改进Offner型凸面光栅光谱辐射定标光学系统设计

针对数字可调光源输出能量较低的问题,提出一种改进型Offner凸面光栅光谱辐射定标光源光学系统的设计方法。基于光线追迹原理,理论推导Offner型光谱成像结构狭缝和像散的关系,利用双柱面透镜对Offner型光谱成像系统大狭缝下的残余像散进行补偿。使用所提方法设计了光谱范围为500～800 nm,狭缝长度为0.4 mm的传统Offner光谱成像系统和狭缝长度为8 mm改进型Offner光谱成像系统。结果表明:改进型Offner光谱成像系统具有良好的成像质量,全视场点列图方均根(RMS)半径小于8.1μm;系统沿Y方向RMS半径小于6.7μm,在一个像元尺寸内;谱线弯曲为单像元尺寸6.2%、色畸变为单像元尺寸5.8%,消除了谱线重叠和谱线偏移现象。设计方法对提高遥感仪器的光谱辐射定标精度具有一定的研究意义和工程价值。     

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。     

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。     

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。     

成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

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。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。     

辐射定标的新型参考光源技术

参考光源是辐射定标系统中的关键设备之一。近年来不同光谱分辨率、不同工作方式光电探测器的发展,需要参考光源在具备稳定性、均匀性等基本特性的同时,能够实现光谱匹配、大动态范围调节和宽波段精细扫描等新的功能。结合以LED为发光单元的可调光谱参考光源和利用宽调谐激光器的单色面光源技术,介绍了新型参考光源的设计、主要性能和部分前期的应用效果。新型参考光源可以与近年发展起来的基于探测器的标准传递技术相结合,在保障和提高绝对定标精度的同时,满足特定的定标技术要求。     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。     

基于激光的光谱辐射定标

随着地面遥感、航空与航天遥感、等离子体物理、定量光谱学等研究的发展,对光谱辐射定标精度提出了越来越高的要求,推动了基于可调谐激光的光谱辐射定标新型技术的发展。国际上英国、美国、德国等国家的计量科研机构相继建立了溯源于低温辐射计、低不确定度的基于可调谐激光的光谱辐射定标装置,用于探测器、遥感仪器光谱响应度定标和特性研究。其中美国国家标准技术研究院(NIST)的均匀光源光谱辐照度和辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)和德国物理技术研究院(PTB)的光度学可调谐激光装置(TULIP)最具代表性。相对于灯-单色仪系统,在辐射定标应用中,基于激光的光谱辐射定标具有光谱带宽窄、波长精度高、定标不确定度低等众多优点。本文介绍了基于激光的光谱辐射定标的发展状况和以英国国家物理实验室(NPL)、NIST和PTB为代表的基于激光的辐射定标装置结构与性能,分析了基于激光的光谱辐射定标技术优势,并进一步阐述了此技术的应用。基于激光的光谱辐射定标装置可广泛应用于重要的高精度系统级辐射定标测量,包括亮度温度、空间遥感仪器辐照度和辐亮度定标,推动航空航天、大气物理、光谱学、生物科学等科研、工业领域的发展。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

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%。     

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。     

阵列相机光照度特性检测方法研究

针对阵列相机的定标检测需求,研制一套多光源阵列相机辐射定标装置,通过对积分球衰减效率的理论计算和系统光能量衰减曲线的实际测试,可得到系统的光学传递曲线,加上宽量程测量装置实现对系统的光强变化实时测量,并运用多种光源结合衰减片轮组,达到宽动态范围为1.728×10^-5～54Lux的测试光源连续输出,分别满足微光阵列相机、强光阵列相机和其他多种阵列相机的多参数检测需求。开展了阵列相机多参数检测实验和标定分析,实验结果表明：装置能长久实现光照度特性实时监测和对多种阵列相机进行相机品质检测,能为阵列相机的运行环境和使用范畴进行判定。     

空间调制干涉光谱成像仪的室外定标技术研究

空间调制干涉光谱成像仪通过干涉仪分光,在探测器上得到干涉条纹,经过软件复原后最终得到目标的光谱信息。发射前的室外辐射定标中的定标光源为太阳,可以有效地弥补实验室辐射定标时定标光源(太阳模拟器)短波波段辐亮度低,导致干涉光谱成像仪短波输出信噪比低、光谱复原精度低的缺点,通过室外辐射定标模拟遥感光谱仪探测地物目标的太阳反射光谱特性,可以得到地物目标的准确光谱信息,并与实验室定标的结果进行相互验证。经过理论研究和计算,使用了两种定标方法-大气漫射板测量法和标准传递辐亮度法进行室外定标,在大理的室外定标结果表明,大气漫射板测量法的定标不确定度为6.3%,标准传递辐亮度法的定标不确定度为6.0%。     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。