薛浩，紀(jì)振華，藺超，韋躍峰

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

CO2探測儀星上輻射定標(biāo)設(shè)計(jì)方法的研究

薛浩，紀(jì)振華，藺超，韋躍峰

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

為了使CO2探測儀性能變化得到校正，對(duì)CO2探測儀的星上輻射定標(biāo)方法進(jìn)行了研究。首先，利用穩(wěn)定輻射源太陽與漫反射板相結(jié)合實(shí)現(xiàn)CO2探測儀探測器絕對(duì)輻射定標(biāo)，其次，以定標(biāo)燈、漫反射板與定標(biāo)探測器相結(jié)合的方法對(duì)漫反射板反射率進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)CO2探測儀的相對(duì)輻射定標(biāo)。最后，采用雙定標(biāo)燈、雙定標(biāo)探測器相互比對(duì)的方法對(duì)定標(biāo)燈、定標(biāo)探測器的性能變化進(jìn)行校正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2探測儀的高精度星上輻射定標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：星上定標(biāo)燈穩(wěn)定性優(yōu)于1%，星上定標(biāo)探測器線性度優(yōu)于0.01%。方案可以實(shí)現(xiàn)CO2探測儀絕對(duì)輻射定標(biāo)5%，相對(duì)輻射定標(biāo)3%的精度要求。

星上輻射定標(biāo)；漫反射板；星上定標(biāo)燈；絕對(duì)定標(biāo)；相對(duì)定標(biāo)

CO2探測儀的應(yīng)用以定量化的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定標(biāo)。其定標(biāo)包括輻射定標(biāo)和光譜定標(biāo)兩方面。發(fā)射過程中以及在軌運(yùn)行期間，探測儀的光學(xué)、結(jié)構(gòu)和電子學(xué)部件會(huì)發(fā)生性能改變，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)建立的數(shù)字化輸出和地面景物輻亮度之間的關(guān)系發(fā)生改變，同時(shí)也會(huì)使像面上譜線位置發(fā)生改變。為了得到準(zhǔn)確的光譜圖像數(shù)據(jù)，必須對(duì)這些變化進(jìn)行校正，這就要求在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)CO2探測儀進(jìn)行星上定標(biāo)。隨著對(duì)星上定標(biāo)精度和可靠性要求的提高，多種定標(biāo)方法綜合應(yīng)用已經(jīng)成為星上定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文采用外部參考標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)與內(nèi)部參考定標(biāo)方案相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CO2探測儀的高精度星上輻射定標(biāo)［1-5］。

1 太陽+漫反射板輻射定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 太陽+漫反射板輻射定標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)高精度的絕對(duì)輻射定標(biāo)，必須具有一個(gè)高度穩(wěn)定的光源。太陽的輻射總量近似為1365W/m2，其中短波輻射占99.5%，長波輻射占0.5%。地球輻射量衛(wèi)星（ERBS）實(shí)測資料表明，1984年到1999年期間太陽輻射的變化量小于0.2%，可以實(shí)現(xiàn)較高的絕對(duì)輻射定標(biāo)。

CO2探測儀基于太陽+漫反射板的輻射定標(biāo)方法，利用了太陽作為穩(wěn)定輻射源的優(yōu)點(diǎn)，通過太陽直接照明指向反射鏡的漫反射面進(jìn)而均勻照明儀器入瞳，入瞳亮度與地氣系統(tǒng)亮度處于同一量級(jí)，便于在儀器對(duì)地觀測工作點(diǎn)上校準(zhǔn)輻射定標(biāo)系數(shù)，通過漫射板前的兩組探測器組件，對(duì)漫射板長期穩(wěn)定性進(jìn)行定量監(jiān)測。該定標(biāo)方法的原理如圖1所示。

