紅外遙感器輻射定標(biāo)技術(shù)概述

楊林華，肖慶生，蔣山平

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星廣泛應(yīng)用于地球測繪、海洋觀測、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、地球資源探測等領(lǐng)域。在遙感衛(wèi)星發(fā)射前，其紅外遙感器需要在地面模擬空間環(huán)境下進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)試驗，以便建立其輸出數(shù)字量與入瞳輻射亮度之間的對應(yīng)關(guān)系，反演地物的光譜反射特性和光譜輻射特性，同時檢測遙感器的輻射響應(yīng)特性以及內(nèi)定標(biāo)裝置的工作性能[1]。

國際上非常重視紅外遙感器的輻射定標(biāo)技術(shù)，美國、歐洲、俄羅斯等均研制了大型輻射定標(biāo)設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于航天器試驗中，在研制、使用等方面積累了大量的實際經(jīng)驗。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對遙感技術(shù)的需求更加迫切，這為發(fā)展輻射定標(biāo)技術(shù)提供了機(jī)遇。

本文跟蹤研究了國外大型輻射定標(biāo)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能指標(biāo)以及研制和使用經(jīng)驗，針對目前我國的輻射定標(biāo)技術(shù)與國外的差距，提出了今后發(fā)展的一些思路。

1 國外典型輻射定標(biāo)設(shè)備

1.1 NASA 輻射定標(biāo)設(shè)備

1970年之前，衛(wèi)星紅外遙感器的定標(biāo)精度僅達(dá)到5%～10%的水平。為了滿足紅外遙感器1%定標(biāo)精度的需求[2-6]，美國NASA 在20世紀(jì)70年代建立 了紅外遙感器輻射定標(biāo)設(shè)備。該定標(biāo)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)采用離軸拋物面反射鏡系統(tǒng)，離軸角為9°，有效孔徑為630 mm，焦距為3000 mm；反射鏡的材料為零膨脹系數(shù)的微晶玻璃，鏡面鍍覆了金反射膜，其反射率達(dá)到98.5%。系統(tǒng)的點(diǎn)光源為溫度連續(xù)可調(diào)的黑體，在10.6 μm 波長處的發(fā)射率為0.999 9±0.000 1；在5～25 μm 譜段內(nèi)的定標(biāo)精度達(dá)到1%，定標(biāo)溫度范圍為80～300 K，測溫精度優(yōu)于0.01 K。

同時，該設(shè)備還配置了反射率和輻照度的原位測量裝置，分別如圖1和圖2所示。反射率原位測量裝置由輔助光學(xué)系統(tǒng)、中溫黑體和Hg-Cd-Te 探測器組成。其中輔助光學(xué)系統(tǒng)由離軸拋物面反射鏡和3 塊直徑為100 mm 的折光鏡組成，離軸拋物面反射鏡的有效口徑為178 mm、焦距1000 mm、離軸角9；中溫黑體的溫度為875 K。輻照度原位測量裝置包括輔助離軸拋物面準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、掃描鏡和中溫黑體。其中輔助離軸拋物面準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的口徑127 mm，離軸角20°。

圖1 反射率原位測量裝置Fig.1 In-situ reflectivity measurement system

圖2 輻照度原位測量裝置Fig.2 In-situ irradiance measurement system

1.2 美國AEDC 輻射定標(biāo)設(shè)備

從20世紀(jì)70年代開始，美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）經(jīng)過幾十年的發(fā)展，建立了多套能滿足空間和機(jī)載遙感器輻射定標(biāo)需要的設(shè)備，其中最著名的是7 V 和10 V 定標(biāo)設(shè)備。

1.2.1 7V 定標(biāo)設(shè)備

7 V 定標(biāo)設(shè)備能夠提供衛(wèi)星遙感器從可見光到遠(yuǎn)紅外的輻射定標(biāo)，其光學(xué)系統(tǒng)為雙鏡離軸反射式卡塞格林系統(tǒng)，焦距為16 500 mm，準(zhǔn)直光束的有效孔徑為500 mm，視場角為1.4；反射鏡表面鍍了增強(qiáng)銀膜和保護(hù)膜，在0.5～30 μm 之間的反射率高于88%[7-8]。該設(shè)備容器結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]，定標(biāo)系統(tǒng)光路如圖4所示[8]。

