太阳辐射计视场角定标方法对比研究

太阳辐射计是观测大气气溶胶重要的地基遥感设备,其定标是获取高精度气溶胶产品的前提条件。视场角(field of view, FOV) 是太阳辐射计的重要参数,也是传递定标的关键参数。基于SONET观测网2016年定标实验,对传递定标方法（单次传递及历史传递平均结果）和矩阵扫描法获得的仪器FOV进行对比分析,结果表明：单次传递、历史传递平均和激光矩阵扫描结果与仪器的FOV设计值平均相对误差在2%~3%之内,而三种方法获得的FOV最大相对误差为1.59%,满足FOV的精度要求。误差分析表明,传递定标法误差主要来自积分球辐亮度定标系数,而矩阵扫描法的误差主要由激光面光源引起。但三种方法各有优劣,可以相互验证、相互补充,以获得更加准确的仪器FOV参数。     

基于可调谐激光器的太阳光谱辐照度仪定标方法

太阳光谱辐照度仪是利用棱镜分光技术对太阳直射辐射进行连续光谱测量的新型仪器,为了实现高精度观测要求,开展了基于可调谐激光器的系统级定标方法研究。使用激光导入积分球产生的均匀辐照度场作为定标光源,利用标准辐照度探测器作为传递标准,将低温绝对辐射计的辐射标准传递到太阳光谱辐照度仪。在仪器的870 nm波段进行了定标实验,与标准灯法、Langley法得到的定标系数进行比对,偏差分别为2.84%和4.08%,验证了该方法的可行性。根据不确定度评估规范,这种定标方法的不确定度优于0.882%,可以用于高精度的太阳光谱辐射观测。     

扫描辐射计可见通道发射前外场定标方法对比

FY-2扫描辐射计是中科院上海技术物理研究所研制的我国风云二号静止气象卫星的主要载荷之一，为确定其响应率，中国科学院安徽光机所对FY-2（05）扫描辐射计进行了辐亮度法定标和Langley法定标，并对定标所用的5种反射率的漫反射板均匀性、反射比、BRDF性能进行了检测，给出了基于辐射标准传递的辐亮度定标的基本原理和数据处理方法，以及辐亮度定标和Langley法定标结果，综合不确定度为6.0%~6.4%。同时，提出了独立于相对光谱响应函数的基于标准探测器的反射比定标法，并与辐亮度法和Langley法进行了对比分析，其定标结果具有一致性。     

风云一号扫描辐射计可见近红外通道辐射定标试验

本文提出了一种扫描辐射计可见、近红外通道的辐射定标方法。阐述了定标原理,试验过程及试验结果;并对误差进行了分析。结果表明,以太阳为标准光源,在大气相对宁静的条件下,对扫描辐射计进行定标,可以获得较好的目标光谱特征的反演精度。     

太阳辐射计实验室定标方法

太阳辐射计是全球AERONET站点最重要的观测设备,为获取全球气溶胶时空分布提供了大量的观测数据。研究一种直接溯源于低温绝对辐射计的高精度定标方法,可以在实验室环境条件下获得太阳辐射计的直射通道和天空漫射通道的定标系数,详细介绍了太阳辐射计实验室定标原理、实验装置,在太阳辐射计的主要工作波段扫描获得绝对光谱响应度定标曲线,并对测量结果进行了不确定度分析。结果表明,天空漫射通道的定标不确定度低于0.8%,太阳直射通道的定标不确定度低于2.06%。     

比值辐射计辐射响应特性

比辐射星上定标器以太阳照射的漫反射板为参考光源,通过比值辐射计对漫反射板在轨衰变进行修正,实现光学遥感器的绝对辐射 定标及长期稳定性监测。比值辐射计辐射响应特性是影响在轨定标精度的主要因素之一。对比值辐射计辐射响应特性进行了 评估,获取了绝对响应度,并测量了响应非线性、非稳定性。结果表明绝对辐射响应度定标合成不确定度优于2.88%,非线性 优于0.93%,非稳定性优于0.52%,满足在轨定标应用需求。     

太阳辐照度绝对辐射计的定标新方法

为了扩展动态测量范围,提高对较低的激光功率的测量不确定度,对太阳辐照度绝对辐射计的测量方法进行了研究与改进。首先,重复测量各个激光功率的响应度,分析由响应度引入的系统误差对测量不确定度的影响;其次,提出改进的测量方法,通过两次电定标实时修正光功率附近小功率区间的响应度;最后,使用新方法和传统方法测量各个功率的激光,比较测量不确定度。实验结果表明:根据宽功率区间获得的响应度的相对不确定度为2.7%,测量较低的激光功率时,不可忽略由响应度引入的误差。当激光功率低于20 mW时,改进方法的相对测量不确定度仍为0.1%,具有更好的稳定性,补偿了响应度误差。因此,电定标与光定标差距非常大,不具备可比性,需两者结合实现全动态范围定标;该方法可以扩展动态测量范围,对于定标太阳辐照度绝对辐射计具有重要意义。     

