紫外高光谱探测仪实验室辐照度定标研究

紫外高光谱探测仪在轨运行时通过地球光观测光路和太阳光观测光路获取辐射和光谱信息, 因此在发射前需 对载荷进行实验室定标。定标后获取的辐照度定标系数将用于在轨计算获取反演所需的太阳参考谱, 定标精度直接 影响仪器在轨探测及数据反演精度, 决定着获取的遥感信息的可靠性。采用直接发散光辐照度定标方法, 搭建二维定 标平台对定标光路进行不同角度、距离的标准灯测试, 将三个距离下的实验值借助最小二乘法线性拟合得到辐照度 定标系数, 并对系数进行角度等因素的校正。测试结果表明合成不确定度为 3.42%, 符合辐射定标要求, 表明了方法的 可行性。     

太阳紫外光谱辐射计的研制及丽江外场实验

为了实现对太阳直接光谱辐照度的地基观测,研制了一台用于测量太阳直射光谱辐照度绝对值的扫描式紫外光谱辐射计,工作波段250～400nm,通过太阳跟踪器及二维转台等设备实现地基观测时对太阳的自动跟踪.以NIST标准光源标定了这台光谱辐射计光谱辐照度响应度,定标误差2.4%.在云南丽江地区(26°52'N,100°13'E)开展的地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验进一步检验了仪器的性能.结果表明:时间、云量和大气气溶胶等因素对抵达地表的太阳直射紫外光谱辐照度有直接的影响.     

太阳光谱辐照度仪光机系统设计

为高精度监测太阳光谱辐照度变化,设计一款高精度太阳光谱辐照度仪用于获得太阳光谱辐照度数据。该辐照度仪设计了三种光路完成性能指标,其主光路用于测量光谱辐照度,参考光路用于波长标定,太阳跟踪光路用于室外精密跟踪太阳。详细介绍了辐照度仪主光路的设计,主光路采用Féry棱镜进行色散与会聚,辐照度仪入射狭缝通过Féry棱镜成像到棱镜焦平面。通过旋转棱镜,在辐照度仪焦平面通过两个单元探测器获得380～2500 nm光谱辐照度。通过理论分析和实验验证,在380～2500 nm光谱范围内仪器的光谱分辨率小于40nm。采用标准灯对太阳光谱辐照度仪进行光谱响应范围验证,结果表明仪器的光谱范围满足测量需求。     

狭缝光阑面积高精度测量技术

为了达到在0.4 ? 1.0 ?m波段实现绝对不确定度0.05%以内、相对稳定性0.03%/年的太阳绝对光谱辐照度观测,在太阳绝对光谱辐照度仪研制过程中,入射狭缝光阑的面积需要实现高精度的测量。设计了激光扫描法和通量比较法相结合的测量方法。测量中以激光-积分球系统作为光源,用高精度Trap探测器接收信号,无需基准光阑,同时突破了激光扫描法测量中对小尺度光阑的限制。对标称为7 mm×0.1 mm光阑面积的测量中,相对不确定度为4.5× 10-4。     

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。     

太阳光谱辐照度仪波长扫描设计北大核心CSCD

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求,为精确监测太阳光谱辐照度,研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成,其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构,是保障仪器测量精度的关键。为此,设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置,采用定时器主从方式控制电机旋转,并利用STM32驱动线阵CCD工作,结合CCD检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制,闭环控制精度小于2个像元宽度。最后,对线阵CCD的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试,测试结果表明CCD质心位置检测的标准差为0.0693,最大偏差不超过0.3像元宽度,系统运行时闭环精度小于2个像元宽度,满足波长扫描的重复性和稳定性要求。     

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。     

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%。     

敦煌辐射校正场地表反射率稳定性分析

辐照度基法确定卫星各波段的定标系数时,要求精确测量辐射定标场的地表反射率和漫射辐射度与总辐射度的比值。中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室分别于2013年6~8月及2014年8月期间,协同其他单位在敦煌校正场运用辐照度基法进行场地辐射定标,实测过程中使用ASD、SVC光谱辐射计,运用野外参考板反射率因子法确定敦煌校正场的地表反射率。详细阐述地表反射率测量方式及数据处理方法,根据实地观测数据,分析当前场区的地表反射率并与历史数据相互比对。结果显示,敦煌校正场地表反射率在时间和空间上均保持良好的稳定性。     

利用野外光谱辐射计传递实现太阳辐射计绝对辐射定标

随着遥感技术的不断发展和进步,人们对遥感观测仪器精度的要求也越来越高,而对仪器进行响应度定标是提高观测仪器输入、输出精度的重要保证。主要介绍了一种利用光谱辐射计传递实现太阳辐射计实验室定标的方法,这种方法能够比较精确地对太阳辐射计进行有效的定标,得到精确的响应度比例系数,同时定标原理简单,定标方法十分方便,便于在实验室中进行。     

星载臭氧垂直探测仪地外太阳紫外光谱测量

介绍了国内外星载太阳紫外光谱辐射计的研究进展,对我国自行研制的星载臭氧垂直探测仪的结构和功能进行了简介。它是一种小型化、高精度的紫外-真空紫外光谱辐射计,可在轨测量获得160～400nm地外太阳绝对光谱。给出了星载臭氧垂直探测仪实测的地外太阳紫外光谱并对其精度进行了分析。误差分析表明,160～250nm地外太阳绝对光谱的测量不确定度为±6.4%;250～400nm为±5.2%。将臭氧垂直探测仪在轨观测结果与国际同类仪器进行了比对,一致性优于±5%。     