圖3 7 V 定標(biāo)設(shè)備容器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the 7 V chamber

圖4 輻射定標(biāo)系統(tǒng)光路Fig.4 Light path for the calibration system

1.2.2 10V 定標(biāo)設(shè)備

10 V 定標(biāo)設(shè)備具有閉環(huán)檢測的能力，能夠提供現(xiàn)實場景對多譜段的光電傳感器進(jìn)行性能檢測，從而大幅度提高了定標(biāo)技術(shù)水平。其光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)為四鏡系統(tǒng)，焦距為14 300 mm，準(zhǔn)直光束的有效孔徑為350 mm，視場角為1.4°，衍射極限為1.8 μm，目標(biāo)分辨率優(yōu)于1 mrad[9-11]。圖5是該設(shè)備的定標(biāo)系統(tǒng)原理[9]，圖6為該設(shè)備的容器結(jié)構(gòu)[9]。

圖5 10 V 定標(biāo)設(shè)備定標(biāo)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle of the calibration system for 10 V chamber

圖6 10 V 定標(biāo)設(shè)備容器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of 10 V chamber

1.3 Los Alamos 國家實驗室輻射定標(biāo)設(shè)備

20世紀(jì)90年代，美國Los Alamos 國家實驗室建立了一套可見/紅外輻射定標(biāo)裝置，用于光學(xué)和紅外遙感器的絕對輻射定標(biāo)[12-13]。其光學(xué)系統(tǒng)采用離軸拋物鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)，準(zhǔn)直鏡口徑530 mm，焦距1700 mm。設(shè)備的真空度達(dá)到1.33×10-4Pa。

標(biāo)準(zhǔn)輻射源放置在光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)處，輻射源包括兩個黑體、一個積分球、一臺單色儀、一臺干涉儀，定標(biāo)譜段范圍為0.4～12 μm。所有輻射源的標(biāo)定在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）進(jìn)行，使得在可見光、近紅外（0.4～2.5 μm）、紅外（2.5～12 μm）譜段內(nèi)絕對定標(biāo)精度均達(dá)到±3%。該設(shè)備還用于偏振、光譜效應(yīng)、空間分辨率等的標(biāo)定。設(shè)備配備了兩組光闌，其中一組被冷卻，用于紅外定標(biāo)；另一組為可見光光闌，用于在室溫下對可見光進(jìn)行定標(biāo)。整個裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示[13]。

圖7 Los Alamos 國家實驗室輻射定標(biāo)裝置Fig.7 Radiometric calibration station in Los Alamos National Laboratory

1.4 Lockheed 公司輻射定標(biāo)設(shè)備

美國Lockheed 公司的低背景紅外輻射定標(biāo)設(shè)備是為完成遠(yuǎn)紅外探測器的輻射定標(biāo)試驗而研制的。它包括光學(xué)、目標(biāo)模擬、數(shù)據(jù)獲取等系統(tǒng)，具有大動態(tài)范圍的多譜段輻射光源，優(yōu)質(zhì)的大口徑、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，低溫黑體和20 K 冷屏等[14-16]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示[14]，定標(biāo)原理如圖9所示[16]。

圖8 Lockheed 輻射定標(biāo)設(shè)備Fig.8 Lockheed Sensor Test Facility(STF)

圖9 STF 的輻射定標(biāo)原理Fig.9 STF’s sensor calibration principle

1.4.1 光學(xué)系統(tǒng)

該設(shè)備的定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)是離軸反射式R-C系統(tǒng)，焦距為12 700 mm，準(zhǔn)直光束的有效直徑為600 mm，視場角為±1.5°。光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了很好的近軸校正，無漸暈離軸視場為±0.5°。光學(xué)系統(tǒng)的軸上幾何彌散圓在波長為10.0 μm 時小于30 μrad，離軸幾何彌散圓在波長為10 μm、視場為±0.5°時小于50 μrad。

