远紫外高光谱成像光谱仪的辐射定标技术

利用紫外恒星对远紫外高光谱成像光谱仪进行在轨定标是实现高精度定量遥感的重要步骤。然而,在上述过程中,在轨定标系数无法直接用于目标反演。因此,转换在轨定标系数对提升仪器在轨定标精度具有重要意义。推导了定标系数的转换过程,给出了新的定标系数方程,并利用研制的仪器开展了相关验证实验。结果表明,利用修正后的定标系数进行目标反演,可将反演精度提升40%。     

Chappuis-Wulf波段临边辐射臭氧廓线的反演

临边辐射探测技术是一种新型卫星探测技术,主要利用紫外-可见光-红外太阳散射光谱获得臭氧等痕量气体在垂直方向上的分辨率廓线信息.基于波长配对光谱分析法、乘代数重建技术以及SCIATRAN正向模型,用SCIAMACHY仪器临边辐射反演垂直高度为10～40 km、分辨率为1 km的臭氧数密度.首先,根据臭氧在Chappuis...     

大视场偏振成像仪的相对辐射校正研究

设计了基于单像元辐射响应模型的相对辐射校正方法和流程.依据信号还原入射光的反演顺序,分析非均匀性干扰信息,依次对探测器、空间杂散光、起偏度和光学系统相对透过率进行校正.在轨测试期间,设计了基于沙漠场反射率法的多角度观测数据快速检验方法,满足了大视场偏振成像仪的相对辐射性能检测需求.实验数据表明,单点相对辐射响应差异均小...     

空间调制干涉光谱成像仪光谱定标技术研究

为了对干涉光谱成像仪进行光谱定标,针对空间调制该仪器的原理,得出了其光程差和光谱分辨率的计算方法,并分析了仪器的线型函数.在实验中使用多种单色光源(波长范围:450～950 nm)和扩束准直镜(焦距120 mm、口径50 mm)进行光谱定标测试.结果表明:影响实验室光谱定标不确定度的主要因素为d/f的测量误差和标准光谱的误差.     

基于深对流云的FY-3D/MERSI-Ⅱ反射太阳波段辐射响应评估

风云三号D星（FY-3D）中分辨率光谱成像仪Ⅱ型（MERSI-Ⅱ）已在轨运行超过5年,经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云（DCC）目标对MERSI-Ⅱ大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估,为提高该方法的稳定性,对基础DCC定标方法进行了优化。首先,比较了当前两种DCC双向反射分布函数（BRDF）模型的校正效果,采用月度反射率概率密度函数（PDF）众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明：对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优;短波红外波段反射率PDF均值较优,但对于两种BRDF模型均不敏感。其次,针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题,提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018—2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性,分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后,使用上述方法对MERSI-Ⅱ的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估,发现蓝光通道和全部...     

星载天底/临边大气紫外全景探测仪光学设计

星载紫外全景探测仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据天底和临边同时探测的研究目标,提出了一种天底视场和临边视场共像面的全新紫外全景探测仪光学系统结构,设计了一个中心波长360nm、带宽20nm、中心视场10°、环形视场360°×(70.31°~72.71°)、焦距5mm、相对孔径1/3.3的全景探测仪光学系统.利用光学系统的畸变增加边缘视场的能量,同时利用光阑像差产生的有效像差渐晕来提高边缘视场的像面照度,边缘视场的相对照度达到98%以上.将天底视场光路和临边视场光路建立多重结构,利用ZEMXA-EE软件的多重结构优化功能同时优化设计天底视场光路和临边视场光路,设计结果表明,天底和临边视场的光学传递函数均大于0.6@38.5lp/mm,满足设计指标要求,且体积和质量小,适合空间应用.     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。     

基于参变下转换效应的光辐射定标方法

介绍了一种新型的基于参变下转换效应的光辐射绝对定标方法,利用固体钛宝石激光器倍频后产生的351 nm的激光光源抽运非线性BBO晶体,制备了一对简并的参变下转换光子对(波长为702 nm),并利用晶体的角度调谐特性,制备了另一对非简并的参变下转换光子对(波长为633 nm和789 nm).定标了光电倍增管的量子效率,介绍了实验原理和定标装置,系统分析了测量过程中引入的不确定度.结果表明,参变下转换效应光辐射定标方法的相对合成不确定度小于5.5%.参变下转换定标方法与传统的基于标准探测器的辐射定标方法作了一个比对,表明两种定标方法相对误差小于10%.     

紫外辐射照度计的余弦响应特性测试研究

采用所研制的紫外辐射照度计余弦响应特性测试平台,对21种市面上常用的商业紫外辐射照度计进行了余弦响应特性测试。测试结果表明,不同型号、不同探测器结构、不同漫射器材料的紫外辐射照度计的余弦响应特性差异较大,客观地反映了当前紫外辐射照度计的水平。当入射角为±10°时,余弦误差变化范围为0.03%～15.83%;当入射角为±30°时,余弦误差变化范围为1.85%～73.66%;当入射角为±60°时,余弦误差变化范围为1.82%～65.04%。在实际测量中,经常会用到大面积的紫外辐射光源或是形状不规则如长条形的紫外辐射光源,在测试时不能保证光线垂直入射到探测器,同时也不能满足点光近似条件,测试结果误差较大。通过测试可以准确地了解当前紫外辐射照度计的余弦响应特性,用于指导实际的实验测试,合理地调整测试条件以满足测试需求,必要时可进行相应的余弦误差修正。     

