CO_2探测仪星上定标铝漫反射板的制备与试验

为了研制CO2探测仪定标漫反射板,采用物理研磨和化学腐蚀相结合的工艺方法制作了铝漫反射板试验样块,搭建了相对双向反射分布函数和半球反射率的测试装置。在0°和45°入射光的情况下,对可见近红外波段的测试结果表明：表面粗糙度影响铝漫反射板的朗伯特性,240#研磨砂制作的漫射板的朗伯特性最佳;化学腐蚀不仅能提高铝漫反射板的朗伯特性,也能提高铝漫反射板的半球反射率。当选取碱蚀温度为室温20℃、NaOH溶液浓度为52.6 g/L时,最佳腐蚀时间约为4 min;镀膜使铝漫反射板的半球反射率平均提高20%,但会使其朗伯特性稍变差;不同波长处铝漫反射板的相对双向反射分布函数略有不同,但变化趋势相同。实验确定了影响漫反射板漫反射特性的关键参数,并定量优化了这些工艺参数,为进一步研制CO2探测仪星上定标漫反射板提供了依据。     

星上反射率定标原理及其精度保持方法研究

论述了太阳漫反射板星上反射率定标原理,建立了基于太阳漫反射板的星上反射率定标物理模型。太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)会随时间发生衰减,是星上定标不确定度的主要来源,为此对监测太阳漫射板BRDF方法展开了研究。建立了中分辨率成像光谱仪(MODIS)太阳漫射板稳定性监测辐射计的监测物理模型,分析其在在轨性能评估中发现的问题。提出了一种积分球"双入光口+挡板"的光学结构,在保证功能实现的基础上简化了物理模型,减少了影响仪器不确定的因素。实验验证了该光学结构可防止太阳观测端口响应出现波纹。根据新光学结构的监测物理模型,参照目前国内对其相关参数的测试水平,对其监测不确定度进行了预估。结果表明,其监测不确定度可优于0.68%。     

太阳衰减屏光衰减非均匀性对星上定标的影响

利用定标光谱仪(SCS)实际光学系统参数,分析了经太阳衰减屏(SAC)衰减后的太阳漫反射板(SD)的出射辐亮度非均匀性来源。基于星上定标时刻漫反射板光谱辐亮度物理模型,结合实验室部分实测参数计算得到整年星上定标时段的漫反射板出射辐亮度角度变化规律,并与以实验室小发散角太阳模拟器作为照明光源测得的SCS漫反射板出射辐亮度随照明角度变化的规律进行了比较,验证了星上漫反射板定标时刻光谱辐亮度物理模型的正确性,且光通过太阳衰减屏照明漫反射板得到的出射辐亮度在SCS焦平面的能量非均匀性可优于0.47%/(°),满足SCS相对辐射定标对辐射源工作区域在其焦平面均匀性优于99.5%的要求。最后,根据实际应用状态,分析得到太阳衰减屏+漫反射板方式形成的星上光谱辐亮度标准面源量值不确定度可优于2.13%。     

紫外光谱辐射定标中的漫反射板反射特性研究

建立了紫外波段漫反射板双向反射分布函数的测量装置,研究了在特定接收条件下铝漫反射板双向反射分布函数(BRDF)随入射角的变化,并对测量误差作了相应的分析,漫反射板定标的相对精度小于2.5％。测量了铝漫反射板从250～650 nm的半球反射比。随着波长的增加,铝漫反射板的半球反射比略呈上升趋势,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm之间变化约6%。监测了铝漫反射板的半球反射比随时间的长期变化。铝漫反射板在制备一年后,其半球反射比基本保持稳定,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm范围内,其半球反射比平均下降约0.9％。     