超连续激光单色仪系统级光谱响应度定标比对验证

细分光谱扫描定标技术是实现遥感器高精度光谱辐射定标的重要方式,基于超连续激光单色仪的定标装置是实现遥感器细分扫描定标的新选择。为验证所建立的超连续激光单色仪装置的系统级定标能力,利用硅辐亮度计和滤光片辐射计,分别采用超连续激光单色仪定标装置和可调谐激光定标装置对其进行了系统级绝对光谱响应度定标比对验证。实验结果表明:在所验证波段范围内,两种定标装置获得的硅辐亮度计绝对光谱响应度系统级定标结果最大偏差为0.6%。通道式滤光片辐射计的带内绝对光谱响应度定标结果最大偏差优于0.4%,带内积分响应度最大偏差约0.1%。文中的研究验证了超连续激光单色仪定标装置具有良好的系统级定标能力,能够获得较高的定标精度,在遥感器的绝对光谱响应度定标中具有重要应用前景。     

不同光阑面积比值高精度测量方法

直接观测太阳的星上定标方案中,设计了直径分别为20 mm和0.5 mm的光阑用于切换观测地球和太阳,两个光阑面积比的高精度测量是保证定标精度的关键。论述了光阑面积的测量原理,基于光阑面积测量的特点,利用激光点阵扫描法和通量比较法分别测得两个光阑与参考光阑的面积比,最终得出Φ20 mm和Φ0.5 mm光阑的面积比值为1604.381,评估合成不确定度为0.046%。为光阑大面积比的高精度测量提供了可行方案,支持直接观测太阳的星上定标方法。     

基于斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法

斯托克斯椭偏仪可快速测量光束的偏振态,仪器矩阵的精确测量是斯托克斯椭偏仪一项非常重要的技术。为提高仪器矩阵的测量精度,基于四点定标法,提出了斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法,并从理论上证明了该方法。在多点定标法的基础上采用六点定标法进行实验验证,结果表明采用多点定标法对系统定标是完全可行的,为斯托克斯椭偏仪的定标提供了新思路。同时六点定标法比四点定标法以及E-P定标法所获得的仪器矩阵更准确,在测量精度方面,该方法获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为3.15%。     

多角度偏振成像仪高精度辐射定标方法

开展高精度辐射定标方法研究,对于多角度偏振成像仪实现大气气溶胶粒子分布和微观物理特性探测反演的科学应用至关重要。采用傅里叶级数的分析方法,建立了全视场起偏度的测量模型,消除了参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现了光学系统偏振特性的准确测量。结合多角度偏振成像仪的辐射与偏振定标模型,开展了光学系统偏振特性的校正方法研究,实现偏振特性引起辐射定标不确定度由8%下降至2.2%以内。利用高精度二维转动平台和大口径积分球辐射源,采用分视场测量方法, 校正像元响应非一致性,实现相对辐射校正精度优于0.5%。采用基于标准灯漫反射板的辐亮度量值传递链路,经过各影响因素的分析评测,所有波段辐射定标精度均优于5%。     

多角度偏振成像仪系统级偏振定标方法研究

系统级偏振定标是多角度偏振成像仪(Directional polarization camera, DPC)研制过程中的关键环节,对于提高大气气溶胶和云相态等定量化探测应用具有重要意义。结合矩阵光学和辐射度学理论,建立了多角度偏振成像仪偏振响应定标模型,对关键影响参量进行定标。采用大口径积分球参考光源和分视场测量方法,消除了光楔平板对DPC三检偏通道视场非一致性的影响,实现了高频和低频相对透过率的高精度测量。采用傅里叶级数的分析方法,建立全视场起偏度的测量模型,消除参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现光学系统偏振特性的准确测量。采用可调偏振度光源和大口径积分球辐射源,开展了偏振定标精度的比对验证实验和精度分析。测试结果表明,全视场偏振定标精度优于0.5\%,自然光状态下的偏振定标精度优于0.05\%,验证了宽视场偏振遥感器偏振辐射响应定标模型的合理性,说明该系统级偏振定标方法可满足宽视场光学偏振遥感器的高精度偏振观测科学应用要求。     

新型太阳光度计DTF-5的研制及标定

介绍了一种基于VC平台可实时监控的可视化多波长新型便携式自动太阳光度计DTF-5,它可实现瞬时太阳辐照度、现场环境温度及加热温度的实时测量与显示,同时具有电机运转、太阳跟踪、加热温度等强大的在线检测功能.该仪器在本单位自行研制的第三代太阳光度计的基础上进行了很大改进,使仪器更方便使用、更适应恶劣环境、更小型化和有更高的性能价格比.对实测结果的分析比较表明,该仪器令人满意,并对其测量标定原理及应用进行了阐述.     

