极紫外波段空间相机的辐射定标

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置,本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度;然后,用待定标相机中心视场对该小目标成像,获得中心视场部分的辐射强度响应度;最后,通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像,得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜,能够出射工作波段的准直光束;标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度;运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像,测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验,并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%,能够实现整机状态下的辐射定标。     

多通道型偏振成像仪的偏振定标

为了解决多通道型偏振成像仪的偏振定标问题,提出了一种基于积分球无偏光源的偏振定标方法。通过研究偏振光束与光学器件的相互作用,推导出多通道型偏振成像仪的矢量辐射传输模型,确定了需要标定的参数。运用无偏光源标定系统的偏振效应,基于矢量辐射传输模型对中心视场绝对辐射定标系数、光学镜头起偏度和系统低频相对透过率等关键参数进行了标定,通过分析标定结果求解了系统全视场的穆勒矩阵。最后,使用可调偏振度光源验证了仪器典型视场的偏振定标精度。研究结果表明,基于无偏光源的偏振定标方法可以有效提高多通道型偏振成像仪的偏振定标效率;经偏振定标后仪器在目标偏振度低于20%时的偏振测量误差小于1%,满足大气气溶胶测量精度的要求。     

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。     

成像光谱仪辐射定标影响量的测量链与不确定度

分析了成像光谱仪遥感观测数据中包含的地物光谱特征、仪器参数和大气传输特性等的信息结构。研究了成像光谱仪辐射定标的物理过程和测量链,应用1993年国际标准化组织(ISO)颁布的《测量不确定度表示指南》,分析了辐射定标11项影响量的测量不确定度和合成标准不确定度。遥感辐射定标的绝对精度就是不确定度。辐射定标需要辐射标准、积分球光源、光谱辐射计以及遥感器上设置星上定标装置等专用设备和技术,并经过多级测量链的测试过程才能完成。光谱辐照度标准的不确定度在3%~5%,辐射定标中其它影响量的测量不确定度限制在1%~2%,成像光谱仪辐射定标的绝对精度才能达到5%~8%,这需要相当好的仪器设备和光辐射测试技术。     

基于多光源的光谱分布可调谐光源系统

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响,设计了一种基于发光二极管（LED）和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱,用于遥感器的实验室绝对辐射定标,大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先,从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理;然后,根据设计指标确定了光源的设计方案,解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题;最后,对光源进行了性能测试。测试结果显示：等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%,出光口的辐照度非均匀度为0.53%,30 min内的辐照度不稳定度为0.03%,水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%,各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/（m²·sr·nm）,410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/（m²·sr）,均满足设计指标。     

1m口径红外测量系统的辐射定标

为了测量空中目标的红外辐射特性,设计了一套1m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型,以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源,建立了1m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性,若采用传统辐射定标方法易产生原理误差,故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后,在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明,应用本文提出的辐射定标方法,1m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%,比传统方法平均减少了约8.7%,可满足实际项目指标要求,非常适合外场辐射定标的应用。     

测绘一号卫星相机的光谱和辐射定标

对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求。进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量。辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标。星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正。定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正。     

基于过程控制的机载高光谱定标光源的快速稳定恒流源研制

定标光源的稳定性及稳定速度直接影响机载高光谱仪光谱辐射定标的准确性和效率。为实现定标光源的快速稳定,提出并设计了基于数字过程控制的恒流源快速稳定调节方法和系统。该快速稳定恒流源系统,在场效应管恒流源的基础上,加入数字过程控制环节,弥补场效应管恒流源反馈振荡调节及系统热稳定时间长的不足。快速稳定调节方法分为能够快速产生热量的大预置值启动快速预热、减小过冲振荡现象的缓冲快稳和输出稳定电流的模拟闭环稳流三阶段。快速稳定恒流源与场效应管恒流源对比实验表明:输出1 500.00 mA电流,纹波系数达到1?的时间由670 s缩短到66 s;作为标准光源中卤钨灯的驱动电路,上电2 min后连续测量20 min获得的400～2 500 nm光谱数据全谱平均基线漂移由0.5%降低到0.06%。     

地基大口径红外光电系统的联合辐射定标

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度,进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题,提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源,测定全光路系统的辐射响应度;以小口径黑体为内定标参考源,测定半光路系统像元级的辐射响应度;最后,结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率,进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验,并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示:提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%,而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%,表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外,提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度,克服了系统响应非均匀性的影响,进而提高了红外探测器的焦平面利用率,弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。     

应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,不仅机动性差且成本较高,故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部,通过切换反射镜,将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统,并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后,使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标;提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后,对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行了辐射定标,并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。结果显示:辐射亮度反演的最大误差为1.67%,温度反演的最大误差为1.02℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。     

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。     

W波段辐射成像控制与图像预处理器设计

针对人体隐匿违禁物品探测的实际问题,从毫米波辐射成像技术的基本原理出发,结合W波段二维平面扫描辐射成像系统的具体要求,开发了基于DSP芯片TMS320VC5402和AVR单片机ATmega16L的辐射成像控制与图像预处理器,给出了详细的软、硬件设计方案,实现了扫描控制、信号采集、图像预处理和数据通信的一体化设计,并通过室外辐射成像实验.验证了该设计的实用性及可扩展性.     

