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%。     

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FY-2C的大口径空间相机辐射定标研究

针对目前国内外热点研究的大口径空间相机,分析了其较之普通口径相机在辐射定标方面所具有的特点和难点。在FY-2C星红外水汽波段实验室辐射定标方法的基础上,提出了一种改进的适用于大口径空间相机的新型辐射定标方案。该方案克服了传统"黑体——准直括束系统"的定标方法中存在的括束系统视场、口径必须与空间相机参数匹配的难点,通过改进的后端光路插入黑体方法,实现了任意口径空间相机的全光路辐射定标。最后通过对新方案的辐射定标不确定度分析,论证了新方案在定标精度等方面的优势。     

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.     

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。     

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%。     

多方位/多波段地球临边紫外成像仪辐射特性研究

针对多方位/多波段临边紫外成像仪的结构特点及辐射定标的难点,提出了一种分割仪器视场定标再整合定标数据的方式。通过比较仪器全视场与分割视场照明条件下探测器相同像素点输出值的大小,得出各视场之间的相互影响量基本在仪器自身的测量重复性误差1%之内,从而证明了分割视场定标方式的可行性。对临边紫外成像仪分割视场定标结果显示,紫外290、310、355nm三个波段的合成标准不确定度分别为3.93%、3.90%、3.84%,符合目前遥感仪器紫外波段辐射定标不确定度3%~5%的范围。临边紫外成像仪分割视场定标方式的成功实施为解决超大视场以及更加复杂的遥感仪器辐射定标提供了新的指导。     

石英玻璃紫外波段折射率测量

 折射率是光学材料基本参数之一,采用直角照射法折射率测量原理,以光电瞄准法紫外光信号探测、气浮轴承构成精密测角仪角度精确测量、锁相放大器微弱信号检测、软件分析角度值与光强度变化的数据处理模型、计算机自动控制等手段,完成了一套光学材料紫外波段折射率测量仪,实现了光学石英玻璃紫外波段折射率自动测量,并实际测量得到了250 nm~450 nm波长下光学石英玻璃的折射率值。     

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。     

大口径红外辐射计的光谱定标

介绍了大口径红外辐射计的光谱定标方法。研制了大口径红外辐射计。该辐射计主要由前置光学系统, 红外探测器(热释电探测器和碲镉汞探测器2～14 μm), 机械斩波器,锁相放大器,信号采集器等组成。首先对大口径红外辐射计的光谱定标方法进行了分析,然后建立红外辐射计光谱定标的测量装置,并分别测试腔体热释电探测器和HgCdTe探测器的响应非线性,最后用腔体热释电探测器在该测量装置上对HgCdTe探测器进行红外光谱响应度校准实验。通过两种相对光谱响应度测量方法的对比,给出多次测量结果的平均值及两种方法的对比分析。分析结果表明,测量系统的不确定度优于3.4%。     

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。     

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.     

用同步辐射源建立紫外及真空紫外光谱区光谱辐射度基准的研究

叙述了中国科学技术大学国家同步辐射实验室800 MeV电子储存环同步辐射的特性及作为光谱辐射亮度基准的原理和方法,精确计算出同步辐射光源光谱功率空间分布,并在计量学上将同步辐射“经典”理论与标定氘灯光谱辐射亮度结合起来,对“同步辐射作为标准源进行光谱辐射功率计量”进行深入的研究。介绍了国家同步辐射实验室计量光束线站的装置,该装置利用同步辐射波长范围宽、亮度高、辐射特性可精确计算等特点,可用于标定传递标准氘灯的光谱辐射亮度(115~350 nm),并进行了不确定度分析。并与德国技术物理研究院(PTB)标定的氘灯光谱辐射亮度进行比较,两者符合。     

An Electrodischarge Source of Ultraviolet Radiation on Chlorine Molecules

We investigated the characteristics of a transverse glowing discharge and of a volume discharge in a system of sphereplane electrodes in chlorine of low pressure (P = 40–160 Pa). The formation of a single plasma domain has been revealed. It is a selective source of UV radiation at electronicvibrational transitions of the chlorine molecule. Due to the development of the discharge plasma instability in chlorine, the radiation of the plasma is represented in the form of pulses with a repetition rate f = 1–50 kHz on increase in the mean discharge current from 2 to 50 mA. For this range of discharge currents, the dependence of the brightness of the radiation bands for molecular chlorine with = 200 and 257 nm has a character which increases with the current. The plasma of the chlorinebased domain can be used in a source of shortwave radiation source having no quartz discharge tube (or any other tube transparent in the UV–VUV range of wavelengths) which contracts the plasma and needs cooling and when in the source of the lamp pumping there are no commutators (thyratrons, tacitrons, or spark gaps).     

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。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

大口径光束波前采样器(孔栅)的研制

应用平面波角谱理论，分析了采样器对光波场采样和分光的基本原理以及对空间采样频率的选择规则，描述了实际研制的大口径采样器的结构设计，并通过数值方法和高能激光大气传输实验研究了高能激光经采样器前／后的远场光斑分布关系。结果表明：利用光束波前采样器能高保真地实现对高能激光束的分光。     

中高层OH自由基在紫外波段的临边散射辐射正演模拟与敏感性分析

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂,决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化,甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演,需要构造正演模型,模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0,0) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g,结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量,模拟出OH荧光发射光谱,叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数,最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation),SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。还分析了影响模拟结果的因素,在之后的正演过程中加以修正,使正演模型更接近实际辐射传输过程。     

Band Assignment in Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy

A review of photoelectron spectroscopy, [1], a book containing a great number of experimental results [2], and the proceedings of an international conference [3] have appeared recently.