定量化红外遥感应用的高精度水浴黑体

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术之一。根据定量化红外遥感应用的需求,研制了高精度水浴黑体辐射源,并应用均匀镜-漫反射模型法对其发射率进行了计算。提出了基于绝对低温辐射计的常温黑体定标方法。性能测试结果表明,该黑体辐射源可用于遥感探测器中的红外辐射定标。     

积分球光源分布温度对宽波段光学遥感器绝对辐射定标的影响及其校正

实测了积分球输出光谱辐亮度分布曲线,并得到积分球光源的分布温度。从理论上分析了积分球光源分布温度影响宽波段光学遥感器绝对辐射定标精度的原因和机理,并仿真计算了包括积分球和太阳在内的几种不同分布温度光源定标某宽波段光学遥感器时得到的定标系数。仿真结果表明,不同分布温度间的定标系数最大差别大于2%。在此基础上提出了积分球光源分布温度影响绝对辐射定标系数的校正方法,为提高宽波段遥感器的辐射定标精度和遥感图像辐射校正提供了思路和依据。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求,研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计,实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量,为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段;2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置,结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离,为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子;3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994,稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标,有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响,定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm）,为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

星载微光遥感器外场辐射定标光源的研制和检测

LED外场辐射定标积分球光源基于辐射通量等效理论,用于星载微光遥感器的在轨辐射定标。该定标光源采用12组峰值波长670 nm的LED密集阵列发光单元,每组最大电功率300 W,辐亮度输出达到5.2×10?2 W·cm?2·sr?1,通过等效辐射通量面积校正后,能够适用于10?9 W·cm?2·sr?1量级的微光通道在轨定标。光源的参数检测结果表明:定标光源角度均匀性在±30°以内优于99.6%,平面均匀性优于99.7%,1 h内稳定性优于99.9%,具有优良的辐射特性。在敦煌中国遥感卫星辐射校正场对VIIRS微光通道进行了在轨实测试验,在轨响应结果为8.27×10?9 W·cm?2·sr?1（含月光贡献和大气影响）,证明了该外场微光定标光源辐射量值设计的合理性。     

基于灰阶靶标的光学遥感器绝对辐射定标及反射率反演验证

光学遥感器在轨绝对辐射定标精度决定着定量化应用的广度和深度,反射率法、辐照度法以及辐亮度法等基于大面积均匀场的在轨替代定标发挥着重要作用,但由于存在场地数量有限、定标频次低、场地反射率低以及单点定标无法实现全动态范围定标的问题,定标精度限制在5%～8%之间。光学遥感器空间分辨率的提高,使得基于光谱平坦性好、朗伯性好的灰阶靶标的绝对辐射定标成为可能。本文研究了基于灰阶靶标的定标方法的原理、定标流程及影响因素,并在此基础上提出了简化辐射传输计算的方法。考虑到高分辨多光谱相机响应线性及暗电流等的影响,本文采用带偏置的一次函数响应模型,对某多光谱相机进行了三次试验,求出了定标增益与偏置,定标不确定度优于5%。利用铺设的彩色靶标进行了反射率反演验证,结果显示,在5%～70%的反射率内,绝对差值不到0.01。所提绝对辐射定标方法可以实现光学卫星遥感器大动态范围的绝对辐射定标,解决了在响应低端定量化应用时定标精度普遍较低的问题。     

大口径、宽动态范围红外测量系统辐射定标方法

现有的大口径、宽动态范围红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,该方法机动性差且成本较高。为了解决这一问题,提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法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;使用面源黑体对全系统进行中、低温段的外定标;提取公共温度范围的内、外定标数据并处理以获取内、外定标之间的修正系数;对中、高温段的内定标数据进行修正可以获取全系统在中、高温段的辐射定标数据,结合外定标结果就得到了全系统、宽动态范围的辐射定标数据。使用该定标方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行辐射定标,并根据定标结果反演黑体的辐射亮度和温度,辐射亮度反演的最大误差为1.35%,温度反演的最大误差为0.76℃,实验结果证明了该定标方法的有效性。     

