参量下转换辐射定标技术研究进展

目前光学遥感器定标一般都需要建立高精度的初级标准,然后以一定的比较链传递到用户传感器,初级标准精度和标准传递环节是测量不确定度的主要来源。结合国内外近几年开展的参量下转换定标方法、理论和实验结果,指出参量下转换作为绝对辐射定标的标准光源和标准探测器的自身优势。根据参量下转换定标技术向实际应用发展的需要,介绍参量下转换辐射定标技术向宽波段、模拟探测器定标方面发展的必要性、技术难点和解决途径。     

双通道自校准辐射计与辐亮度标准探测器的比对实验研究

基于自发参量下转换的高精度自校准辐射基准源是目前卫星遥感定标的研究热点。本文介绍了双通道自校准辐射计的工作原理并搭建了实验装置,展开了与传统辐亮度标准探测器的比对实验验证。采用736.9nm激光导入积分球的单色均匀辐亮度光源,将双通道自校准辐射计和辐亮度标准探测器分别对积分球出口辐亮度进行探测,测得绝对辐亮度分别为4.69×10-9W/(sr?mm2)和5.19×10-9W/(sr?mm2),二者之间的相对偏差为9.63％,验证了研制的双通道自校准辐射计的原理可行性。     

基于参量下转换的3.39 μm中红外辐射源定标实验

介绍了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源绝对辐亮度的定标方法。参量下转换过程产生0.631m和3.39m波段的一对相关光子,通过测量自发参量下转换和受激参量下转换两个过程中在0.631m波段光子的计数比值,可以获取3.39m的单位模式平均光子数,并进一步导出红外光源的辐亮度。介绍了定标原理、实验装置,分析了主要的测量不确定性因素,定标结果表明OPO激光器光谱辐亮度的合成标准不确定优于1.18%。初步证实了通过探测可见波段光子计数实现红外辐射源的辐亮度定标的原理可行性。研究结果将有望应用于基于受激参量下转换的红外波段高精度定标以及红外OPO激光器等领域。     

风云二号卫星水汽波段在轨辐射定标新方法

将月球作为热发射波段定标参考源,在无需月表发射率和温度信息条件下,通过引入UDER参数,建立了不同热发射波段观测辐亮度间定量关系,并导出了新的波段间交叉定标方法.同时,利用FY-2E卫星多波段月球观测结果,以辐射精度较高的热红外波段为基准,在无星载全光路黑体情况下,初步实现了水汽波段在轨高精度辐射定标,且在200～220 K低温区间内的定标精度平均提高约3.5 K,并显著改善了云分类等定量产品的性能.     

一种利用恒星进行遥感卫星辐射定标的方法

恒星巡天测量与模型分析显示大量恒星在0.3~35μm波段内的绝对辐射精度达到3%,在可见光波段接近1%.恒星与恒星之间的相对辐射定标精度优于0.2%.部分恒星具有极好的辐射稳定性,可以作为长期稳定的辐射基准.但是恒星有效亮度通常比地面目标低几个量级,并且恒星一般不会直接出现在遥感卫星视场,不利于用作定标源.这里讨论的利用恒星进行辐射定标的方法是在遥感卫星上安装一个与遥感相机波段接近的微型定标相机,它的指向可以通过转动机构在恒星与地面目标之间转换.在观测恒星时通过延长积分时间来获取高信噪比信号,在观测地面目标时由于和遥感相机同时同视场观测有利于精确交叉定标.这个方法可以将作为标准源的恒星辐射直接传递到观测目标.目前分析显示最佳定标精度可以达到2%以内.     

高分一号卫星PMS 相机多场地宽动态辐射定标

为克服卫星遥感器常规定标方法不足,实现GF-1 卫星PMS 相机高精度在轨定标,提出了多场地宽动态辐射定标方法,分析了新方法的不确定度。首先,介绍宽动态辐射定标原理和试验场区概况,设计开展了GF-1 卫星多场地同步观测试验;接着,基于试验数据和宽动态定标模型,实现了GF-1 卫星PMS 相机的在轨辐射定标;最后,讨论GF-1 卫星PMS 相机多场地定标的不确定度和模型的稳定性。结果表明:GF-1 卫星PMS 相机自发射以来辐射响应特性与实验室定标结果相比发生了一定变化,最大变化量达到了7.72%;PMS 相机多场地辐射定标的综合不确定度为5.35%。所获取的PMS 相机定标系数满足遥感辐亮度产品生产的精度要求,且多场地定标可作为后续高分卫星的在轨定标的方法参考。     

利用频率变换技术实现红外辐射定标研究

提出一种新的基于参量变换技术的高精度红外辐射定标方法,利用泵浦激光和红外信号光在非线性晶体中发生参量放大作用,通过相位匹配技术将红外辐射信号转移到可见光波段进行测量,这种定标方法本身具有绝对性,因而具有更高的定标精度.以黑体作为红外辐射模型,从理论上推导出参量变换技术运用于红外遥感定标的可行性.这种新型的辐射定标方法,将在未来的通信、夜视以及遥感定标领域获得新的应用.     

