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%。     

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。     

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。     

一种亮度可调积分球光源及其应用技术研究

目前辐亮度计的光谱辐射响应函数采用辐照度标准灯和漫反射白板的方法进行校准,无法实现大动态范围内的线性校准。提出了一种高精度、亮度可调积分球光源,利用固定光阑和可变光阑控制输出辐射亮度,动态范围达到4个数量级;通过对遮光筒式辐亮度计的光谱响应函数进行测试,实验结果表明:遮光筒式辐亮度计的光谱响应函数具有很好的线性特性,且重复性高,一次项系数的标准差为2.78E-17。     

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。     

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。     

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。     

光谱可调积分球光源的光谱匹配算法研究

基于光谱匹配算法是可调光源产生种类多样光谱分布的必要手段,提出Levenberg Marquardt算法作为光谱匹配算法。利用峰值位置等间隔均匀分布的理想高斯曲线作为LED发光光谱,借助该设定的一系列曲线仿真模拟目标光谱,实验表明,利用该算法模拟太阳、沙漠、海洋和植被的相对光谱分布,相对光谱差异分别为2.17%、1.76%、2.03%、1.7%。利用实验室现有LED的发光光谱进行验证实验,匹配3种目标光谱的相对差异均小于5%。实验结果表明,Levenberg Marquardt算法可应用于光谱可调积分球光源的光谱匹配。     

利用可调谐激光的积分球光源辐射特性测试

为了提高光谱辐亮度响应度的定标精度.研制了新型的利用宽可调谐激光的积分球光源.把外部激光导人积分球,在球出口形成均匀、准朗伯性的面光源.利用钛絮石激光器710 nm输出光研究了光源的辐射特性.双光路导人、采取消相干措施条件下,光源辐亮度的非稳定性在半小时内为0.06%,在出口中心φ60 mm范围内平面非均匀性为0.16%,士22.范围水平面内和垂直面内的角度非均匀性分别为1.3%和0.7%.这种新型的积分球光源具有稳定性好、光谱辐通量高、光谱带宽窄、光源面积大、波长在宽波段内可调谐等优点,联合响应度直接溯源于初级辐射标准低温辐射计的标准探测器,可以有效降低定标不确定度.     

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     

一种环形屏积分球光源的辐照均匀度研究

均匀光源被广泛应用于光学成像、遥感仪器的研制与标定等领域。提出了一种具有环形遮挡屏的积分球光源结构,以辐照均匀度分布特性为目标,利用蒙特卡洛(MCM)分析通过改变光源类型、挡板位置、开口大小、光源数量等参数对光源结构进行分析与优化。结果显示,朗伯特光源较之准直型光源辐照均匀度平均提高2.32%;挡板位置靠近积分球边缘时,辐照均匀度略低于其他位置;综合考虑辐射能量与照度均匀度,积分球开口比定在30%~35%区间内更为合适;辐射能量与光源数量呈线性关系,且不均匀度随光源数量在2.46%~3.38%波动。优化后的环形遮挡屏结构,可作为辐照均匀的光源应用于实际场景。     

基于积分球试验的粉体材料辐射特性分析研究

为了获取准确的粉体材料红外辐射特性参数,本文对Al_2O_3粉体材料的红外辐射特性进行了以下研究:对粉末样品进行积分球反射率和透射率的测量试验,利用三热流近似法求解辐射传输方程,结合粒子群算法反演粉末的散射系数和吸收系数。Al_2O_3粉体材料的辐射特性研究结果显示,在4~7μm波段散射系数和吸收系数均随波长和厚度的增加而减小,且粉末层厚度越小,粒子散射越强烈。该方法适用于获取常温下各种粉体材料的辐射特性参数,并分析粉体材料的辐射特性参数及其与厚度等因素的关系。     

