紫外环形临边成像仪的信噪比模拟分析与验证

近年来，伴随光学、计算机、探测器、卫星等技术的快速发展，空间大气遥感得到了广泛的应用。临边观测模式作为-种新兴的空间探测模式，具有空间、时间覆盖率大，垂直分辨力高等优点。临边观测的遥感仪器可以探测大气散射光谱辐射，通过分析光谱特性，反演得出大气成分(痕量气体和气溶胶等)。

查釜!塑 壅 曼：笠!堂 堕望盛堡 笪 些 型坌堑 箜信息，因此成为国内外相关领域的研究热点lj J。目前，有关临边成像光谱仪的报道中，其光学系统部分大多采用前置光学系统，包括反射式非球面刻划光栅、离轴抛物面反射镜，或通过方位扫描镜与高度扫描镜的配合实现较大视场的临边探测。这在-定程度上增加了加工成本，给加工和装配带来了很多不便。本文结合重点专项项目紫外环形临边成像仪光学相机方案设计与关键技术研究”的光学设计技术指标，提出了- 种无须转动光学系统(或扫描部件)即可在 360。内-次凝视成像的紫外环形成像系统，能够实现紫外波段实时全景临边成像探测，成像质量接近衍射极限，满足空间紫外光学仪器的使用要求。由于工作于紫外波段，信号较为微弱，信噪比成为评价成像系统的成像质量的-个重要指标，其模拟分析方法与验证对成像仪的研制开发至关重要，开发出-种能够成功预测紫外环形临边成像仪信噪比的模拟方法，为以后的工作奠定了良好的基矗1 光学系统介绍紫外环形临边成像仪设计运行在 400 km 的轨道高度上，临边探测高度为 0～88 km，仪器工作波段250～380 nm，三个中心波段分别为 265 nm、295 nlTl、360 nm。图 1为紫外环形临边成像仪的光学系统光路图。光线首先入射到全景环形透镜(PanoramicAnnularLens，PAL)内，PAL是由两个反射面和两个折射面的折反射透镜组成，在 PAL的内部产生环形虚像，然后通过后面的中继透镜装置最终成像在像面上。由此可以获取水平方向 360。和垂直方向 140.4。～144.8。的全景环形成像系统。该系统中的中继透镜系统采用折射率 n以及阿贝常数 1，不同的双分离的正负透镜组合，负透镜采用熔石英，正透镜采用氟化钙，从而使系统色差达到最小Lj J。选择像元数为 1 024 pixelsx 1 024 pixels，像元尺寸为 13 gmx 13 m的紫外增强型面阵电荷耦合器件(CCD)E2VCCD47.20作为成像探测器。

图 1 紫外环形临边成像仪光学系统结构Fig.1 Layout ofUV panoramic limb imaging optical system图2为系统的MTF曲线，在频率 40 lp/mm时，各视场的MTF值均在 0.7左右。

噍 枯 暮三 2- 鼍：～# 蠢：10 2O 30 40Spatial frequency(cycles/mm)(a)- ～ - 、 、 10 2O 30 40Spatialequency(cycles/mm)(b)图 2 各视场 的调制传递 函数Fig.2 MTF ofeach filed2 信噪比分析与公式推导2.1仪器噪声分析仪器的噪声包括观测目标的背景噪声和系统探测器噪声。观测目标的背景噪声主要包括：地面和日光8 6 4 2 1 0 0 O O O O 8 6 4 2 1 O 0 0 O O 口0 -np0苫44 光电工程 2013年 8月辐射、各种物体的漫反射光、紫外星辐射。由于紫外环形临边成像仪的工作波段和特殊应用，地面和日光辐射以及紫外星辐射可以近似忽略不予考虑。通过使用遮光罩以及内置隔板等可以有效控制仪器内部的漫反射带来的杂散光。探测器噪声主要分为散粒噪声、暗电流噪声、读出噪声(包括复位噪声和输出放大器噪声)等。J。