若干材料紫外真空紫外漫反射特性的研究

给出了正入射条件下铝漫反射板在紫外－真空紫外波段的漫反射特性及硫酸钡和聚四氟乙烯（PTFE）漫反射板在紫外波段的漫反射特性;以中国计量院提供的已知正入射半球反射比ρ（0,d）的聚四氟乙烯漫反射为参考样品,通过比较测量得到了铝和硫酸漫反射板的ρ（0,d）以及硫酸钡漫反射板的ρ（0,d)在半年内的衰减情况。计算了三种漫反射板的双向反射分布函数fBRDF（0,θd）。     

紫外-真空紫外漫反射板的研究

选用在紫外－真空紫外波段反射率较高的铝作基底材料,通过光学研磨加工和光学镀膜处理制成漫反射板;建立了紫外－真空紫外波段漫反射特性测试研究装置,利用该系统进行漫 反射板余弦特性、双向反射比分布函数的测试。结果表明,该漫反射板反射比ρ（ｏ／ｄ）在３１５ｎｍ处为４９％;在正入射情况下,双向反射比分布函数在１５℃￣４０℃范围内偏差优于１１％。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

基于太阳漫反射板线阵CCD相对辐射定标方法研究

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统稳定性研究

空间调制干涉光谱成像仪对地物光谱辐射信息以目标像元干涉图的形式进行采集,系统定标后,复原的光谱图能定量地反映地物目标实际对太阳光的漫反射特性。分析了空间调制干涉光谱成像仪的定标原理,经计算推导和实验,介绍了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试,解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点,对定标卤钨灯进行了辐射稳定性测试,光谱滤光片进行了光学性能测试和粒子辐照试验,星上积分球组件进行了环境力学试验和热真空实验,均得到了较好的结果。通过全孔径、部分视场的相对光谱定标,能够得到星上定标光谱和干涉图,在经过不同条件下复原光谱比较后,证明此星上定标系统是稳定可靠的。     

基于HY-1C SCS太阳漫反射板的星上绝对辐射定标与验证

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。     

硫酸钡漫反射板在250～400 nm光谱辐射亮度标定中的应用研究

表面喷涂硫酸钡的漫反射板正入射时是最接近朗伯特性的用于标定光谱辐射亮度的实用漫反射板。通过实验测量硫酸钡漫反射板 2 5 0～ 4 0 0nm的半球反射率和双向反射分布函数表明 ,实测的双向反射分布函数与假定漫反射板为朗伯表面根据测量的半球反射率计算的双向反射分布函数的相对差值为 6 7% ,实测的双向反射分布函数随散射角的变化可达 2 8%。为提高光谱辐射亮度标定的准确性 ,考虑双向反射分布函数的微小变化和漫反射板上的光谱辐射照度的不均匀性 ,通过对光谱仪视场内每一小面元积分 ,最后可精确求得所测光谱辐射亮度 ,并标定光谱仪的光谱辐射亮度     

铝漫反射板200～300 nm相对双向反射分布函数的实验研究

选择了合适的测量方式．建立了铝漫反射板的相对双向反射向反射分布函数的测量装置。通过实验研究铝漫反射板的相对双向反射分布函数在不同情况下的性质表明：不同表面粗糙度的铝漫反射板相对双向反射分布函数随入射角度的变化趋势有所不同;表面镀A1 MgF2膜反射率可增大约1．5到3倍;相对双向反射分布函数在200～280nm之间不随波长改变,波长大于280nm时,随波长略有增加,最大13％。根据实验数据绘出的二维等值线图反映了光辐射以不同角度入射、观测角度固定情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的变化,对实验数据拟合得到在该情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的较精确的数学表达式。     

影响光谱辐亮度标定因素的分析

在利用漫反射板标定光谱辐亮度的实验装置中,标准灯完全可以近似为点光源。通过对进入光谱仪的辐射通量的数值积分,可以对应求出仪器的实测光谱辐亮度的计算公式。计算表明,实测光谱辐亮度并不等于漫反射板表面的光谱辐亮度,而有一个随标定条件变化的微小差值。通过计算,对光谱仪与漫反射板的距离、光谱仪入射挟缝的光轴与漫反射板法线的夹角以及标准灯与漫反射板的距离等影响光谱仪标定的因素进行分析,得到了最佳的标定条件。讨论了理想标定情况、光谱仪视场趋于一点的极限情况和采用实际的双向反射分布函数已知的漫反射板标定时,实测光谱辐亮度的计算情况。     