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。     

黑体与恒星相结合的短波红外遥感器在轨辐射定标简析

为满足气象水文、天文观测等领域对短波红外遥感器高精度探测需求,近年来对短波红外探测定量化应用的需求越来越高。本文针对高轨面阵短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况,基于面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案,结合某遥感器任务研制过程的具体实际,分析了定标精度主要影响因素及优化措施,包括星上定标方案优化、星上黑体温度控制优化、恒星提取算法优化等。通过实验室测试对在轨辐射定标方法进行了验证,并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估,评估结果表明定标不确定度能够满足应用要求。     

自发参量下转换的研究及其在光学计量中的应用

叙述了自发参量下转换辐射定标技术的发展历程,技术原理以及在光学计量学中的应用,并介绍了国外这一领域的进展。     

“高分五号”卫星大气主要温室气体监测仪(特邀)

高分五号卫星于2018年5月9日成功发射，是我国第一颗高光谱观测卫星，大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷，采用空间外差光谱技术进行高光谱分光，是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理，包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成，核心单元为一体化胶合干涉仪，为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平，载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置，可满足光谱及辐射定标要求。最后，梳理了载荷数据处理的基本流程，并对首批观测数据进行了光谱复原，成功获取了1级数据产品，为下一步温室气体反演应用奠定了基础。     

A Method of Calibration of Terahertz Wave Brightness Under Nonlinear-Optical Detection

A new method is proposed for calibration of the terahertz wave spectral brightness. The method is based on the use of quantum and thermal field fluctuations as intrinsic references under nonlinear-optical detection. Both effective brightness of the thermal fluctuations and temperature of the laser-pumped nonlinear-optical crystal can be measured absolutely within the calibration procedure also. It is shown that the accuracy of the terahertz wave brightness calibration is strongly dependent on the value of the terahertz wave losses in the nonlinear-optical crystal. The scheme of quasi-phase matched terahertz wave detection in periodically poled lithium niobate is considered. Dispersion of the absorption coefficient in the terahertz frequency range is measured by a three-frequency interference method under spontaneous parametric down-conversion for nominally pure and Mg-doped lithium niobate crystals. The influence of the terahertz radiation losses in Mg-doped lithium niobate crystals is estimated.     

中温面源黑体设计及性能参数测试

中温面源黑体是一种宽带红外参考源,其波长范围覆盖了从近红外到远红外的波段,辐射面的温度具有很高的精度。作为高辐射强度的参考源,中温面源黑体已被广泛应用于红外传感器如辐射温度计、红外热像仪的校准以及样品辐射率或透过率的测量。用基于大辐射面和坚实结构的面源黑体在实验室内或野外测试中对无准直仪时的红外传感器进行了标定。为了提供红外系统性能测试的解决方案,本文对中温面源黑体进行了设计和性能参数测试。结果表明,其主要参数能满足高稳定度和高精度的要求。     

基于FY-3E星载红外观测的交叉定标匹配不确定性分析

星载红外高光谱传感器与多通道光谱传感器在轨交叉定标时能够提升数据精度和质量,交叉定标样本通常采用星下点交叉方式匹配筛选,包括空间、时间、观测几何角度和光谱匹配,匹配误差的不确定性将对最终交叉定标精度产生影响。采用FY-3E同平台红外高光谱大气探测仪HIRAS-II和中分辨率光谱成像仪MERSI-LL均匀晴空背景进行观测,根据视线向量匹配HIRAS-II星下点瞬时视场内的MERSI-LL像素,分别通过模拟视场偏移、观测天顶角偏差和光谱响应函数变化单独分析空间、观测几何角度和光谱匹配误差引入的匹配不确定度。结果表明,空间失配引起观测背景辐射亮温变化,偏移一半像元视场时的相对不确定度约为10%,达到一个像元时为25%～30%;观测几何角度失准引起光谱辐射亮温变化,观测天顶角偏移20°时的不确定度优于0.2%;光谱响应函数差异引起光谱等效辐射亮温变化,响应函数发生展宽时对吸收通道的不确定度最大约为2.5%,窗区通道为0.4%,收缩时的不确定度整体优于0.3%,平移引起的不确定度相对较小,移动5倍波长间隔时优于0.1%。     

Absolute calibration of VEGETATION derived from an interband method based on the Sun glint over ocean

Absolute radiometric calibration is one of the main elements that contribute to the quality of measurements obtained with optical remote sensing instruments, but maintaining a good calibration accuracy during the whole life of an instrument is a difficult task. Since the sensitivity of an instrument generally changes after launch and degrades with time, many sensors have been equipped with onboard calibration devices. But these devices being not perfectly reliable, independent calibration methods based on natural targets are necessary to validate the results. The Sun glint calibration method is an interband calibration method that uses the specular reflection of the Sun on the ocean surface to transfer the absolute calibration of one reference spectral band to other spectral bands, from visible to short wave infrared wavelengths. Despite the drawback of relying on the absolute calibration of a reference spectral band, this method is one of the rare methods that can provide accurate calibration results for near-infrared spectral bands up to 1650 nm, without requiring costly in situ measurements simultaneously to the satellite overpass. This paper details the Sun glint calibration method and its error budget, and gives the results obtained with the VEGETATION instrument that was recently launched onboard the Systeme Pour l'Observation de la Terre 5 (SPOT-5) satellite. These results compare very well with the results of other calibration methods.     

宽动态范围红外积分球辐射源的优化设计与性能测试(特邀)

为满足红外遥感器高精度等效噪声光谱辐亮度的定标要求,在原有的设计基础上改进了红外积分球辐射源研制制造工艺,满足真空低温使用要求。该积分球辐射源采用8组碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,实现工作波段覆盖3~15 μm,可调辐射动态范围提升1倍。设计了辐射定标与测量光路,通过比对测量标准腔式黑体辐射源,实现红外积分球辐射源真空低温条件下的辐射定标。定标结果表明:红外积分球辐射源出光口法线Ф200 mm范围内的面均匀性为99.75%,±10°范围内的角度均匀性为99.81%,非稳定性为0.05%。实现了红外积分球辐射源光谱辐亮度输出等色温近线性可调功能,5 μm和10 μm辐亮度可调范围分别达到12.8 μW/(cm2·sr·nm)和1.6 μW/(cm2·sr·nm)。