仅在一个方位角位置进行了线模式测量。考虑仪器采用10°视场, 吊于约30 m高度, 视场观测范围为4 m×4 m, 考虑到塔吊臂长50 m, 采集8个位置, 不会出现视场重叠。
3 敦煌场地反射辐射偏振特性分析
3.1 场地非定点测量结果分析
采用多波段偏振成像仪对场地地表反射辐射进行非定点观测。图 12是490 nm偏振特性分布热度图, 图 13是670 nm偏振特性分布热度图, 可以看出, 场地在前向散射区的偏振度明显大于后向散射区(太阳几何信息见图中文字标注), 同时相对于太阳主平面, 偏振分布具有一定的对称性。在太阳主平面的前向散射区, 观测天顶(0°, 60°)范围内, 偏振度随着天顶角的增大而增大, 偏振度490 nm通道热度图出现了“冷点”, 原因是“冷点”位置刚好是通向塔吊的通道, 场地自然面貌遭到破坏, 破坏了场地本身的自然特性, 偏振度出现明显变化。
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图 12 偏振成像仪490 nm多角度偏振分布Figure 12. Multi-angle polarization distribution of 490 nm polarization imager![]()
图 13 偏振成像仪670 nm多角度偏振分布Figure 13. Multi-angle polarization distribution of 670 nm polarization imager3.2 场地定点测量结果分析
使用偏振光谱仪对场地地表反射辐射的定点多角度偏振度测量结果如图 14所示, 比较图 12~15可知, 两者测量结果中偏振度的总体分布趋势完全吻合, 均为前向散射区的偏振特性明显大于后向散射区的偏振特性, 同时在前向散射区, 天顶角度越大, 偏振度也越大。
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图 14 偏振光谱仪490 nm多角度偏振分布Figure 14. Multi-angle polarization distribution of 490 nm polarization spectrometer![]()
图 15 偏振光谱仪670 nm多角度偏振分布Figure 15. Multi-angle polarization distribution of 670 nm polarization spectrometer根据图 12~15, 两种方法获得的地表反射辐射偏振度的数值存在一定的差异, 原因之一在于两种测量方法的实验时间不同, 自然条件和观测几何存在差异; 另一个原因在于偏振光谱仪观测区域仅为直径20 cm左右, 而多波段偏振成像仪位于30 m高的塔吊上, 地面观测区域为4 m×4 m区域, 偏振度观测结果为该区域的统计结果, 在较大的观测区域上存在平均效应。
3.3 场地局部均匀性结果分析
受实验条件限制, 场地局部偏振均匀性数据均来自塔吊半径50 m的周边场地, 测量结果见图 16。从图 16可以看出, 圆周测量模式的数据波动大于线测量模式, 一个可能的原因在于塔吊在旋转过程中, 引起了仪器的摆动, 改变了仪器的观测几何, 而线测量模式下, 仪器的摆动较小, 基本保持了观测几何的固定。
根据图 16, 490 nm通道的偏振度高于670 nm通道的偏振度, 这也和相关的研究结果一致[11]。通过局部地表反射辐射的偏振均匀性分析, 490 nm圆周测量模式下得到的非均匀性结果为8.0%, 线测量模式下得到的均匀性结果为8.9%;对于670 nm通道来说, 圆周测量模式下得到的非均匀性结果为6.8%, 线测量模式下得到的均匀性结果为4.4%。整体而言, 场地反射辐射的局部均匀性在6%左右。具体测量结果见表 2, 表中数据6由于图像中出现测量架阴影, 故从数据中剔除。
表 2 场地偏振均匀性数据Table 2. Site polarization uniformity data波长/nm 运动方式 线性偏振度 均值 标准差 数据1 数据2 数据3 数据4 数据5 数据6 数据7 数据8 490 圆周测量 0.095 0.110 0.117 0.098 0.103 - 0.096 0.098 0.102 0.0082 线测量 0.075 0.083 0.088 0.093 0.093 - 0.095 0.098 0.089 0.0079 670 圆周测量 0.035 0.035 0.032 0.038 0.031 - 0.033 0.035 0.034 0.0023 线测量 0.029 0.030 0.032 0.032 0.032 - 0.033 0.032 0.031 0.0014 4 结论
本文利用多波段偏振成像仪和偏振光谱仪测量了敦煌辐射校正场反射辐射的偏振特性, 测量波段为490 nm和670 nm波段。可知场地的反射辐射具有一定的偏振特性, 场地局部偏振均匀性约为6%左右; 场地反射辐射的多角度偏振分布以太阳方位面为轴面, 呈现一定的对称性。偏振特性与观测几何密切相关, 前向散射区的偏振特性高于后向散射区, 在太阳方位面的前向散射区, 观测天顶在(0°, 60°)范围内, 偏振度随着观测天顶角的增大而增大; 偏振特性和波段有关, 490 nm波段的偏振度明显高于670 nm的偏振度。事实上, 场地反射辐射的偏振特性是综合了大气和地表特征影响的总体结果, 因此配合大气观测设备(如偏振太阳辐射计等)观测数据对深入研究场地反射辐射偏振效应具有重要价值。此外, 场地反射辐射的偏振特性也和场地表面特性有关, 在后续工作中, 深入研究场地表面特性(如粗糙度、均匀性等)和反射辐射偏振特性的关系, 配合大气观测数据, 建立场地偏振散射模型, 对进一步提高外场辐射定标精度具有重要意义。