空间多用途双面反射镜的设计与制备

空间多用途双面反射镜是某型星载高光谱成像仪的关键光学元件,其设计与制备是高光谱成像仪工程研制阶段必须解决的重要问题。介绍了一面为光学反射面、一面为漫反射面的双面反射镜构成方案;综合考虑了两种反射面特性要求选用了6061铝合金作为镜体材料;从径厚比、轻量化结构形式、安装界面等方面开展了反射镜的结构设计和有限元分析;在此基础上探索了合理的制备工艺并完成了研制工作;介绍了双面反射镜性能测试装置并给出了测试结果。测试结果表明,6061铝合金双面反射镜光学面面形均方根值达到0.023λ(λ=632.8 nm);正入射条件下漫反射面的归一化漫反射特性与标准漫反射板相当,能够满足工程研制需要。     

比值辐射计空间环境适应性设计及验证

结合卫星发射以及在轨运行过程中所处的环境条件,对"积分球+匀光板+电磁光开关"形式的比值辐射计进行空间环境适应性设计.对结构薄弱环节进行强化加固设计,通过降低器件功耗、表面热处理等方式保持比值辐射计在真空热环境下的温度稳定,采用航天级光学涂层辅以结构屏蔽设计保证抗辐照能力.通过力学试验、热真空试验以及积分球光学涂层辐照试验进行验证.力学试验结果显示比值辐射计基频约为540Hz,振动前后比值辐射计辐射比变化小于0.31%,证明比值辐射计具有良好的结构稳定性,空间力学条件下的结构强度和刚度均满足基频大于100 Hz的设计要求.热真空试验过程中比值辐射计遥测输出稳定,各功能模块均工作正常.辐照试验后,比值辐射计光学涂层方向-半球反射比在485nm波段的最大衰变小于2%,红外波段无明显变化,该衰变对定标器在轨应用性能的影响可以忽略.研究结果表明,比值辐射计具有良好的空间环境适应性,可在复杂空间环境下进行稳定、可靠的工作,满足航天应用需求.     

比值辐射计响应特性

比值辐射计是一种监视漫反板双向反射分布函数(BRDF)在轨衰变的有效装置,太阳观测通道相对几何因子(简称几何因子)是比值辐射计在轨应用前需要精确测量的关键参数之一。对比值辐射计工作原理进行了介绍,在实验室内以卤钨灯代替室外的太阳对比值辐射计几何因子进行了重复测试,根据几何因子统计结果结合测试误差进行比值辐射计470、650、825 nm波段几何因子测试不确定度的分析。结果表明,比值辐射计几何因子测试不确定度在470 nm波段为0.48%,在后两个波段均优于0.16%,符合该参数的测试需求,为后期星上定标不确定度的评估以及星上定标系数的获取提供了有效的数据支撑。     

基于三波段光学成像系统的地物辐亮度系数测量

为了对地面目标的辐亮度系数进行测量,研制了一套包含紫外、可见光和近红外三个波段的光学成像系统,用积分球对其辐亮度响应进行标定,得到辐亮度与图像灰度值和探测器积分时间的拟合方程。提出了一种地面目标辐亮度系数测量方法,采用两块不同辐亮度系数的漫反射板作为参照物,建立辐亮度方程组,最终求解得到的目标辐亮度系数表达式中将不含气象参数项。利用研制的三波段光学成像系统,对绿草地的辐亮度系数进行测量,使用辐亮度系数分别为0.99、0.50、0.20、0.10的四块漫反射板,测得草地的紫外、可见光和近红外波段的辐亮度系数分别为0.070、0.184和0.429。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标EI北大核心CSCD

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。