圖1 太陽+漫反射板的星上輻射定標(biāo)方法原理圖

太陽+漫反射板的輻射定標(biāo)需要調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，使載荷Zp軸繞Xp偏轉(zhuǎn)5°，令Zc軸指向太陽（避免太陽輻射直射CAPI），載荷方位如圖2所示。此外考慮到載荷入地影前的性能狀態(tài)與對(duì)地觀測時(shí)較為一致，且與對(duì)地觀測區(qū)分，太陽+漫反射板輻射定標(biāo)的常規(guī)實(shí)施設(shè)計(jì)在衛(wèi)星入地影前的極地區(qū)域進(jìn)行。

圖2 基于太陽+漫反射板定標(biāo)的載荷方位示意圖

太陽+漫反射板輻射定標(biāo)時(shí)，太陽到達(dá)CO2探測儀的輻射通量密度Is(λ) 由式（1）定義：

式中：Im(λ) 表示日地平均距離上的太陽光譜輻射通量密度；e0表示地球軌道偏心率訂正因子。

通過衛(wèi)星指向，使在CO2探測儀與太陽直射入射方向相對(duì)固定的條件下，漫反射板的輻射亮度L(λ),dn可由式（2）計(jì)算：

式中：f(α,β)表示漫反射板與太陽直射方向夾角的角度修正因子，α,β分別為太陽直射光相對(duì)漫反射板的入射天頂角和入射方位角；BRDF(λ),dn表示漫反射板雙向反射分布函數(shù)；

根據(jù)式（3）即可完成對(duì)探測儀絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的在軌校驗(yàn)。

漫射板經(jīng)老化實(shí)驗(yàn)后，其太陽定標(biāo)方位下的雙向反射分布函數(shù)可通過現(xiàn)有反射率測量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)記錄監(jiān)視探測器地面試驗(yàn)輸出數(shù)值作為星上漫射板衰減監(jiān)測的先驗(yàn)數(shù)據(jù)［6］。

1.2 監(jiān)視探測器輸出信噪比計(jì)算

太陽在地球大氣層邊沿的全波段輻照度為1358.79W/m2。儀器所采用的監(jiān)視探測器只針對(duì)儀器所需的波段進(jìn)行監(jiān)測。太陽表面色溫約為6000K，太陽輻射譜可以用6000K的黑體輻射來估計(jì)。對(duì)于有效波段λ1～λ2內(nèi)太陽的輻照度為：

漫反射板與太陽入射方向成45°，因此λ1～λ2太陽在漫反射板上的照度為：

漫反射板在探測器處的亮度為：

探測器接收面處的輻照度為：

探測器的有效面積為A，則探測器接收的輻射通量為：

因此根據(jù)公式計(jì)算得到探測器的信噪比如表1所示。

表1 探測器信噪比計(jì)算結(jié)果

1.3 太陽+漫反射板絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度分析

太陽+漫反射板絕對(duì)輻射定標(biāo)下的不確定度分析［7］如表2所示。

表2中漫反射板測量不確定度包括光源不穩(wěn)定性（1%）、雜散光影響（1%）、機(jī)械定位誤差（1%）以及光譜輻射計(jì)響應(yīng)漂移（1%）的影響。絕對(duì)輻射定標(biāo)總的合成不確定度為3.8%，滿足星上優(yōu)于5%的絕對(duì)輻射定標(biāo)要求。

表2 太陽+漫反射板輻射標(biāo)定的不確定度來源與不確定度（K=1）

2 定標(biāo)燈+漫反射板輻射定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)的設(shè)計(jì)

星上定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)的原理設(shè)計(jì)如圖3所示。在儀器的指向反射鏡前方安裝兩只光源和一套探測器，光源采用壽命長、色溫高的鹵鎢燈，探測器選用硅和InGaAs探測器，共兩組探測器，每組三個(gè)，采用與CO2探測儀帶寬相近的窄帶濾光片，分別監(jiān)視0.76μm、1.61μm和2.06μm三個(gè)通道的輻射變化。指向反射鏡的一面為光學(xué)反射面，另一面為漫反射面，通過星上定標(biāo)裝置定標(biāo)時(shí)，漫反射面正對(duì)著光學(xué)系統(tǒng)的入口，打開一只定標(biāo)燈，光源照亮漫反射板，定標(biāo)光經(jīng)漫射板朗伯散射后，一部分光充滿光學(xué)系統(tǒng)孔徑用于儀器的輻射定標(biāo)，另一部分光則被監(jiān)視探測器接收，用以監(jiān)測光強(qiáng)度的變化。

