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。     

Research on calibration method in lab of direct solar channels of Sun photometer

We develop a new calibration method in lab by measuring the absolute spectral irradiance responsivity of Sun photometer sun channel. The absolute power responsivity of Sun photometer is obtained when a white laser double monochromator system serve as a source, and a standard transfer detector calibrated against cryogenic absolute radiometer is assembled to measure the absolute power of laser beam. The effective area of aperture is measured through laser raster scanning method, and the relative spectral irradiance responsivity of the corresponding channel is obtained by using tungsten-halogen lamps double monoehromator system. On the basis of the above results, the top of the atmosphere responsive constants V0 （500, 675, and 870 nm） are obtained by integration with extraterrestrial solar spectral irradiance data. Comparing the calibration results with that of CIMEL, France in November 2011, the relative differences are 4.38%, 2.23%, and 2.45%, respectively. The calibration uncertainty reaches to 2.048×10^-2, which shows a remarkable consistency with the Langley plot method. Further, our scheme can overcome the limits of space and atmospheric conditions which are only available at a high-altitude calibration site in particular date. The advantages lie in not only shortening the experiment period but also being of high precision. This new scheme definitely plays an important role in supporting the current and future sun photometry calibration activities which are significant to earth observation.     

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.     

多角度偏振成像仪遥感图像太阳耀斑区的拖尾校正方法

为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾,以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例,结合多角度偏振成像仪在轨成像特点,理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型,以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型,该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明,该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声,提高图像质量,而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后,分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响,分析结果表明,拖尾校正前后,灰度方差由202.69×10^6下降至2.32×10^6,平均梯度由5.08×10^-1下降至2.26×10^-1.     

Ⅰ类自发参量下转换光谱圆环空间分布

理论模拟了I类自发参量下转换产生的相关光子光谱圆环的空间辐射角度及光强分布,搭建了相关光子圆环光强分布的实验测量装置,该装置利用355 nm连续激光器泵浦BBO晶体产生I类自发参量下转换相关光子圆环,使用CMOS传感器作为相关光子圆环探测单元,通过2×2维点阵扫描方法探测了完整的相关光子圆环,测量的光谱分布为430～860 nm.实验结果表明:测量的相关光子圆环直径与理论值符合较好;Ⅰ类自发参量下转换过程产生的相关光子在空间呈同心圆环分布;相关光子光谱具有宽光谱分布特点.     

泵浦光的入射角对参量下转换的影响

利用参量下转换制备相关光子实现对各类探测器的量子效率的定标,是近年来兴起的新型定标技术。由于参量下转换的光子转换效率低,探测器输出信号信噪比小。采用短波激光器泵浦PPLN周期极化性晶体,可获得较大功率的参量光。分析了泵浦光在PPLN晶体端面的入射角对参量光的转换效率、空间分布、参量带宽及晶体周期的影响,并进行了数值模拟。分析发现当泵浦光正入射晶体端面时,参量光功率转换大,带宽小,发散角大;随着泵浦光入射角度逐渐增大,参量下转换的转换效率降低,相关光子的带宽变小,发散角变小且参量光的中心波长的空间位置会发生相对偏移。该研究结果可为相关光子探测、模拟探测器量子效率的高精度定标提供理论依据。     

多波段相关光子光谱分布与时间相关性测量实验研究

基于相关光子的定标技术能够实现“无标准传递”绝对定标,研究相关光子的光谱辐射特性及时间相关特性对遥感器在宽波段的辐射定标具有重要意义。为满足光电探测器在宽谱段量子效率定标需求,基于相关光子的定标技术有必要从单一波段向更多波段扩展。根据自发参量下转换所满足的相位匹配条件,推导出相关光子在晶体内的非共线角计算公式,通过数值模拟相关光子光谱辐射角度分布规律,优化晶体相位匹配角,使得自发参量下转换产生的相关光子具有宽光谱分布,并且相关光子辐射角度与光谱波长能够一一对应。根据光谱分布数值模拟结果,建立了多波段相关光子的光谱分布和时间相关性测量实验系统,利用该系统测量了四对相关光子的光谱分布、符合计数、相关时间以及偏振特性。其中,测量的光谱分布范围为633~808 nm,最大光谱分布测量偏差为1.51 mm,光谱分布实验测量结果与数值模拟结果符合一致;测量了四对相关光子对的相关时间,最小相关时间为0.32 ns,并在实验中观察到了“符合三峰”现象;相关光子单光子计数及符合计数与泵浦光的偏振方向呈正弦函数关系。实验研究表明,相关光子对具有可见光~近红外宽波段分布、时间相关及偏振特性。论文研究结果在国内外尚属首次报道,该研究结果有望应用于光电探测器在多波段的辐射定标。     

光子计数器的线性测量和修正

依据自发参量下转换过程中泵浦光功率和相关光子的线性关系,搭建了光子计数器线性测量实验装置,分析了光子计数器非线性误差产生的机理,探讨其线性应用条件和修正方法.通过调节泵浦光功率改变入射至光子计数器的相关光子速率,实现了光子计数器线性的测量,并对实验测量值进行了修正.结果表明,通过线性测量和修正可以提高单光子计数器测量准确度,降低光子计数器的非线性误差,其入射光子速率最大线性工作范围可由10~5s~(-1)扩大到10~7s~(-1).     

低温真空红外傅里叶光谱仪噪声等效辐亮度定标系统

红外傅里叶光谱的等效噪声辐亮度(NESR)是反映其对红外目标信号的极限探测能力,也是仪器的主要技术指标。受限于我国当前的技术条件,尚无相关能力的测试定标系统和检定规范。通过借鉴当前国内外的红外辐射计量装置的标准传递思路,提出了一种NESR高精度测试装置方案。给出了该装置的溯源链路,描述了其整体和光路结构,并设计了低温真空背景抑制模块。着重介绍了宽动态范围红外积分球辐射源设计、等效光路设计和真空低温环境模块等设计方案。提出的设计方案为NESR高精度测量提供基本的参考依据,为我国傅里叶光谱的NESR的量值溯源提供支撑条件。