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。     

双通道热红外标准辐亮度计定标方法研究

黑体辐射源作为初级标准,其辐射特性的测量精度决定了整个标准传递链路的不确定度。为了提高黑体的辐亮度测量精度,研制了一台可直接观测黑体辐亮度的双通道热红外标准辐亮度计。根据仪器的工作原理,采用自行研制的高精度水浴黑体获取标准辐亮度计的定标系数。实验结果表明,该辐亮度计的1 h信号非稳定性优于0.3%,定标系数拟合不确定度优于1.23%,5 m通道整体不确定度为0.39%,10 m通道整体不确定度为1.3%。可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的传递。     

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。     

基于受激参量下转换的红外标准传递辐射计定标技术

基于受激参量下转换过程产生光子的相关特性,构建了一套无需制冷且只利用可见光探测器即可实现红外标准传递辐射测量的系统。首先详细描述了该红外标准传递辐射计系统的工作原理,接着利用标准黑体拟合获取了该系统的定标系数,由此得到红外标准传递辐射计温度与待测黑体响应值的关系,最后通过与水浴黑体在相同温度点的响应值所反演获取的辐射温度作比较,进一步评估和验证了该红外标准传递辐射计系统的不确定度。实验结果表明:该红外标准传递辐射计测量水浴黑体辐亮度的联合不确定度为1.64%,表明该红外标准传递辐射计可作为标准黑体到用户传感器的传递标准。     

基于参量放大的中红外辐亮度定标技术研究

介绍了基于参量放大方法定标中红外辐射源辐亮度的原理和实验装置,推导了不同偏振态的辐射源的辐亮度和单位模式光子数关系式。实验采用大功率连续532 nm激光泵浦非线性LiNbO3晶体,产生632.8 nm和3.34 μm波长的下转换光子,利用这对可见-红外下转换相关光子对在时间、空间上的高度相关性,在红外下转换光子方向注入待测中温黑体辐射源,通过测量632.8 nm下的转换光子信号的光子计数,实现黑体辐射源在3.34 μm波段光谱辐亮度的绝对定标,报道了1.53%的定标不确定度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法研究

介绍了中国计量科学研究院基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量原理、方法和装置的研究进展。基于普朗克黑体辐射理论,建立了控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法的理论模型,并且搭建该测量装置,研究了该方法测量黑体辐射源发射率的结果和影响因素。利用该系统测得的黑体辐射源发射率测量的结果与理论模拟的结果高度吻合,测量重复性(标准偏差)达到0.07%。实验结果表明该方法在测量黑体发射率时不受热辐射环温度重复性的影响,当热辐射环温度与被测黑体温度的差异足够大时,热辐射环温度的变化对黑体发射率测量结果的影响可以满足应用的需求。该方法具备热红外遥感载荷在轨定标黑体的发射率测量的应用潜力,为我国红外遥感在轨定标系统定量化水平的提高提供重要技术基础。     

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。     

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。     

红外光谱仪多点定标方法及环境温度校正

在红外光谱仪的定标中,为了减小误差,可以选取多温度点的测量来进行定标;此外对于测量较弱红外辐射的光谱仪,环境温度对定标结果也有不可忽视的影响．本文主要讨论利用测量多温度点的标准黑体进行定标的方法、试验结果分析以及环境温度对定标结果的影响．     

Onboard calibration of the ASTER instrument

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) is a high spatial resolution optical sensor for observing the Earth carried on the National Aeronautics and Space Administration Terra satellite. ASTER consists of three radiometers covering the following regions: visible and near-infrared (VNIR), shortwave infrared (SWIR), and thermal infrared (TIR). The preflight calibration of VNIR and SWIR utilized standard large integrating spheres whose radiance levels were traceable to primary standard fixed-point blackbodies. The onboard calibration devices for the VNIR and SWIR consist of two halogen lamps with photodiode monitors. In orbit, all three bands of the VNIR showed rapid decreases in the output signal while all SWIR bands remained stable. The TIR onboard blackbody was calibrated against a standard blackbody from 100-400 K in a vacuum chamber before launch. The TIR is unable to see the dark space. The temperature of the TIR onboard blackbody remains at 270 K for a short-term calibration to determine any offset and is varied from 270-340 K for a long-term calibration of both the offset and gain. The long-term calibration just after launch was consistent with the prelaunch calibration but then showed a steady decrease of the TIR response over the five years of operation to date.     

Analysis and improvement of tipping calibration for ground-basedmicrowave radiometers

The tipping-curve calibration method has been an important calibration technique for ground-based microwave radiometers that measure atmospheric emission at low optical depth. The method calibrates a radiometer system using data taken by the radiometer at two or more viewing angles in the atmosphere. In this method, the relationship between atmospheric opacity and viewing angle is used as a constraint for deriving the system calibration response. Because this method couples the system with radiative transfer theory and atmospheric conditions, evaluations of its performance have been difficult. In this paper, first a data-simulation approach is taken to isolate and analyze those influential factors in the calibration process and effective techniques are developed to reduce calibration uncertainties. Then, these techniques are applied to experimental data. The influential factors include radiometer antenna beam width, radiometer pointing error, mean radiating temperature error, and horizontal inhomogeneity in the atmosphere, as well as some other factors of minor importance. It is demonstrated that calibration uncertainties from these error sources can be large and unacceptable. Fortunately, it was found that by using the techniques reported, the calibration uncertainties can be largely reduced or avoided. With the suggested corrections, the tipping calibration method can provide absolute accuracy of about or better than 0.5 K     

毫米波辐射计定标系统

研制了小口径天线毫米波辐射计自然变温智能定标系统，该系统实现了所有数据的自动采集与分析。利用该系统对8mm狄克式辐射计进行了定标实验，得到了该辐射计的主要性能和定标方程。对其进行的精度分析表明该定标系统的天线温度不确定度为1.0582K。     

HUT fully polarimetric calibration standard for microwave radiometry

This paper describes the Helsinki University of Technology's Fully Polarimetric Calibration Standard (FPCS). The developed standard generates a complete Stokes reference vector and it is applied for the end-to-end absolute calibration of a fully polarimetric microwave radiometer at 36.5 GHz. The FPCS is based on the function principle of a Gasiewski-Kunkee linearly polarized (tripolarimetric) standard, with an additional phase retardation plate to generate the fourth Stokes parameter. Design considerations and operational aspects of the standard are discussed in this paper. An advanced calibration procedure, which takes advantage of both the tripolarimetric and fully polarimetric calibration scenes to suppress calibration uncertainties, is introduced. The feasibility of the standard has been verified and the generated brightness temperatures in a sample calibration are presented. An extensive set of tests has been performed to evaluate the characteristics and performance of the calibration standard. Furthermore, the use of the advanced calibration procedure to measure the characteristics of the phase retardation plate has been successfully demonstrated. The achievable calibration accuracy is analyzed and discussed relative to requirements for maritime wind vector measurements; the results indicate that the pixel-to-pixel retrieval of the wind speed is possible with high accuracy and the retrieval of the wind direction with at least moderate accuracy. In addition to calibration of a fully polarimetric radiometer, other potential applications, e.g., linearity measurements, are discussed.