圖3 定標(biāo)燈+漫反射板輻射定標(biāo)組件配置圖

定標(biāo)燈組件與探測器組件在漫反射板上的照明和接收區(qū)域如圖4所示。

星上定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)系統(tǒng)可均勻照明CO2探測儀孔徑，由于前置漫射板是性能優(yōu)良的朗伯輻射體，因此由星上定標(biāo)標(biāo)定時(shí)儀器的入瞳輻亮度可在實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)完成后由CO2探測儀實(shí)測得出。

圖4 定標(biāo)燈與定標(biāo)探測器在漫反射板上的照明和接收區(qū)域

星上定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)視儀器在軌輻射性能的變化，因此需要對(duì)子系統(tǒng)引入的漫射體和光源的穩(wěn)定性進(jìn)行精確的監(jiān)測，方案分別配置了兩套燈和探測器組件用于光源和漫射體的衰變監(jiān)視。具體的子系統(tǒng)自身衰變監(jiān)測的方法如下，在載荷長期運(yùn)行中，定標(biāo)燈1常開，完成常規(guī)標(biāo)定作業(yè)，通過2套標(biāo)準(zhǔn)探測器監(jiān)測漫射板3個(gè)窄帶波段輻射通量的時(shí)間衰變序列，進(jìn)而對(duì)漫射板的反射特性進(jìn)行在軌修正。定標(biāo)燈2的開啟頻次遠(yuǎn)少于定標(biāo)燈1，通過對(duì)同一時(shí)段雙燈交替開啟狀態(tài)下探測器接收到的數(shù)值比值，對(duì)定標(biāo)燈1的強(qiáng)度衰減特性進(jìn)行在軌修正，定標(biāo)燈2同時(shí)作為定標(biāo)燈1的在軌備份，增加了星上定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)子系統(tǒng)的可靠性。

定標(biāo)燈采用的鹵鎢燈光源是星上定標(biāo)的常用輻射源，具有體積小、電功率低、色溫高、壽命長等特點(diǎn)。在定標(biāo)燈壽命設(shè)定上，單次定標(biāo)時(shí)長按15分鐘設(shè)計(jì)，長期運(yùn)行定標(biāo)頻次按1天1次估算，則在載荷3年使用壽命約束下，定標(biāo)燈在軌壽命需達(dá)到270h，依據(jù)地面試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，定標(biāo)燈地面試驗(yàn)時(shí)間與在軌壽命相當(dāng)，總計(jì)需達(dá)到540h的使用壽命，為確保在軌可靠性，要求定標(biāo)鹵鎢燈的有效壽命≥2000h。鹵鎢燈使用前需要經(jīng)過振動(dòng)和老練篩選，根據(jù)我國電光源現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，普通溴鎢燈的抗震實(shí)驗(yàn)僅為幾個(gè)g（正弦或隨機(jī)、振幅＜l0mm、20～30分鐘），不能滿足發(fā)射運(yùn)行要求。因此考慮從國外商品燈中大量篩選或讓有關(guān)技術(shù)部門設(shè)計(jì)加工，考慮進(jìn)度周期，確定采用OSRAM公司12V/5W的溴鎢燈，燈壽命為2000h以上。

定標(biāo)燈的供電要求較高，需采用光反饋電路來控制標(biāo)準(zhǔn)燈的電源，以達(dá)到穩(wěn)定光輻射的作用，在供電電源中設(shè)計(jì)一個(gè)電源控制電路，以解決光源供電緩慢升降的問題，按以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，光源穩(wěn)定度可達(dá)到0.5%/h。