低温红外辐射源研究

随着空间红外探测、卫星遥感等技术的飞速发展,低温红外辐射源的需求日益迫切。研制了一种基于液体循环控温原理的低温红外辐射源。辐射源的工作温度范围为-60℃～50 ℃,控温精度达到0.01 ℃,有效发射率优于0.999 7。首先阐述了低温红外辐射源的设计原理,介绍了辐射源腔形设计,使用基于蒙特卡罗算法的软件STEEP3计算了辐射腔的有效发射率;接着对辐射腔内部温度特性进行了研究,实验结果表明低温红外辐射源辐射腔温度均匀性优于0.02 ℃,腔底温度稳定性优于0.05 ℃/h;最后通过与镓熔点黑体比较得到低温红外辐射源在29.76 ℃时的光谱发射率,与仿真计算结果一致。     

大口径积分球参考光源的均匀性研究

针对大口径宽视场光学遥感器的相对辐射校正要求,研究大口径积分球参考光源输出的均匀性.利用空腔辐射传输理论,从发光单元辐出度分布及安装位置角度分析了积分球参考光源的均匀性,分别在积分球出光口中心法线±30°~±36.8°、±30°~±45°位置安装点光源(卤钨灯)、近郎伯型面光源(LEDs)并进行优化设计.研制了直径为3m,开口直径为1m的基于LEDs和卤钨灯的积分球参考光源,并检测了参考光源的均匀性。检测结果表明,积分球出光口Φ890mm内的面均匀性、±60°以内的角度均匀性均优于99%,与分析结果一致.     

紫外波段大口径积分球辐射源研制

为了满足航天载荷对大口径、高亮度紫外积分球辐射源的定标需求,采用全新工艺研制了内径为2200 mm、出光口径为800 mm且采用全压制聚四氟乙烯(PTFE)涂层的大型积分球辐射源,聚四氟乙烯涂层厚度为25 mm.积分球内置10 kW卤钨灯光源并外置两台带有电动光阑的总功率为14 kW的氙灯光源,可实现4个量级的大动态范围调节.经测试,该积分球在250 nm处的辐亮度为0.54 μW· cm-2·nm-1·sr-1,在279～400 nm紫外波段处的辐亮度大于1个太阳常数,辐亮度定标扩展不确定度为5.28％.对紫外积分球辐射源的各项性能进行了测试,结果表明,紫外辐射源的面非均匀性在380 nm处为0.65％;在扫描夹角为-20°≤θ≤+20°时,水平和垂直方向上的角非均匀性优于0.49％,±45°方向上的角非均匀性优于0.69％.对光谱反射率对面均匀性及角均匀性的影响开展了研究,研究结果表明,随着光谱反射率的提高,面非均匀性下降0.17个百分点,角非均匀性下降0.15个百分点.对辐射源稳定性、荧光效应及系统热平衡展开了测试研究,所研制的紫外积分球辐射源具有紫外波段(250～400 nm)亮度高、口径大、均匀性好及可靠性高等特点,是理想的大面积郎伯面源,可满足紫外波段航天载荷辐射定标需求.     

大动态范围可调线性偏振度参考光源检测与不确定度分析EI北大核心CSCD

介绍了一种新型高精度大动态范围可调线性偏振度参考光源（VPOLS-II）,在0.46～2μm波段内线性偏振度调节范围达到0～0.72。VPOLS-II采用四片平板玻璃起偏的工作原理,辐射光源经过积分球和扩束器准直系统形成具有较高均匀性和平行度的入射光,再经过偏振态调节器输出不同线性偏振度的偏振光。将光谱偏振分析仪实验测量结果与理论计算值进行了比对,分析了VPOLS-II输出线性偏振度不确定度的影响因素。结果表明,线性偏振度范围0～0.72内,VPOLS-II的线性偏振度与理论预测值的差异小于6×10^-3。在线性偏振度范围0.01～0.09和0.09～0.72内,线性偏振度的不确定度分别为8.8%～0.936%和0.936%～0.184%。这种新型参考光源可用于偏振光学遥感器的实验室偏振定标和系统级性能检测。     

高稳定度可见/短波红外在轨相对定标监测系统关键技术研究

针对高稳定度遥感器在轨相对定标监测系统关键技术进行研究,阐述了工作原理和关键技术。研制了基于可见/短波红外双波段陷阱结构的高稳定度定标探测器组件,通过选择高灵敏度单元可见和短波红外光电探测器,一方面使探测器组件工作在线性更好、暗电流更低的零偏置光伏电路模式,另一方面使探测器组合成为复合型陷阱光机探测模式,并在模拟前放电路和数据采集环节进行了关键参数设计,完成了星载定标辐射源输出辐射的高稳定度相对定标监测系统设计。通过实验室内积分球以及国家计量技术机构提供的标准灯的辐射测试结果表明,系统获取的码值相对标准方差达到0.030%～0.046%(可见通道)和0.040%～0.059%(短波红外通道),实现了相对定标系统的高稳定度监测,为未来遥感器在轨相对定标提供一种优良的解决方案。     