狭缝宽度的衍射法测量研究

针对太阳绝对光谱辐照度仪研制过程中入射狭缝光阑高精度测量的实际需求,研制了基于激光衍射的狭缝宽度检测系统。该系统以激光作为光源,使用NMOS线列探测器作为检测传感器、以混合信号单片机C8051F为主控处理器,结合CPLD作为时序发生器和片上12位模数转换器,并采用最小二乘法对测量数据进行拟合提取条纹中心位置,实现了狭缝的高精度检测。系统可检测狭缝范围为0.02-0.5 mm,并在对太阳绝对光谱辐照度仪中标称为0.1 mm的狭缝测量中获得了3.25?10-3 µm测量不确定度。     

International comparison of the SIAR measurement and the WRR standard

We experimentally compare the solar irradiance absolute radiometer (SIAR) measurement with the world radiometric reference (WRR) standard to improve the accuracy of instrument. The SIAR joined in the international pyrheliometer comparison (IPC) in 2000. The comparison results show that the calibration factors for SIAR to WRR are 0.999 220, 1.001 694, 0.998 334 and 0.997 439 in the 9th IPC, the 10th IPC, the 11th IPC and the 12th IPC, respectively. These results are added to the measurement uncertainty budget of SIAR. The repeatability of the SIAR-type absolute radiometers is also investigated. The relative error introduced by two SIAR-type absolute radiometers is within 0.25%.     

CCD相对光谱响应同步采样方法研究

连续可调谐均匀单色照明光源系统作为CCD辐射参量定量化专用测试系统,可用于CCD相对光谱响应度的测量。它与传统的测试装置相比,能够实现光谱分辨率1 nm的光谱响应度定标。但是其采用的大功率氙灯超高压供电引入了测试光源不稳定的问题,导致传统分时测量方法引起的测量不确定度较差,不能满足高精度遥感仪器的定标需求,因此提出了同步采样的方法。从理论和器件噪声模型出发,分别对两种方法的测量不确定度进行分析,得出同步采样的方法测得的定标不确定度优于1.03%,与传统分时测量方法相比不确定度提高了43%。分别采用两种方法对目标探测器进行了CCD相对光谱响应对比测试,结果显示,同步采样的方法获得的CCD相对光谱曲线更平坦,与出厂数据相比离散程度更低,进而验证了分析结论的正确性。     

低温绝对辐射计不同定标光路的比对实验

低温辐射计是当前光辐射功率计量的最高标准,其测量精度的评价可以通过不同低温辐射计之间的比对来完成。开展了不同定标光路的低温辐射计比对实验。实验采用中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的陷阱探测器作为传递标准,在633 nm波段对传递探测器的光谱响应度进行了绝对标定。比对结果表明,传递探测器的绝对光谱响应度的测量一致性为3.610-3,定标总合成不确定度为3.310-4(k=1),实验结果验证了两家单位低温绝对辐射计定标系统的可靠性和高精度。     

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。     

六陌辖尉俦感器件

太阳辐射测量将对预测长期的气候变化提供重要依据.为了获得更加精确的太阳辐出度数据,研制微型化、高精度的绝对辐射计是今后太阳辐射探测的重要研究方向.介绍了目前研究的几种典型的太阳辐射传感器件,重点阐述了几种常用的热电型辐射探测器,对它们的特点进行了分析和比较.     

利用太阳测量整层大气光谱透过率

简要介绍了利用太阳辐射测量整层大气光谱透过率的实验装置、测量原理和数据处理方法.为得到大气光学参数的实际变化规律,设计了由宽光谱范围的平场凹面光栅和高灵敏度的线阵CCD构成的硬件系统,利用太阳直接辐射测量其连续光谱,使用Langley拟合方法进行定标,通过运算得到了实际天气条件下的大气光谱透过率.将实测结果与现有其他设备的测量数据进行了对比,证明了测量结果的可靠性.     

Calibration of solar cells for space applications

The calibration of space solar cells can be performed under extraterrestrial conditions (in space) or Earth-bound (either in the laboratory or outdoors). The corresponding calibration procedures and correction methods to obtain the calibration value are described for measurements on a balloon or in a jet as well as in a solar simulator or under direct or global outdoor illumination. Special emphasis is given to bias and random errors that may influence the measurement uncertainty. For terrestrial calibration methods utilizing a spectral mismatch correction, an ambiguity in the calibration value arises due to differences between two well-known sources for the extraterrestrial spectral irradiance, as given by Thekaekara or the World Radiation Centre and to different estimates of the solar constant. Some calibration methods use light sources with spectra that are very different from the extraterrestrial spectrum. The impact of this on the size and error of the mismatch correction is quantized for all relevant cell technologies. As the mismatch correction depends both on calibration spectrum and cell spectral response, there is not a single terrestrial calibration method with best uncertainty for ‘all’ cell technologies. Rather, good control of measurement errors in spectral response and simulator spectrum measurement determine the applicability of the various calibration methods.©1997 John Wiley & Sons, Ltd.