漫反射板的漫射特性是子系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，漫射板采用鋁合金基底，通過手工研磨和化學(xué)腐蝕工藝對(duì)鋁板表面進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得優(yōu)良的漫反射面。

2.2 漫反射板的輻亮度與監(jiān)視探測器的信噪比計(jì)算

所選定標(biāo)燈為12V/5W，鹵素?zé)舭l(fā)射功率約為0.3，定標(biāo)燈位于橢球鏡焦點(diǎn)處，在4π空間內(nèi)約有70%的光經(jīng)橢球鏡會(huì)聚后入射到漫反射板上。因此，漫反射板上所接收的輻射能通量為1.05W。光源組件在漫反射板處形成半徑為R1=120mm的圓。探測器為F數(shù)為2，在漫反射板處的投影半徑約為R2=80mm。因此，在漫反射板相對(duì)于探測器的有效輻射能通量：

漫反射板上的照度為：

漫反射板為漫反射率70%的朗伯體，因此在任意方向上漫反射板的亮度：

因此探測器上的照度可由下式進(jìn)行估算：

無濾光片時(shí)探測器接收面的輻射能通量如下式所示，其中Ad為探測器面積：

則各探測器表面的輻射能通量如表3所示。

表3 探測器表面輻射能通量

定標(biāo)燈的色溫為2700K，其光譜分布可用黑體輻射光譜來估算。黑體的輻射出射度為：

在λ1～λ2波段內(nèi)，定標(biāo)燈光輻射通量占全波段的比例如下：

因此，考慮濾波片的透過率影響，探測器在波段λ1～λ2內(nèi)接收到的輻射能量為：

探測器的平均響應(yīng)度為探測器的信噪比為：

經(jīng)計(jì)算定標(biāo)燈定標(biāo)模式下探測器的信噪比如表4所示。

表4 探測器信噪比計(jì)算值

2.3 漫反射板的測試結(jié)果

CO2探測儀在軌定標(biāo)時(shí)，漫反射板表面的垂直方向Zg處于與載荷坐標(biāo)軸Zp-45°或-90°位置。這兩種狀態(tài)下，星上定標(biāo)燈和太陽光以正入射或45°方向照射在漫射板上，故對(duì)這兩種入射光狀態(tài)下的漫反射板進(jìn)行了角度均勻性和面均勻性測試。測試裝置如圖5所示。

圖5 漫反射板測試裝置圖

通過漫反射特性的測試裝置圖可知，鹵鎢燈發(fā)出的光經(jīng)平行光管準(zhǔn)直后照射在指向鏡模擬件上，并通過1°視場角的瞄準(zhǔn)器采集。ASD地物光譜儀對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以輻亮度的形式顯示在顯示器上。通過多維調(diào)整臺(tái)的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)指向鏡模擬件正入射條件下的漫射特性、45°入射條件下的漫射特性及面均勻性等測試。

圖6 正入射下的漫射特性測試布局

圖7 45°入射下的漫射特性測試布局

圖8 45°入射下的漫反射板的面均勻性

正入射下的漫射特性測試布局如圖6所示，45°入射下的漫射特性測試布局如圖7所示，圖8中的測試結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)白板的均勻性優(yōu)于0.84%，漫反射板的均勻性優(yōu)于1.67%。

2.4 定標(biāo)燈+漫反射板定標(biāo)不確定度分析

采用星上定標(biāo)燈+漫反射板的絕對(duì)輻射標(biāo)定不確定度如表5所示。

由表5可知，采用星上定標(biāo)燈+漫反射板進(jìn)行絕對(duì)輻射標(biāo)定由于增加了對(duì)地面輻射標(biāo)準(zhǔn)的溯源環(huán)節(jié)，定標(biāo)不確定度較大，而進(jìn)行相對(duì)輻射校準(zhǔn)時(shí)，引入不確定度環(huán)節(jié)主要包括定標(biāo)燈輸出不穩(wěn)定度（0.5%）、非均勻性（1.5%）、非余弦誤差（1.5%）以及響應(yīng)非線性不確定度1%，相對(duì)輻射定標(biāo)總的合成不確定度為2.4%，滿足星上優(yōu)于3%的相對(duì)輻射定標(biāo)要求。

