一种高亮度积分球定标光源的热设计

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)。     

基于琼斯法的高亮度积分球定标光源

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于琼斯法设计了一种在400~900 nm波段积分辐亮度为6 800 W/(m2·sr)的高亮度积分球定标光源。对该光源的热设计表明:采用水冷散热的方式能够满足高亮度积分球定标光源的散热需求。实验表明,该定标光源在400~900 nm波段范围内积分辐亮度达到6 714 W/(m2·sr),经过散热后积分球球体温度场分布满足定标要求,可应用于工程实践。     

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。     

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.     

宽动态范围红外积分球辐射源的设计与检测

为满足红外遥感器高精度定标和性能测试的要求,设计了一种高均匀性和宽辐射动态范围的红外积分球辐射源。积分球辐射源采用碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,工作波段覆盖3～15μm。利用积分球的空腔辐射理论和黑体辐射理论,提出子母镀金积分球串联的匀光方式,有效提高了红外积分球的均匀性。通过设计程控镀金光阑实现了动态范围的线性调节。建立了温度变化与辐射源辐亮度输出稳定性之间的关系,并确定了子母镀金积分球的温控精度。对红外积分球的特性进行分析与检测,结果表明:红外积分球出光口法线Φ200 mm范围内的面均匀性为98.87%,-15°～15°内竖直方向上的角度均匀性为99.69%,实现了动态范围的近线性可调功能,背景辐射小于同温度的黑体,非稳定性为0.16%,表现出较好的性能。红外积分球定标光源是传统黑体辐射源的有效补充,在红外遥感器的实验室光谱辐射定标中具有潜在的应用价值。     

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.     

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。     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标，研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法，通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法，研制了绝对辐射定标装置，校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值，实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

4m直径均匀扩展定标光源

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于近距离扩展源照明方法设计了400～900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m²·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm,出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计,利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布,CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400～900 nm谱段内最大积分辐射亮度为222.62 W/(m²·sr),通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试,分析了定标光源的测量不确定度为3.57%。实验结果表明:该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要,并可实现智能程控化控制,提高了定标测试精度。     

近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

光学助降器模拟光源设计

舰载机降落着舰时,有时需要用到光学着舰助降系统。本光源模拟器采用卤钨灯光源,紧贴卤钨灯光源加入光学均匀器,然后依据光源的出射光束分布情况加入光束整形锥腔,再依据光源视场角的要求,在一定距离处加入柱面阵列光学系统,在光学柱面阵列系统后加入光学滤光器和光学衰减器就形成了光学助降光源模拟器。本光源模拟器具备红、绿、黄三色光谱,水平视场达到30,竖直视场达到20,光强大于10 000 cd,光源均匀性优于8％,光强可调。     

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%。     

内置LED定标光源的积分球设计

为了适应野外环境下的积分球操作,简化配件的使用和减少使用过程中误差的引入,利用LED的长时间发光均匀稳定特性,将LED作为定标光源内置于积分球中,设计了一种可便携式的自定标积分球。在验证LED稳定性的基础上,配合老化筛选装置,为定标光源选择最合适的LED器件,系统采用恒流源驱动,保证了积分球的长寿耐用。展示了积分球机械装配图,列出器件在积分球体上的安装位置,并进行了模型400~800nm光谱波段试定标,其线性度达99.994%,球体设计直径500mm,开口直径100mm,总开口比约为6%,重量约为18kg。建成之后将方便进行野外环境的实用工程。     

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。     

基于激光驱动等离子体光源的近红外傅里叶变换光谱系统

近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器,广泛应用于各个科研领域。目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升,在光谱信噪比提升方面关注较少。光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣,光谱信噪比越高,光谱线指数测量精度越高,越有利于对微量物质进行精细光谱比对。因此,提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。对比常用的钨灯光源,激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点,而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。基于上述原因,提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统,并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式,对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估,分别对比了积分时间为0.5,1,5,10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度,确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms,该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90∶1;其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器,在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估,结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍;最后,利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估,结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm,具有高光谱准确性与分辨能力。     

基于溴钨灯和LED积分球光源的可调谐光谱分布及光谱匹配

采用溴钨灯和恒流驱动的LED混合作为积分球内部光源,提出了模拟退火算法作为光谱匹配算法,研究了光谱分布可调谐积分球光源的光谱匹配技术.仿真实验表明,该混合光源完全能够定量地模拟CIE-D65和等能光谱分布,且在辐射功率优于LED模拟结果的前提下,LED的数量分别减少79.8％和82.9％,平均相对误差分别减小10％和4...     

可调对比度光学无穷远目标源设计

在光电跟踪测量设备对低对比度目标捕获能力检验中,提出一种利用可调对比度光学无穷远目标源检验的新方法。采用这种方法需建立可调对比度光学无穷远目标源装置,介绍这种装置的设计依据和设计过程。该装置可以模拟天空背景的辐亮度及这个背景下的一个低对比度目标,它利用大、小两个积分球分别模拟背景与目标的辐亮度,利用安装在大积分球上的准直物镜使目标及背景成为无穷远的目标源,在积分球上分别安装内置和外置照明光源,外置照明光源中装有光束准直系统,使卤素灯发出的光束成为平行光后射入积分球内,利用可调光栏控制通光口径的大小,从而控制了进入积分球的光通量,使得背景与目标的辐亮度在色温不变的条件下连续可调,实现目标对比度连续变化,变化范围0~90%,对比度稳定精度优于1%,光谱范围400 nm~800 nm内最大背景辐亮度优于60 W/m2sr。     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

卫星多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标技术

模拟空间环境辐射定标技术主要用于卫星发射前对其所携带的多光谱扫描仪的响应特性进行辐射定标,为用户提供定标曲线。介绍了利用多个光源、多套定标光学系统的多光谱扫描仪辐射定标技术。多谱段光源系统由太阳辐照积分球和黑体组成,积分球用于可见光、近红外谱段的辐射定标,黑体用于远红外谱段的辐射定标。多谱段定标光学系统通过在真空低温环境下的精密传动机构切换反射镜位置,以离轴抛物面反射镜为中心形成两套光学系统,分别将积分球、黑体的辐射反射到扫描仪的入口,从而一次试验即可完成卫星多光谱扫描仪全谱段的辐射定标。     

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%。