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)。     

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%。     

基于绝对辐亮度计定标的积分球紫外光谱辐射特性研究

针对积分球开口光谱辐射特性测量的复杂性及紫外波段标准光源不确定度大的缺点,构建了一种基于紫外标准探测器的高精度绝对辐亮度计。用所构建的绝对辐亮度计,以3个波长为例,标定积分球开口光谱辐亮度,修正了250~400 nm波段积分球开口光谱辐亮度曲线。同时,利用该绝对辐亮度计对积分球输出稳定性、积分球开口均匀性以及朗伯余弦特性进行了全面测试。积分球开口3个波长280,313和352 nm处光谱辐亮度定标合成标准不确定度分别为3.2%,3.0%和3.0%,积分球输出稳定性、开口均匀性以及朗伯余弦特性3个波长处合成标准不确定度分别为1.7%,1.6%和1.6%。不确定度分析表明用绝对辐亮度计研究积分球光谱辐射特性与传统的积分球光谱辐射特性研究相比方便可行且精度更高。     

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。     

临边成像光谱仪光谱辐亮度响应度定标研究

基于积分球原理,提出了一种利用积分球进行光谱辐亮度响应度定标的新方法,消除了利用积分球定标的传统方法中由于漫反射板的双向反射率分布函数(BRDF)的测量不确定度大对定标精度的影响,极大地提高了定标精度。利用该方法标定了在研的空间遥感临边成像光谱仪原型样机的光谱辐亮度响应度,分析了定标不确定度,定标合成不确定度为2.6%。将该方法的定标结果与采用标准灯联合漫反射板的定标结果进行了分析比对,结果表明,二者在3%以内相符。引起两种定标结果偏差的主要原因是漫反射板BRDF测量的不确定度。     

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。     

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。     

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。     

空间紫外遥感光谱辐射计光谱辐亮度定标三种方法的比较

应用基于spectralon平面漫反射板和两种基于积分球的辐亮度共三种定标方法,标定了空间紫外遥感光谱辐射计的辐亮度响应度。初步尝试分析了每种方法的相对不确定度,指出漫反射板双向反射分布函数(BRDF)的测量不确定度和平面漫反射板亮度的计算不确定度是这三种定标方法比对中不一致的主要原因。定标数据比对显示,使用这三种定标方法得到的光谱辐射计辐亮度响应度在各自给定的相对不确定度范围以内(约3%)相符合。     

等能光谱分布定标光源

为了减小定标光源对空间光学遥感器定标系数的 影响,设计了一种基于积分球混光的等能光谱分布定标光源; 采用设计的光源模拟不同亮度的等能光谱用于遥感器的实验室绝对辐射定标,得到的定标系 数是遥感器光学系统、探测器和电子 学系统自身响应特性的客观度量。首先,理论分析了等能光谱分布定标光源用于遥感器 绝对辐射定标精度的机理;然后 解决了研制等能光谱分布定标光源的3项关键技术:积分球辐射特性仿真与结构设计、等能 光谱分布定标光源驱动控制系统以 及等能光谱匹配技术;最后对标定后的光源进行了性能测试,结果表明,在水平方向上,± 30°内辐射亮度角度非均匀度为0.80%,出光 口的辐照度非均匀度为0.53%,400~900nm波 段3个辐亮度等级10W/(m²·sr)、20W/(m²·sr)和30W/(m ²·sr)的光谱匹配 误差分别为5.45%、4.68%和6.37%,增加400~600nm波 段的LED种类将会降低光谱匹配误差。     

大孔径积分球辐射源光谱辐射特性测试方法研究

本文系统地介绍了积分球辐射源的光谱辐射特性的测试方法,通过实验测量了一内径为1200mm,出光面直径为200mm的积分球辐射源在350－2500nm波段内的绝对光谱辐亮度,分析了测量不确定度,并对系统的稳定性,出光面的平面和角度辐射均匀法、各亮阶之间的线笥等辐射特性做了定量评估。     

真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置研制

为满足红外遥感载荷在辐射定标方面的量值溯源需求,中国计量科学研究院研制了真空低背景红外高光谱亮温计量标准研究装置。介绍了红外高光谱亮温计量标准装置的设计方案和高光谱分辨的量值传递方法和溯源链等。设计了用于放置用户被校黑体的模拟太空环境的真空低背景实验舱,建立了包含固定点黑体源和标准变温黑体源在内的标准器,通过傅里叶变换红外光谱仪将标准黑体源的量值传递给被校黑体辐射源。研制的标准变温黑体辐射源的温度范围覆盖125~500 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 7,亮度温度标准不确定度优于0.026 K@300 K/10 m。真空固定点黑体包含汞固定点、镓固定点和铟固定点黑体,口径为25 mm,温度不确定度优于0.020 K@10 m。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,能够满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

3～5μm红外探测器的辐射定标

在对目标进行红外跟踪测量时,为了得到目标空间位置的同时,获得其红外辐射特性数据,设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统。以高精度的面源黑体为标准辐射源,对成像范围为3～5μm的中波红外探测器进行了响应度的标定。首先建立定标数学模型,确定定标流程;然后使用线性回归统计模型对响应度曲线进行拟合并评估,针对一般线性最小二乘法对局外点(outlier)敏感的缺点,提出Robust优化算法;最后,在外场对温度和特性已知的目标进行测量,通过实验室得到的响应度曲线和大气透过率参数进行红外辐射特性数据的反演,得到实际测量值与理论值的相对误差小于2%。结果表明,Robust优化算法能有效改善红外焦平面阵列响应度非线性引起的反演不确定度。     

红外通道式野外辐射计的光机设计及性能测试

为满足遥感器在轨辐射定标的需求,研制了用于现场测量的红外通道式野外辐射计（Infrared channel field radiometer, ICFR）,阐述了ICFR的整机工作原理、光学系统设计和机械结构设计,开展了ICFR实验室辐射定标和定标不确定度分析,结果表明ICFR各通道接收辐亮度与响应DN值具有较高的线性关系,辐射定标不确定度优于0.16 K。开展了ICFR抗热冲击性和工作环境温度适应性测试,结果表明ICFR具有较强的抗热冲击能力,能够适用于?20~50 ℃的工作环境。为检验验证ICFR测量数据的准确性和仪器的可靠性,在国家高分辨率遥感综合定标场开展了ICFR和CE312的外场比对实验,结果表明两台设备测量的地表亮温具有相同的变化趋势,二者对应通道测得的平均亮温偏差小于0.1 K,标准偏差小于0.3 K,验证了ICFR具有与CE312相近的测量精度和稳定性,在遥感器热红外波段场地定标方面具有重要应用前景。     

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%。