CO2探測儀星上輻射定標設計方法的研究

薛浩，紀振華，藺超，韋躍峰

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

CO2探測儀星上輻射定標設計方法的研究

薛浩，紀振華，藺超，韋躍峰

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

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

星上輻射定標；漫反射板；星上定標燈；絕對定標；相對定標

CO2探測儀的應用以定量化的數(shù)據為基礎，因此需要對其進行準確定標。其定標包括輻射定標和光譜定標兩方面。發(fā)射過程中以及在軌運行期間，探測儀的光學、結構和電子學部件會發(fā)生性能改變，導致實驗室輻射定標建立的數(shù)字化輸出和地面景物輻亮度之間的關系發(fā)生改變，同時也會使像面上譜線位置發(fā)生改變。為了得到準確的光譜圖像數(shù)據，必須對這些變化進行校正，這就要求在實驗室定標的基礎上對CO2探測儀進行星上定標。隨著對星上定標精度和可靠性要求的提高，多種定標方法綜合應用已經成為星上定標技術的發(fā)展趨勢。本文采用外部參考標準定標與內部參考定標方案相結合，實現(xiàn)CO2探測儀的高精度星上輻射定標［1-5］。

1 太陽+漫反射板輻射定標系統(tǒng)設計

1.1 太陽+漫反射板輻射定標

為了實現(xiàn)高精度的絕對輻射定標，必須具有一個高度穩(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%，可以實現(xiàn)較高的絕對輻射定標。

CO2探測儀基于太陽+漫反射板的輻射定標方法，利用了太陽作為穩(wěn)定輻射源的優(yōu)點，通過太陽直接照明指向反射鏡的漫反射面進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，便于在儀器對地觀測工作點上校準輻射定標系數(shù)，通過漫射板前的兩組探測器組件，對漫射板長期穩(wěn)定性進行定量監(jiān)測。該定標方法的原理如圖1所示。

圖1 太陽+漫反射板的星上輻射定標方法原理圖

太陽+漫反射板的輻射定標需要調整衛(wèi)星姿態(tài)，使載荷Zp軸繞Xp偏轉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)與對地觀測時較為一致，且與對地觀測區(qū)分，太陽+漫反射板輻射定標的常規(guī)實施設計在衛(wèi)星入地影前的極地區(qū)域進行。

圖2 基于太陽+漫反射板定標的載荷方位示意圖

太陽+漫反射板輻射定標時，太陽到達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固定的條件下，漫反射板的輻射亮度L(λ),dn可由式（2）計算：

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)；

根據式（3）即可完成對探測儀絕對輻射定標系數(shù)的在軌校驗。

漫射板經老化實驗后，其太陽定標方位下的雙向反射分布函數(shù)可通過現(xiàn)有反射率測量設備進行監(jiān)測，同時記錄監(jiān)視探測器地面試驗輸出數(shù)值作為星上漫射板衰減監(jiān)測的先驗數(shù)據［6］。

1.2 監(jiān)視探測器輸出信噪比計算

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)視探測器只針對儀器所需的波段進行監(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。對于有效波段λ1～λ2內太陽的輻照度為：

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：

因此根據公式計算得到探測器的信噪比如表1所示。

表1 探測器信噪比計算結果

1.3 太陽+漫反射板絕對輻射定標不確定度分析

太陽+漫反射板絕對輻射定標下的不確定度分析［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%）、機械定位誤差（1%）以及光譜輻射計響應漂移（1%）的影響。絕對輻射定標總的合成不確定度為3.8%，滿足星上優(yōu)于5%的絕對輻射定標要求。

