基于米氏散射理论的在轨高精度光谱校正方法研究及其在红外遥感中的应用

为解决在轨光谱仪校准光源斜入射导致的系统光谱漂移问题，研究人员创新性地引入米氏散射(Mie scattering)理论建立校正模型。通过理论建模与实验验证，系统分析了漫透射板粒子尺寸(20-150 μm)和入射角度(45°-75°)对光谱校准精度的影响，提出基于角度重分布函数的高精度校正方法，将紫外-红外波段校准精度提升至0.05-0.2 nm水平。该研究为复杂空间环境下光谱仪的高精度在轨校准提供了新思路。

　　

在空间遥感领域，光谱数据的精确校准直接关系到大气成分监测、温室气体反演等关键应用的可靠性。然而长期以来，在轨光谱仪面临一个棘手难题：探测光通常以近法向入射进入系统，而受机械布局限制，校准光源必须以较大倾斜角（约55°）入射。这种角度差异会导致光栅光谱仪产生系统性光谱漂移（spectral drift），严重影响紫外-红外波段的校准精度。传统基于理想朗伯体假设的模型难以准确描述这种非平行校准条件下的光散射行为，成为制约高精度空间光谱测量的瓶颈问题。

针对这一挑战，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表创新成果。该研究首次将米氏散射理论引入在轨光谱校准优化，建立了考虑角度依赖衍射行为和狭缝照度剖面的校正模型。通过理论计算与实验验证相结合，揭示了校准光源波长、入射角度与漫透射板粒子尺寸对散射特性的耦合影响机制，开发出可消除斜入射光谱漂移的高精度校准技术。

研究主要采用三项关键技术：1）建立修正的米氏散射相位函数模型，引入球形波展开法求解倾斜入射条件下的边界条件；2）设计逆向光线追迹算法，计算漫透射板后表面辐射亮度分布；3）开发高斯拟合与布兰德-阿尔特曼分析相结合的误差评估体系，使用1064 nm和810 nm激光源验证不同粒子尺寸（20-150 μm）漫透射板的校准性能。

米氏散射与辐射传输的理论建模
通过求解麦克斯韦方程组，研究团队推导出倾斜入射条件下修正的散射角计算公式（式1），其中θ_s为校正后的散射角，θ₀为入射光方向角。模型特别考虑了漫透射板制造过程中引入的粒径正态分布特性（式5），使理论预测更接近实际光学系统表现。计算显示当入射角从45°增至65°时，1064 nm激光的谱线漂移从0.0935 nm扩大至0.1431 nm。

校准光源倾角的影响机制
实验采用全息凹面光栅光谱仪（分辨率0.5 nm）验证理论预测。数据显示斜入射导致辐射通量在狭缝处呈现不对称分布（图2），55°倾斜时实测漂移量达0.1042 nm，与理论值0.1126 nm吻合良好（相对误差<8%）。布兰德-阿尔特曼分析证实，角度每增加10°，红外波段漂移量平均增长37%（图9）。

漫透射板粒径的调控作用
金属显微镜表征显示（分辨率0.5 μm），当粒径从20 μm增至100 μm时，1064 nm激光的实测漂移从0.1087 nm降至0.05413 nm。这是由于较大颗粒能更好地均匀化光场分布，但制造工艺限制导致实际粒径存在±3 μm偏差，成为理论与实验差异的主因。

波长依赖性的预测验证
模型预测在1500 nm波长下，55°入射角的漂移可达0.1833 nm，比1000 nm时增大96%（表1）。这一发现特别警示长波红外遥感需更严格的角校正，为下一代高分辨率遥感卫星设计提供了关键参数。

该研究突破性地解决了斜入射校准这一长期困扰空间光学测量的难题。相比传统方法，新模型将红外波段校准精度提高约3倍，对风云系列气象卫星、碳监测卫星等载荷的研制具有直接指导价值。未来通过扩展模型至反射式校准架构，有望进一步推动紫外波段的空间光谱定标技术发展。论文建立的粒径-角度-波长三维校正矩阵，为复杂环境下光谱仪的性能优化提供了普适性框架。