星载差分吸收光谱仪CCD紫外波段PRNU研究

Based on differential optical absorption spectrum algorithm space-borne differential optical absorption spectrometer is used for remote sensing of atmospheric trace gas global distribution. A scientific grade CCD, as the detection chip of the spectrometer is used for higher resolution and higher SNR. The Photo Response Non-uniformity (PRNU), which is related to the incident light wavelength, is affected by various factors, such as CCD materials and structure. Study found that the optical imaging error affected by PRNU can be larger than 10% at UV waveband. The normal method which using simple uniformly illumination to test PRNU cannot objectively reflect CCD PRNU parameters at different positions in various UV band. Since that a new PRNU evaluation method and a new PRNU correction method are proposed. Based on an established elliptical spot imaging system, PRNU characteristics and PRNU correction mode of the spectrometer CCD in UV band are studied using multi-spectral and multi-angle combining sweeping. To study PRNU factor change brought by CCD performance degradation and to build a projection model, high-intensity UV radiation experiment is done offering strong support of spectrum imaging quality after the space-borne spectrometer is launched.

星载差分吸收光谱仪使用差分吸收光谱算法解析痕量污染气体成分，遥感监测大气痕量气体的全球分布。为满足高精度、高信噪比的探测需求，选用科学级CCD作为光电探测器。由于制造材料、工艺等原因CCD成像存在像元响应非均匀性（Photo Response Non-Uniformity, PRNU），该现象与入射光波长有关。研究发现，在紫外波段PRNU可引起10%以上的光学成像误差。针对使用简单的均匀光照射CCD测试PRNU，不能客观反映不同谱段紫外光在CCD探测面不同位置上PRNU参数的问题，提出了全新的PRNU评价方式和校正方法。基于椭圆光斑成像系统，通过多谱段、多角度组合扫描方式，研究载荷CCD在紫外波段的PRNU特征、生成PRNU校正模型，并通过高强紫外辐照实验探索CCD性能衰减带来的PRNU因子变化，生成预测模型，为载荷入轨后的光谱成像质量提供有力支撑。

项目进行了载荷探测器在紫外波段的PRNU特性研究，研究了探测器在不同波段辐照下的PRNU变化特征。使用不同波段的单色LED作为辐照光源，光源波段覆盖275nm~405nm的紫外光，并对波段进行扩展，增加可见及红外波段的辐照光源；通过单色光源点亮积分球作为均匀面光源进行PRNU辐照测试，通过多组实验进行对比以验证结果准确性。结果表明载荷探测器的PRNU特性与波段呈现相关性，但是偏差不大，进一步扩展PRNU研究波段，结果表明PRNU的波段特性与探测器的量子效率呈现较强的负相关性，结合探测的光电转换原理对这一结果进行了理论分析；提出了一种全新的载荷探测器PRNU校正方法，构建了成像光谱仪的波段相关PRNU校正模型，该方法主要基于传统的两点校正法，加入波段相关信息，实现对CCD的PRNU校正，将不同波段的校正系数结合探测器量子效率曲线进行拟合插值，得到不同波段的校正系数，结果表明，通过波段相关校正方法获取了在空间维更平滑的光谱数据，优化了数据信噪比；通过光学针孔和单色LED组成的光学系统获得了衍射光斑光场模型，并使用特定波段光斑对探测器的固定像元区域进行长时间辐照实验，研究了探测器像元在该单色光斑辐照下的PRNU变化特征。综上，载荷探测的波段相关PRNU特性研究，探究了探测器与不同波段辐照的相应关系，并提出了波段相关的PRNU校正方法，为载荷的相对辐射定标提供了重要参考和依据，为进一步提升载荷相对辐射定标精度提供了具有可行性意义的方法。