复合面阵CCD摄影相机的实验室辐射定标

为消除复合面阵CCD摄影相机全像面辐射定标时存在的严重渐晕现象和解决多片CCD之间相对定标目标值选取困难的问题,提出了一种适用于多片CCD的实验室辐射定标方法。该方法对每个像素进行暗信号标定后,修正渐晕区的像素灰度值,通过选取合适的全像面相对定标目标灰度值,最终实现对复合面阵CCD摄影相机的辐射定标。通过分析渐晕区的灰度分布特征,提出了适用于所有曝光时间和辐亮度下的灰度修正方法。分别计算每片CCD灰度值与输入辐亮度之间的多项式拟合系数,选取全局拟合误差最小的一组系数计算对应辐亮度下相对定标目标的灰度值。通过本方法辐射定标后,复合面阵CCD摄影相机的全像面非均匀性由大于20%降至优于2%,绝对定标精度为4.23%。该结果表明本文提出的辐射定标方法适用于多片面阵CCD的辐射定标,定标精度满足航空相机的辐射定标需求。     

大面阵彩色CCD航测相机的辐射定标

以大面阵彩色CCD航测相机为研究对象,分析其成像过程,提出了影响相机辐射响应特性的各个因素,并以此为基础,建立了辐射响应特性模型.分别在暗场和使用积分球的条件下进行了辐射响应标定实验,通过组合更改输入辐亮度、曝光时间和CCD增益等因素对相机的辐射响应特性进行测量和分析.结果表明,相机R、G、B颜色通道随输入辐亮度变化的辐射响应特性并不相同,但在工作谱段范围内均呈线性变化趋势.采用最小二乘法对辐射标定数据进行拟合,一次多项式拟合结果的决定系数R2值均可达到0.999以上.当输入辐亮度不变时,相机输出图像灰度值随曝光时间或CCD增益的变化星线性变化趋势,从而为其它工作条件下辐射响应特性曲线的推演奠定了理论基础.将相机辐射响应标定结果应用于相机调光功能,成像结果表明,获得的图像亮度适中,图像平均灰度值满足调光要求.     

紫外ICCD辐射定标的研究

国内至今尚未见有紫外增强型CCD(UV-ICCD)探测器定标的相关研究报道,为保证紫外测量数值结果的准确性和电力电晕探测等应用提供直接的技术支持,有必要对UV-ICCD的辐射定标技术进行研究,以建立输入辐照度和探测器数字化输出之间的响应特性。推导了辐射定标的原理,并对UV-ICCD探测器进行了基于标准氘灯的辐射定标,标准光源由美国国家标准和技术研究所(NIST)标定,其不确定度为5％。实验标定了在固定积分时间和MCP增益情况下UV-ICCD探测器的响应以及UV-ICCD探测器响应与MCP增益之间的关系。初步的定标数据显示,UV-ICCD探测器的响应是线性的,MCP增益与输出的图像平均灰度值成正比。最后,对影响定标结果的不确定度进行分析,分析结果表明辐射定标的最大误差约为7.94％,满足精度要求。     

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。     

宽动态范围红外测量系统的快速非均匀性校正

宽动态范围的红外辐射特性测量系统往往预设多个积分时间档位,并对每个积分时间逐一进行非均匀性校正。本文研究了不同积分时间下非均匀性校正系数有的差异问题,基于黑体定标法和积分时间法提出了新的非均匀性校正方法。该方法只需要得到两个积分时间和两个定标温度点即可得到全动态范围所有积分时间下的非线性校正系数,可在保证校正精度的同时减少辐射源温度点,降低校正时间。使用某Φ400mm口径的地基红外辐射特性测量系统对该方法进行了验证。结果表明,采用本文方法后图像的非均匀性由3.78%减小到0.24%。由4ms下的校正数据可知,得到的校正结果接近直接用该积分时间进行校正的精度。提出的方法简化了所需设备,降低了校正时间,具有实时性强、精度高等特点,适用于外场测量。