船载太阳光度计图像跟踪系统

传统太阳光度计在海上移动平台上不能精准跟踪太阳。为了解决船舶在移动过程当中实现对太阳高精度跟踪的问题,利用鱼眼镜头、陀螺稳定平台、小视场CCD图像传感器等构建了船载型太阳光度计的图像跟踪系统。文中详细地描述了图像跟踪系统的整体结构和单臂探头的光路设计,介绍了时钟法与鱼眼成像系统相结合的方式在全天空大视场范围下进行太阳的粗跟踪,然后通过小视场的CCD图像处理技术来提高跟踪精度。此外,给出了系统的软件跟踪算法和流程,分析了系统跟踪的可靠性。该系统实现了在海上移动平台下的全自动跟踪测量,综合跟踪精度优于1′。与日本POM-01MKⅢ船用太阳光度计进行透过率与水汽的数据对比表明:在940 nm波段的大气透过率最大相对误差不超过7.6%,水汽含量最大相对误差不超过6.1%。该系统可以应用于船载太阳光度计测量海上整层大气透过率以及水汽数据,也可应用于其他对移动非稳定平台下太阳的跟踪。     

使用红外干涉仪测量锗材料折射率均匀性

介绍了运用工作波长为10．6μm的红外干涉仪测试红外光学材料(锗晶体)的折射率均匀性的方法。运用传统的干涉法检验光学材料的折射率均匀性时，由于锗晶体太软，表面不易加工。其表面面形难以满足测试要求。为了消除面形偏差对折射率均匀性偏差测试的影响，使用可见光移相式数字平面干涉仪精确测试被测样品的面形偏差，该干涉仪具有很高的测试精度，其测量不确定度可以达到λ／50(λ=0．633μm)。然后在红外干涉图数据处理中将样品的面形偏差扣除，得到样品折射率的偏差分布。对锗单晶材料进行了实际测试。     

CCD相对光谱响应同步采样方法研究

连续可调谐均匀单色照明光源系统作为CCD辐射参量定量化专用测试系统,可用于CCD相对光谱响应度的测量。它与传统的测试装置相比,能够实现光谱分辨率1 nm的光谱响应度定标。但是其采用的大功率氙灯超高压供电引入了测试光源不稳定的问题,导致传统分时测量方法引起的测量不确定度较差,不能满足高精度遥感仪器的定标需求,因此提出了同步采样的方法。从理论和器件噪声模型出发,分别对两种方法的测量不确定度进行分析,得出同步采样的方法测得的定标不确定度优于1.03%,与传统分时测量方法相比不确定度提高了43%。分别采用两种方法对目标探测器进行了CCD相对光谱响应对比测试,结果显示,同步采样的方法获得的CCD相对光谱曲线更平坦,与出厂数据相比离散程度更低,进而验证了分析结论的正确性。     

石墨膜热导率测试中热像仪测温不确定度传递

导热石墨膜是多层薄膜复合材料,等效面向导热系数是表征其性能的关键参数。基于热流环路积分的无损测试方法依赖于热像仪测温,但目前对热像仪测温引起的不确定度传递缺乏深入研究。通过测温模型分析,提出热像仪增益系数标定和偏置系数非均匀性是主要不确定度来源,且二者均受时变特性影响。基于两个恒温辐射源对热像仪时变特性实验分析,认为增益系数均匀且稳定,而偏置系数时变且非均匀,为不确定度的主要来源。因此提出使用外部合作黑体在20 s内进行实时偏置系数校正的措施,校正后偏置系数非均匀性引入的影响降低至0.37 %,增益系数标定结果相对标准差为0.99 %。测温影响传递到导热系数测试的不确定度为1.03 %。本文工作对其他定量热成像应用不确定度分析具借鉴意义。     

基于逐点扫描的探测器阵列靶标定系统

为分析激光发射系统的性能,需要测量激光光斑的绝对功率密度时空分布,探测器阵列靶是有效手段之一。为实现定量分析,需要对探测器阵列靶进行标定。探测器阵列靶单元数多,标定难度大,设计有效的标定系统十分重要。设计了一种新的标定系统,该系统采用逐点扫描的方式,具有适用性广、成本低、精度高等特点。并以某项目为例对标定系统的测量不确定度进行了测试分析,结果表明:可见光波段的测量不确定度为2.99%,近红外波段的测量不确定度为3.62%,中红外波段的测量不确定度为6.17%.该标定系统是探测器阵列靶标定的有效手段,值得借鉴。