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图 3 平凸镜到入射狭缝处光路
Figure 3. Diagram of optical path from plane-convex mirror to incident slit
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图 4 500 nm～700 nm罗兰圆结构仿真及其成像面点列图
Figure 4. Structure simulation diagram and imaging plane spot diagram of Rowland circle in wavelength range of 500 nm~700 nm
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图 5 200 nm～500 nm罗兰圆光学结构及其成像面点列图
Figure 5. Structure simulation diagram and imaging plane spot diagram of Rowland circle in wavelength range of 200 nm~500 nm
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图 6 信号接收装置摆放位置对像差的影响
Figure 6. Effect of position of signal receiving device on aberration
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图 8 不同狭缝宽度时253.65 nm和253.25 nm光谱线点列图
Figure 8. Spot diagram of 253.65 nm and 253.25 nm spectral lines with different slit widths
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图 9 光谱仪全波段特征谱线、边缘谱线的点列图
Figure 9. Spot diagram of full-band characteristic and edge spectral lines of spectrometer
表 1 入射角为40°时各线数的波长范围
Table 1 Wavelength range of each line number at incident angle of 40°
光栅线数k /（线/mm） 波长范围/nm 1 200 376.649～939.664 1 600 359.552～781.784 2 400 188.324～469.832 
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表 2 不同入射角检测的最大光谱范围
Table 2 Maximum spectral range detected at different incident angles
入射角α /（°） 200 nm对应衍射角β /（°） 可检测光谱范围/nm 20 −7.93 200～285 30 1.15 200～417 40 9.37 200～536 50 16.62 200～638 60 22.71 200～722
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表 3 500 nm～700 nm光路中各部件位置距离参数
Table 3 Position distance parameters of each component of optical path in wavelength range of 500 nm~700 nm
光学元件 位置参数 数值 入射狭缝 到衍射光栅距离f1 305.52 mm 200 nm～500 nm
光路的衍射光栅到第1个平面镜距离l1 213.67 mm 入射角及反射角 64.5° 第1个平面镜 到第2个平面镜距离l2 213.67 mm 入射角及反射角 10° 第2个平面镜 到第2个衍射光栅距离f1’ 199.42 mm 入射角 60°
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表 4 初始结构与优化结构最大像差对比
Table 4 Comparison of maximum aberration of initial and optimal structures
初始结构 优化结构 边缘波长/nm 像差/μm 最大像差处波长/nm 像差/μm 325.82 156.42 311.38 154.70 375.67 156.66 340.18 155.49 430.62 181.79 417.15 175.85 476.16 173.08 443.92 171.37 523.65 135.68 536.93 127.30 569.18 124.93 556.46 122.97 617.37 160.37 628.67 147.36 655.47 142.08 645.01 140.17
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