1)散粒噪声 ：又称光子噪声，是指由于入射光子的变化使得单位时间产生的信号电子数的统计波动，这种波动形成了散粒噪声。在给定时间内，入射光子数服从泊松(Poisson)分布。其表达式为O"sh。t es (1)2)暗电流噪声crd ：由于探测器材料内部的热运动产生电子数量的统计波动，这种波动形成了暗电流噪声。公式表示为od rk√ dark (2)3)读出噪声 ：-般是指探测器内部的电子学噪声，包括光致电子转化到量化电压，后续信号放大处理及模数信号转化过程中引入的噪声。主要贡献来自输出放大器噪声和复位噪声。在高性能探测器设计，- 般通过特殊设计(例如双相关采样技术)可以把读出噪声限制到低水平。

噪声源之间是相互独立的，所以总的噪声方差为各噪声源方差的和。总的随机噪声电子数可以表示为N。√仃 。 o-d2 k d√ cr dⅣd rk (3)式中： 为CCD读出噪声电子数；Ⅳdark为 CCD暗电流电子数。

2.2信号模拟及公式推导紫外环形临边成像仪光学系统像面处的光谱辐照度E ( )可以表示为 (4)CCD探测器每个像元所接收到的光谱辐通量 ( )表示为( )：E ( )· (5)式中：r(A)为光学系统光谱辐射传输效率；L(2)为仪器接收到的临边大气光谱辐亮度；D/f 为光学系统相对孔径； 为CCD每个像元的尺寸面积。

CCD探测器的每个像元在积分时间t 内所产生的信号电子数 ∩以表示为。： f d2 (6)式中：d 为系统光谱带宽，7( )为 CCD量子效率，普朗克常数h6.63×10 J·S，光速c3×10。m/s，为波长。

紫外环形临边成像仪的三个工作波段由窄带滤光片限制带宽，因此带宽范围内各变量随波长变化不明显，故其积分可以用带宽中心波长 处的值与带宽 的乘积表示，具体可简化为如下公式：Se- · )COS4(2)r.i7( B (7)系统每个像元的信噪比RsNR可以表示为爱满足紫外环形临边成像仪要求的空间分辨力前提下，可通过采用像元合并技术提高系统的信噪比。像元合并技术即将 CCD探测器上相邻的像元上的电荷作为-个值读出 J。此时信噪比可以表示为：] . (9)。 .，/MS。 dMnd rkM为合并的像元个数。紫外环形临边成像仪在光谱维上和空间维上均采用 2个像元合并使用，即M4。

紫外环形临边成像仪的信噪比模拟分析与验证 453 信噪比理论计算与验证图 3为紫外环形临边成像仪在不同临边高度所接收到的大气光谱辐亮度 J。由此无论在理论计算过程和试验模拟过程都能更贴近实际应用时的条件，真实地反应仪器的应用情况。对于仪器的信噪比验证，采用如图4所示装置进行。光源采用的是 NIST标定过的V03型 V0248号 30 w标准氘灯，分别将紫外环形临边成像仪与参考光度计放入真空罐内，将真空罐内的真空度调至 10 Pa。入射光进入真空罐内后投射在漫反射板上，经反射分别被成像仪和光度计所接收，观察光度计的读数并通过调节阀门来获得所需的光源输入信号强度 。

Prototype0 20 40 60 80Limb height/km图3 各临边高度下光谱辐亮度对数值 图4 信噪比测量系统示意图Fig 3 Spectral radiance ofdifferent limb height Fig.4 Schematic diagram ofSNR measurement system图5为不同临边高度信噪比的理论值和试验值的对比图。从图中可以看出，总体趋势基本吻合，但理论值与试验值在-定范围内存在误差，这是因为试验的整个过程会受到-些除光学系统以外其他因素的影响，另外由于信号本身较为微弱且工作于紫外波段的特殊性，因此这种误差可以被接受。

4O030O奏 2100O0 2O 40 60 80Limb height/km图5 理论值与试验值对比图Fig.5 Distribution ofthe theoretical values and experimental values4 结 论提出了-种无须转动光学系统(或扫描部件)即可在 360。内-次凝视成像的紫外环形成像系统，能够实现紫外波段实时全景临边成像探测，并开发出-种能够成功预测紫外环形临边成像仪信噪比的模拟方法。

首先分析了紫外环形临边成像仪的噪声来源，模拟了系统所接收到的信号，推导出紫外环形临边成像仪的信噪比模拟公式。然后计算得出各波段在不同临边高度条件下的信噪比。为了验证理论分析的正确性与合理性，建立相应的试验装置，试验结果与理论值基本符合，证明了这种模拟分析方法的可行眭。