1.4.2 輻射光源

該設(shè)備中有標(biāo)準(zhǔn)黑體和積分球輻射源。標(biāo)準(zhǔn)黑體的溫度范圍為100～450 K，長期溫度變化（穩(wěn)定性）為0.1 K，短期穩(wěn)定性為0.02 K/h；采用鉑電阻測溫；在10 個位置開有10 個孔，分別輸出不同的輻照度；向探測器提供調(diào)制光束，調(diào)制頻率范圍為0～100 Hz。積分球輻射源提供低能量的目標(biāo)信號，并能覆蓋一個很寬的動態(tài)譜段范圍。它包含3 個獨(dú)立的積分球：一個是黑體光源，與其相對的一個是小膜片熱源，中間的積分球為輸出球。在積分器輸出口的前面，裝有間斷變化的濾光片和光闌，調(diào)制頻率0～100 Hz。

1.5 法國Orsay 太空紅外觀測相機(jī)（ISOCAM）輻射定標(biāo)設(shè)備

在ISOCAM 組裝到望遠(yuǎn)鏡之前，將其置于模擬的光、熱、機(jī)械和電環(huán)境下進(jìn)行輻射定標(biāo)，并對遙感器的性能進(jìn)行驗證和評估[17-19]。另外，通過這些試驗可以掌握儀器的使用方法，獲得標(biāo)定觀測結(jié)果以及處理數(shù)據(jù)的方法等。定標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)成如 圖10所示[17]。

圖10 法國ISOCAM 定標(biāo)設(shè)備Fig.10 France calibration system for ISOCAM

1.5.1 光學(xué)系統(tǒng)及定標(biāo)原理

定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)實際上是一個望遠(yuǎn)模擬鏡，它包含了1 個f/15 的球面反射鏡和2 個平面折光反射鏡。ISOCAM 安裝在一個φ1000 mm 且用液氦循環(huán)冷卻的光學(xué)平臺上，可在2.5～4.5 K 的溫度范圍內(nèi)控溫，控溫穩(wěn)定性為±0.1 K/h。

定標(biāo)時望遠(yuǎn)模擬鏡將光源成像到ISOCAM 的焦面上，而成像系統(tǒng)的光瞳由成像反射鏡決定，它到ISOCAM 的距離與ISOCAM 到望遠(yuǎn)模擬鏡次鏡的距離相等，得到與望遠(yuǎn)模擬鏡等價的光束（f/15）。輸出光束在進(jìn)入ISOCAM 的視場之前，先被偏振。同時，光譜定標(biāo)系統(tǒng)將一束單色光通過ZnSe 窗口從容器外面輸入到擴(kuò)展光源，對模擬光源進(jìn)行實時光譜定標(biāo)。

1.5.2 模擬光源

該定標(biāo)裝置有2 個黑體，其中1 個是點(diǎn)光源，另1 個是擴(kuò)展光源，它們分別輸入到兩個積分球，形成均勻的輻照面。模擬光源的輸出口徑由不同的光闌確定，再利用不同的濾光片獲得需要的光譜，光譜的衰減因子為10-8～10-4。點(diǎn)光源裝在x、y、z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，光源的大小為φ80 μm。黑體的溫度范圍為150～459 K。

1.6 德國APEX 輻射定標(biāo)設(shè)備

歐空局在德國航天中心（DLR）建立了APEX輻射定標(biāo)設(shè)備[20]，如圖11所示，專門用來進(jìn)行機(jī)載棱鏡試驗的超光譜成像光譜儀的地面定標(biāo)，也能夠滿足其他成像光譜儀的定標(biāo)需求。從定標(biāo)設(shè)備兩端發(fā)射的信號可以進(jìn)行選擇，一端可以進(jìn)行空間定標(biāo)，通過使用1 個離軸準(zhǔn)直光束和6 個不同寬度與方向的狹縫，從而在沿著出射方向和垂直出射方向上測量出線擴(kuò)展函數(shù)（LSF）；從另一端可以進(jìn)行光譜定標(biāo)，通過一個單色儀可以提供380 nm～ 13 μm 譜段，以及帶寬在0.1 μm 至5 μm 之間的輻射光[21-22]。