室内高压电弧/电晕的紫外特性分析和测量研究

随着我国电力技术的迅猛发展,因电弧/电晕放电造成高压设备损坏、高压线传输损耗的问题愈加引起重视。完成了电弧/电晕目标在200～1 000 nm的光谱特性测量,发现电弧电晕光谱强度分布主要集中在200～400 nm紫外波段。提出了使用紫外面阵成像技术用于探测研究电弧/电晕的方法,通过一套自制的紫外面阵成像系统,成功实现了对高压电弧/电晕目标进行的实验室内紫外成像,以及氙灯积分球辐射定标与目标反演。实验结果表明,该套紫外面阵成像系统可用于对电弧电晕放电进行实时检测。该研究验证了电弧/电晕的紫外辐射特性,在距离2 m处得到反演后的6 kV电弧的紫外240～280 nm波段的辐照度为3.39×10-5 W·cm-2,为深入开展电弧/电晕的紫外特性研究提供强有力的依据。     

高层非局地热力平衡大气对红外临边辐射的影响分析

采用大气逐线辐射传递计算模型——前向参考辐射模型(RFM),计算了高层大气在局地热力平衡状态(LTE)与非局地热力平衡状态(non-LTE)条件下主要大气分子红外光谱带的临边辐射。以定义的相对偏差为指标,分析了白天与夜间情况下non-LTE大气对红外临边辐射的影响,确定了LTE条件的大气高度适用范围,并对白天与夜间的临边辐射进行比较。分析结果表明,高层大气在non-LTE与LTE条件下的红外临边辐射有显著偏差,白天太阳抽运作用会增加这两种条件下的偏差。在白天与夜间环境下,部分光谱带的辐射会有明显差异。除白天CO24.3μm光谱带外,其他光谱带在60km以下non-LTE与LTE不会有较明显偏离,其中CO215μm光谱带能达到80km左右。分析结果可为高层大气辐射计算模型提拱理论基础。     

用PtNe灯对大气紫外成像光谱仪进行光谱定标

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气紫外成像光谱仪的特点,选取PtNe空心阴极放电灯作为定标光源,建立了定标装置,对仪器进行了光谱定标。通过对仪器的输出结果进行数据处理,得到了像元序号与波长的函数表达式。定标结果表明,大气紫外成像光谱仪光谱定标的不确定度为0.043 nm。     

针对SHS探测仪的中高层OH自由基临边观测仿真研究

大气OH自由基是大气中各组分光化学反应的重要媒介,对大气其他成分的形成和转化起重要作用。利用MLS传感器2005年-2009年的OH全球浓度数据产品构建OH浓度时空数据库和Lifbase光谱分析软件构建OH发射光谱数据库,改进了SCIATRAN辐射传输模型,计算了基于空间外差光谱(SHS)技术的探测仪的临边探测仿真图像,并提取了大气OH自由基荧光发射在观测能量中的贡献。基于辐射传输理论,通过定量计算分析了仿真过程中各个参量不确定度对仿真结果和OH荧光能量的定量影响。该研究结果不仅能为我国构建中高层OH自由基探测仪提供科学理论支撑,还能为探测仪器相关参数设计提供依据。     

空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标方法研究

空间调制干涉光谱成像仪不同于其他类型光谱成像仪,其像面上得到一维空间信息和一维光谱信息。由于其原理特殊,定标方法尚不成熟。介绍了一种用于空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的方法,即干涉光谱成像仪和光谱辐射度计同时采集目标辐射强度,复原采集干涉图得到的光谱图,与光谱辐射度计采集绝对光谱进行比对,得到定标系数,并分析了该方法达到的精度。结果表明：该方法可以满足空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的要求,定标精度达到5．74％。     

FY-4B GHI长波红外波段的发射前辐射表征和定标

静止轨道快速成像仪（GHI）是风云四号B星（FY-4B）的主要有效载荷之一。针对该仪器长波红外波段的大视场、高空间分辨率等特点,提出了相应的发射前辐射定标和表征方法。建立了一套定标系统装置,实现了长波红外波段的发射前辐射定标,定标不确定度优于0.67 K@300 K。测量并研究了长波红外波段的空间噪声特性。根据长波红外焦平面4个线阵的设计特点,提出了两种最佳成像探元选择方法,即基于信噪比最大化和响应信号固定图形噪声最小化的方法。测量并分析了这两种最佳成像探元组合线阵的温度探测灵敏度,均优于任务要求,平均水平达到了50～60 mK@300 K。评估了星上黑体参考标准的精度,星上黑体标称亮温比真实亮温偏低约0.42 K@300 K,该结果对黑体的在轨应用具有重要参考意义。     

高分五号多角度偏振探测仪可见光波段在轨辐射定标研究

对于无星上定标系统的大视场大气探测载荷,利用广阔的海洋无监测定标场(SNES)进行基于统计方法的在轨替代定标,是国际上公认和推荐的方法。基于大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)的载荷工作原理和一级数据产品的特点,在确定反射率基定标的基础上,通过海表双向反射率分布函数(BRDF)的大气传输仿真计算确定了合适的角度阈值,以降低非大气分子散射的干扰;同时对定标场的环境参量进行了统计分析,解决了统计定标中数据筛选与误差评估的核心问题,最终实现了DPC可见光波段在轨定标系数变化的精确评估。在考虑定标源和仪器实验室定标误差合成后,绝对辐射定标系数的最终定标误差在1.24%～4.76%之间。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.