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%。     

基于多通道高朗伯特性的辐射测量技术研究

近年来大气气溶胶与日俱增,对全球气候和大气环境产生了巨大的负面影响,同时气溶胶的污染特性与臭氧层的破坏有密切关联,为对大气气溶胶、臭氧及太阳辐射剂量进行监测,本文提出一种新型大气探测辐射计的研制及测量方法,该方法研制的辐射计既可用于气候监测,又可用于农业监测。辐射计涵盖可见-红外谱段,同时拥有七个探测通道,它特有的三片式平面匀化器,可控制辐射剂量,保证双腔式探测器的高朗伯特性,经实验验证朗伯特性误差不超过2%。进行高精度辐射定标后,辐射计可获取精确的太阳辐射信号,进而反演出大气气溶胶光学厚度及臭氧浓度等参数,以此指导气候分析及农业生产。     

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。     

Hadamard变换成像光谱仪实验室辐射定标方法

Hadamard变换成像光谱仪采用多通道探测数字变换技术实现光谱成像。主要介绍了基于数字微镜阵列器件的Hadamard变换成像光谱仪的工作原理与仪器结构,研究设计了一套适用于该Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方案。用远距点光源光路进行CMOS探测器像元响应不均匀性修正,获得相对定标精度达到4.6%;采用太阳模拟光源和均匀平行光路,用光谱辐射度计实现标准辐射亮度的传递进行光谱辐射定标,绝对定标精度达到8.92%。通过实物成像,Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方法精确、实用。     

一种空间相机辐射定标用大面积辐射光源的研制

针对目前空间光学遥感器向着大口径、高精度方向发展相应需要大出光面的积分球辐射光源,本文研制了一种大口径空间相机用积分球辐射定标光源,并使用自制的积分球辐射性能测试装置测试了大口径积分球光源的均匀性、余弦特性和稳定性。研制的积分球辐射定标光源内径为3000mm,出光面直径为1 000mm。测试结果表明,积分球的最大幅亮度为240.13 W·m-2·sr-1,辐亮度调节范围为371.5∶1,辐亮度不稳定性为0.04%/h,光源出口面非均匀性为1.7%,辐射定标光源的不确定度为5%。     

基于空间光调制器的光谱可调光源定标

基于空间光调制器的光谱可调光源是一种新型的定标光源,旨在实现定标光源与观测场景光谱匹配的定标新模式,进一步提高光谱定标和辐射定标精度。针对空间光调制器非光敏的特点以及这种新型光源特殊的工作模式,采用“激光光源+光谱仪”进行了光谱预定标和光谱精细定标,采用“标准灯-参考板+光谱仪”进行了辐射定标,实现了对该光源系统470~945 nm范围的光谱及辐射定标。不确定度分析结果表明,波长定标的不确定度优于0.2 nm,辐射定标的不确定度优于3.1%（k=1）。     

超大口径均匀光源辐射性能设计与测试

目前光学遥感器向着大口径、宽视场的趋势发展,随着遥感器口径和视场的不断增大,需要与之对应的定标设备来满足其全口径全视场的定标要求。为此,研制了一套超大口径(3.2m)均匀光源系统。首先基于积分球理论和黑体普朗克理论设计出口光谱辐射亮度,并利用LightTools软件对出口均匀性和朗伯特性进行内置光源分布仿真设计。然后针对超大口径均匀光源辐射性能测试存在的问题,研制了一套基于阵列探测器的辐射性能测试装置,并应用校正算法进行一致性校正。最后利用新研制的设备对超大口径均匀光源进行测试实验,并对测试不确定度进行分析。结果显示:0.8m口径光源的光谱辐射亮度大于600 W·m~(-2)·sr~(-1),3.2m口径光源的均匀性优于98.362%,中心点±45°范围内朗伯特性优于98.810%,数据表明新研制的超大口径均匀光源满足设计要求。     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。     

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%。     

基于太阳辐射计的气溶胶光学特性反演算法研究

介绍了一种利用太阳直接辐射和天空漫射辐射来反演气溶胶光学特性的方法,研究了其算法实现过程.结合太阳辐射计CE318所测得的太阳直射辐照度和天空漫射辐亮度数据,反演获得了晴朗天气下四个波段的气溶胶光学厚度、Angstrom参数、单次散射反照率、散射相函数和偏振相函数.算法的实现为解决光学遥感应用中气溶胶散射相函数和偏振相函数的测量问题提供了一个实用的方法.     