表5 定標(biāo)燈+漫反射板的不確定度來源與不確定度（K=1）

3 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 星上定標(biāo)燈穩(wěn)定性測試

一般而言，星上定標(biāo)燈必須在外太空真空環(huán)境下工作3-5年甚至更長時(shí)間。而輻射定標(biāo)光源作為輻射量已知，輻射輸出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源使用，其長期工作狀態(tài)下輻射強(qiáng)度的穩(wěn)定性是滿足星上輻射定標(biāo)要求的基本前提。因此，需要在地面對(duì)星上定標(biāo)燈的穩(wěn)定性進(jìn)行測試。

測試方法：將定標(biāo)燈置于直徑0.5m的積分球內(nèi)，并采用靜電計(jì)對(duì)定標(biāo)燈的輻亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖9為定標(biāo)燈穩(wěn)定性曲線。經(jīng)過10分鐘的待穩(wěn)定時(shí)間后，定標(biāo)燈的輻亮度變化不超過1%。

圖9 星上定標(biāo)燈穩(wěn)定曲線

3.2 監(jiān)視探測器響應(yīng)線性度測試

標(biāo)定的系統(tǒng)在軌運(yùn)行后，漫反射板和光源的自身衰減將極大地影響標(biāo)定精度，因此需基于探測器標(biāo)準(zhǔn)定量監(jiān)測衰減程度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)漫反射板和光源自身衰減的準(zhǔn)確監(jiān)測，要求監(jiān)視探測器具有較高的信噪比和較好的響應(yīng)線性。圖10給出了不同輻射亮度情況下監(jiān)視探測器的響應(yīng)。結(jié)果表明三個(gè)通道探測器的響應(yīng)非線性均小于0.1%。

圖10 三個(gè)通道探測器的響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文結(jié)合CO2探測儀星上輻射定標(biāo)的實(shí)際需求，采用太陽光源定標(biāo)與星上定標(biāo)燈定標(biāo)相結(jié)合，絕對(duì)輻射定標(biāo)與相對(duì)輻射定標(biāo)相結(jié)合，并輔以備份比對(duì)的方法，給出了CO2探測儀星上輻射定標(biāo)的方案設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明漫反射板的均勻性優(yōu)于1.67%，定標(biāo)燈輻射亮度變化小于1%，監(jiān)視探測器線性度優(yōu)于0.01。該方案綜合定標(biāo)精度滿足CO2探測儀星上絕對(duì)輻射定標(biāo)5%，相對(duì)輻射定標(biāo)3%的要求。

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Research on Design Method of Radiometric Calibration in Orbit of CO2 Detector

XUE Hao，JI Zhenhua，LIN Chao，WEI Yuefeng
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

In order to make the changes in performance of CO2 detector get corrected，it studied the method of satellite radiometric calibration of CO2 detector.Firstly，it used the combination of the sun and diffuse board to achieve absolute radiometric calibration of detectors on CO2 detector.Secondly，to get a relative radiometric calibration，it monitored the reflectivity of diffuse board through a combination of calibration lamp，diffuse board and calibration detector. Finally，it corrected the performance changes in the calibration lamps and calibration detectors using the method of comparison dual calibration lamps and dual calibration detectors.And then，it realized high-precision satellite radiometric calibration on the CO2 detector.The experimental results showed that the calibration lamp's stability was better than 1%，the calibration detector's linearity was better than 0.01%.All in all，the absolute and relative radiometric calibration accuracy on CO2 detector met the requirement of accuracy，which were 5%and 3%.

radiometric calibration in orbit；diffuse board；calibration lamp in orbit；absolute calibration；relative calibration

TP394.1；TH691.9

A

1672-9870（2015）04-0006-06

2015-05-10

薛浩（1988-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，E-mail：1988xuehao@163.com