圖11 APEX 輻射定標(biāo)設(shè)備布局圖[20]Fig.11 APEX radiometric calibration equipment

1.7 俄羅斯大型輻射定標(biāo)設(shè)備

俄羅斯遙感器的輻射定標(biāo)技術(shù)具有國際水平。俄羅斯天文和大氣物理研究所（IAAP）的空間研究試驗室建立了空間遙感器的輻射定標(biāo)設(shè)備及多種標(biāo)準(zhǔn)輻射源。定標(biāo)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)為離軸式拋物反射鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)，其口徑為300 mm，焦距f為 3000 mm，曾對“Salyut 4”、“Salyut 6”、“Salyut 7”空間站的輻射計和其他遙感衛(wèi)星的遙感器進(jìn)行了輻射定標(biāo)試驗，其定標(biāo)譜段從紫外到遠(yuǎn)紅外。

俄羅斯瓦維洛夫空間光學(xué)技術(shù)研究所建有立式輻射定標(biāo)設(shè)備，用于空間光學(xué)遙感器在模擬空間環(huán)境下的輻射定標(biāo)。系統(tǒng)定標(biāo)的溫度范圍為80～-150 ℃；定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)口徑為600 mm。

2 我國紅外遙感器輻射定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展

衛(wèi)星紅外遙感器在模擬空間環(huán)境下的輻射定標(biāo)技術(shù)綜合了光學(xué)、機(jī)械、真空、低溫、控制、測試等多種技術(shù)，定標(biāo)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大，是遙感衛(wèi)星研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我國曾在資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等研制中完成了遙感器的輻射定標(biāo)試驗，初步掌握了衛(wèi)星遙感器的輻射定標(biāo)技術(shù)[23-25]，但對于空間光學(xué)遙感器在模擬空間環(huán)境下輻射定標(biāo)技術(shù)的研究還處在初級階段。為了縮小與國外的技術(shù)差距，提出發(fā)展建議如下：

1）追蹤國外定標(biāo)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，包括光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)原位測量技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)源光譜輻亮度、輻照度的原位測量技術(shù)等，作好前期的技術(shù)論證；

2）開展在模擬空間環(huán)境下定標(biāo)系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)原位測量技術(shù)研究，提高定標(biāo)精度；

3）引進(jìn)紅外光譜輻亮度計，開展在模擬空間環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)源光譜輻亮度、輻照度的原位測量標(biāo)定。

目前，我國雖然有氣象衛(wèi)星輻射定標(biāo)設(shè)備、資源衛(wèi)星紅外多光譜掃描儀輻射定標(biāo)設(shè)備，但都受到型號的局限，通用性不夠。因此，有必要在“資源一號”衛(wèi)星紅外多光譜掃描儀定標(biāo)設(shè)備的基礎(chǔ)上，再建立一套大型的、通用的地面綜合輻射定標(biāo)設(shè)備，以解決目前我國輻射定標(biāo)的型號局限性，滿足未來研制不同通光口徑、不同焦距、不同分辨率和不同響應(yīng)譜段的空間探測光學(xué)遙感器的需要。

3 結(jié)束語

通過對國外輻射定標(biāo)技術(shù)的跟蹤分析，可以進(jìn)一步明確我國在這個領(lǐng)域的發(fā)展方向。針對我國航天事業(yè)的發(fā)展，應(yīng)著手制定相應(yīng)的計劃，開展關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究，尤其是在模擬空間環(huán)境下原位定標(biāo)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)溫控技術(shù)和輻射定標(biāo)精度分析技術(shù)等；加強(qiáng)與國外的技術(shù)合作和交流，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，不斷完善我國現(xiàn)有的測試手段，提高衛(wèi)星遙感器輻射定標(biāo)的技術(shù)能力和水平，以滿足不同型號遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)的需求。

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