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。     

一种基于极化线栅的微波辐射计变温定标源研究

根据极化线栅的准光学的极化分离原理,设计了由极化线栅、人造黑体和冷空构成的新型线栅定标源.定标源通过极化线栅的旋转混合人造黑体和冷空的辐射能量,从而输出亮温变化可控的微波辐射,为微波辐射计外定标提供人造变温源,解决了低频段大口径天线辐射计的外定标难题.通过定标实验验证,极化线栅在L波段的透过率优于99.3%,反射率达到98.4%,线栅定标源的亮温呈正弦规律变化,变化范围为8~248K,实验结果与设计目标相吻合.     

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。     

噪声等效光谱辐亮度定标系统的性能测评

噪声等效光谱辐亮度（NESR）是代表红外遥感器极限探测能力的关键性指标。高灵敏红外遥感器的NESR定标需要高稳定、高均匀和充满视场的红外辐射光源,其光谱辐亮度的不确定度应当显著低于红外遥感器的NESR。针对一种新型的级联积分球型大孔径NESR定标系统,开展了NESR定标不确定度的实验测试研究,评定了绝对光谱辐亮度的量值溯源、积分球输出的均匀性和稳定性等11种不确定性因素的影响。测试结果表明,在规定的303~308 K亮温范围内,主积分球光谱辐亮度的相对不确定度优于0.34%,6~15 μm波段的NESR定标不确定度优于0.1~0.0037 μW·cm?2·sr?1·μm?1,验证了新型定标系统应用于高性能红外遥感器NESR定标的可行性。     

高精度智能化可见/近红外积分球辐射定标装置

设计了由硅光电探测器作为反馈元件,采用DSP控制主光源开口处电动可调光阑大小,实现输出光谱辐亮度值连续可调的高精度程控化可见/近红外波段积分球辐射定标装置。经过理论设计和计算,在该装置内放置挡屏,保证了出射口处输出光谱辐亮度值的均匀性。使用PR-655高精度扫描式亮度计测量出该装置的最大输出光谱辐亮度值为23 061 cd/m2;在直径150 mm范围内的光谱辐亮度值的非均匀性为1.04%;输出光谱辐射亮度值的稳定性为0.8%。实验结果表明:该装置完全可以满足可见/近红外光学遥感仪器的地面辐射定标需要,并可实现智能程控化控制,提高了定标测试精度。     

分光谱型天空背景辐射计的研制

为满足对天空背景辐射进行实时光谱测量和特征提取的需求,基于光纤光谱仪研制了一台一体化天 空背景辐射计,可测量340$\sim$1030 nm波长范围内的天空背景辐射光谱,波长分辨率优于0.5 nm, 具有定点测量、全天空扫描测量两种工作模式。在介绍系统总体结构的基础上,描述了光学组件、 转台系统、跟踪模块、嵌入式控制系统及恒温控制模块等硬件部件的结构,以及上位机软件的 设计思路、设备工作流程和定标方式。最后分析经光谱辐射定标后的测量数据,初步验证设备 工作的可靠性,为天空背景辐射的实时测量及光谱特性研究提供了有效手段。     

红外标准辐亮度计的研制及定标

黑体参考光源辐亮度精度是决定红外遥感器绝对辐射定标精度的关键因素。为了提高黑体辐亮度测量精度,设计了一种直接测量黑体辐亮度的红外标准辐亮度计。描述了整个系统的光机设计方案和工作原理,利用高精度水浴黑体对辐亮度计进行定标。实验结果表明:辐亮度计的1 h非稳定性优于0.03%;测量黑体辐亮度不确定度达0.22%,相当于308 K时辐亮度温度不确定度73 mK。该标准辐亮度计具有系统级测量、高精度溯源等优点,可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的溯源。     

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。