积分球辐射光源照度均匀性研究

针对CCD等焦面阵列光电器件常被置于积分球辐射光源出口平面进行测试的误区,研究了积分球辐射光源照度分布的均匀性,得到了合理使用积分球光源测试光电器件的依据。基于数值解析方法和蒙特卡罗方法,建立了理想积分球辐射光源照度均匀性数学模型和非理想积分球辐射光源照度均匀性仿真模型,分析了与积分球光源出口不同距离处光电器件受光面上照度分布情况,并实验测试了两套积分球辐射光源照度分布情况,得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。研究表明:当光电器件受光面直径小于积分球光源出口直径一半、光电器件和积分球出口之间的距离与积分球出口直径的比值在3至5之间时,可在光电器件受光面上获得均匀性优于99%的照度场。     

真空紫外探测器辐射定标研究

为了满足紫外光学遥感信息定量化发展的要求,构建了一套高精度真空紫外探测器辐射定标系统,以美国国家标准技术研究院(NIST)真空紫外标准探测器为标准,在120～220 nm波段上,对量子效率未知的EMR541-09-17紫外光电管进行了定标。按照国际通用不确定度评估规范,对测量结果进行不确定度分析和评估.总的传递不确定度小于2.4%。达到了在真空紫外波段对紫外探测器进行高精度定标的要求。     

空基红外载荷现场辐射定标技术研究

为解决外场条件下空基红外载荷对典型地物目标进行辐射温度测量时,现场辐射定标存在地面定标黑体发射率低、远近场辐射特性差异大、定标体不能适应不同成像分辨率载荷定标和外场布设及撤收不便捷等问题,研制了地面温差型定标黑体,具有高发射率、均匀性和稳定性等特点,制作了高发射率定标板和低发射率定标板。提出了基于双温度扩展源法实现红外载荷绝对辐射温度定标,利用高发射率定标板和低发射率定标板通过远、近地场的图像灰度变换实现相对辐射定标的方法。为了验证方法的有效性,以高精度辐射温度计在近地场对典型地物目标测量的辐射温度数据作为依据,对本方法和现有的基于大尺寸面源黑体实现现场辐射定标的方法进行了比较,并开展了测量不确定度的评定。结果表明,本方法辐射温度定标最大偏差0.31℃,测量不确定度评定结果为0.46℃（k=2）,定标精度较好。同时定标板具有尺寸可定制、布设及撤收灵活、成本低等特点,可适用于对不同成像分辨率空基红外载荷的现场辐射定标,进而为目标隐身效能评估、红外仿真建模、目标特性研究等工作提供一定的技术支持。     

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...     

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。     

近红外高精度光辐射标准探测器的实验研究

在594nm和785nm两个波长上,用以低温辐射计标定过的陷阱探测器作为基准,对两个响应未知的陷阱探测器进行了绝对标准的传递。为此建立了一种辐射定标的新型测量光路,估算和分析了在光路调整时影响测量精度的关键环节,其中包括光功率传输效率以及光路色散效应的影响。分析了在传递过程中各主要环节的不确定度,总传递不确定度小于0 045%。     

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。     

大动态范围阵列式光谱辐射计线性测量

阵列式光谱辐射计能够实现光谱的快速测量,广泛应用于航天、遥感、光伏、环境监测等领域。为了准确评价阵列式光谱辐射计的测量能力,设计一套光谱辐射亮度线性测量装置。该测量装置采用一组不同面积的光阑对积分球光源的发光面尺寸进行调节,并将出射光引向漫反射白板进行漫反射,通过改变光阑面积以及光阑和漫反射白板的距离,能够实现从积分球光源辐射亮度至白板反射辐射亮度的6个量级的动态调节。漫反射白板反射因数的一致性验证了该装置在380～780 nm波段的相对光谱近似不变特性。当从积分球光源辐射亮度水平向下进行6个量级的延伸时,该装置的测量不确定度为0.76%（包含因子k=2）。采用该装置开展的线性测量结果表明：阵列式光谱辐射计的非线性呈现明显的波长和积分时间相关性,部分波长的非线性在15%以上。