紫外至近红外积分球辐射定标系统

本文描述一种定标系统,它采用直径250cm的积分球辐射源作定标源,其辐射孔径大(直径40cm)、辐射功率高、具有较好的空间均匀性、广角度的漫射性、输出稳定以及宽波段的定标范围(0.25～2.5μm).本系统可用于光学遥感传感器和有关光辐射测量仪器的定标.     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.     

一种高亮度积分球定标光源的热设计EI北大核心CSCD

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器对实验室辐射定标的要求,设计了一种使用近距离小面源照明方式定标的高亮度积分球光源,并对该光源的光学参数和结构参数进行了详细设计。为了解决高亮度积分球使用时的散热问题,采用水冷的散热方式,设计了专门的散热管路。对该光源循环水流速0.1 m/s下利用有限元分析法热仿真分析,仿真结果表明,溴钨灯光源附近温度维持在125°C左右,积分球出光口温度维持在80°C左右。实验结果表明,溴钨灯光源附近温度维持在125°C左右,积分球出光口温度维持在100°C左右。通过对比分析了积分球出光口温度差异的原因,验证了仿真分析与理论计算的正确性。同时测试了该光源在400~900 nm波段范围内光谱辐亮度为6714 W/（m2·sr）。     

双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

基于场景的红外焦平面阵列非均匀性评价方法

针对红外遥感图像非均匀性的定量评价问题,研究了基于场景的红外焦平面阵列响应非均匀性的定量评价方法。利用真实红外遥感图像序列量值分布的特点,针对小序列图像提出了基于序列排序和小波变换的标准图像构建算法;结合非均匀性评价指标,提出了利用构建标准图像的响应非均匀性对红外图像的非均匀性进行定量估计;分别利用黑体定标实验和统计方法对标准图像构建算法进行了验证,同时进行了不同校正算法的剩余非均匀性评价实验。结果表明,128frame序列构建得到的标准图像的非均匀性分别比同温黑体图像小0.92%,比统计标准图像大0.59%。该方法可用于定量估计红外遥感图像的非均匀性。     

级联积分球辐射源角度均匀性研究

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源,需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论,建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型,并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明：理想情况下,采用2个朗伯型级联子球作为发光单元,对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时,通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后,通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性,发现实验结果与仿真结果接近一致。因此,通过优化发光单元的类型和安装位置,可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。     

傅里叶变换红外光谱（FTIR）非线性多点定标方法研究

给出了线性定标和非线性多点定标的具体算法,并且应用加拿大BOMEM公司的MR-154傅里叶变换红外光谱仪,液氮制冷型中红外MCT探测器测量了中国科学院上海技术物理研究所研制的HFY-300A型黑体在几种不同温度下的辐射谱,其中的一些辐射谱用于定标,用其中的一个特定温度下的辐射谱来检验定标结果。结果表明这种非线性多点定标方法非常可靠,理论辐射谱与定标后辐射谱相对偏差集中在0.2%附近,最大相对偏差仍小于0.4%。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

双向反射分布函数绝对测量装置研制

基于太阳-漫射板+稳定性监视辐射计的星上定标方式能有效地提高遥感数据定量化水平,其中漫射板的双向反射分布函数(BRDF)定标精度是高精度星上定标的关键,BRDF绝对测量可实现漫射板的高精度定标。为解决高精度BRDF绝对测量的关键技术,设计了高亮度、高稳定度、高均匀性积分球光源;使用单色仪和单片探测器对大动态范围入射和反射辐亮度信号进行高精度探测,并利用锁相放大器对信号进行放大和采集;采用样品漫射板三维转动和三维平移及光源一维转动的组合运动形式,以高精密六轴串联机械手和中空分度盘分别作为样品漫射板和光源的定位机构,可高精度、无遮挡、快速地构建BRDF测量所需的几何关系。研制的装置可实现包括"平面外"在内的全角度BRDF绝对测量,可测量的入射、反射光束角度范围:天顶角为0°~75°、方位角为0°~360°,目前可测量的光谱范围为250~1700nm,装置的BRDF绝对测量不确定度优于1%。