表2 太陽+漫反射板輻射標定的不確定度來源與不確定度（K=1）

2 定標燈+漫反射板輻射定標系統(tǒng)設計

2.1 定標燈+漫反射板定標的設計

星上定標燈+漫反射板定標的原理設計如圖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，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三個通道的輻射變化。指向反射鏡的一面為光學反射面，另一面為漫反射面，通過星上定標裝置定標時，漫反射面正對著光學系統(tǒng)的入口，打開一只定標燈，光源照亮漫反射板，定標光經漫射板朗伯散射后，一部分光充滿光學系統(tǒng)孔徑用于儀器的輻射定標，另一部分光則被監(jiān)視探測器接收，用以監(jiān)測光強度的變化。

圖3 定標燈+漫反射板輻射定標組件配置圖

定標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。

星上定標燈+漫反射板定標系統(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，因此由星上定標標定時儀器的入瞳輻亮度可在實驗室輻射定標完成后由CO2探測儀實測得出。

圖4 定標燈與定標探測器在漫反射板上的照明和接收區(qū)域

星上定標燈+漫反射板定標系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)視儀器在軌輻射性能的變化，因此需要對子系統(tǒng)引入的漫射體和光源的穩(wěn)定性進行精確的監(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，在載荷長期運行中，定標燈1常開，完成常規(guī)標定作業(yè)，通過2套標準探測器監(jiān)測漫射板3個窄帶波段輻射通量的時間衰變序列，進而對漫射板的反射特性進行在軌修正。定標燈2的開啟頻次遠少于定標燈1，通過對同一時段雙燈交替開啟狀態(tài)下探測器接收到的數(shù)值比值，對定標燈1的強度衰減特性進行在軌修正，定標燈2同時作為定標燈1的在軌備份，增加了星上定標燈+漫反射板定標子系統(tǒng)的可靠性。

定標燈采用的鹵鎢燈光源是星上定標的常用輻射源，具有體積小、電功率低、色溫高、壽命長等特點。在定標燈壽命設定上，單次定標時長按15分鐘設計，長期運行定標頻次按1天1次估算，則在載荷3年使用壽命約束下，定標燈在軌壽命需達到270h，依據地面試驗經驗，定標燈地面試驗時間與在軌壽命相當，總計需達到540h的使用壽命，為確保在軌可靠性，要求定標鹵鎢燈的有效壽命≥2000h。鹵鎢燈使用前需要經過振動和老練篩選，根據我國電光源現(xiàn)行標準，普通溴鎢燈的抗震實驗僅為幾個g（正弦或隨機、振幅＜l0mm、20～30分鐘），不能滿足發(fā)射運行要求。因此考慮從國外商品燈中大量篩選或讓有關技術部門設計加工，考慮進度周期，確定采用OSRAM公司12V/5W的溴鎢燈，燈壽命為2000h以上。

定標燈的供電要求較高，需采用光反饋電路來控制標準燈的電源，以達到穩(wěn)定光輻射的作用，在供電電源中設計一個電源控制電路，以解決光源供電緩慢升降的問題，按以往試驗經驗，光源穩(wěn)定度可達到0.5%/h。

漫反射板的漫射特性是子系統(tǒng)的關鍵特性，漫射板采用鋁合金基底，通過手工研磨和化學腐蝕工藝對鋁板表面進行處理，進而獲得優(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算

所選定標燈為12V/5W，鹵素燈發(fā)射功率約為0.3，定標燈位于橢球鏡焦點處，在4π空間內約有70%的光經橢球鏡會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行估算：

無濾光片時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，定標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內接收到的輻射能量為：

探測器的平均響應度為探測器的信噪比為：

經計算定標燈定標模式下探測器的信噪比如表4所示。

表4 探測器信噪比計算值

2.3 漫反射板的測試結果

CO2探測儀在軌定標時，漫反射板表面的垂直方向Zg處于與載荷坐標軸Zp-45°或-90°位置。這兩種狀態(tài)下，星上定標燈和太陽光以正入射或45°方向照射在漫射板上，故對這兩種入射光狀態(tài)下的漫反射板進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)出的光經平行光管準直后照射在指向鏡模擬件上，并通過1°視場角的瞄準器采集。ASD地物光譜儀對采集的數(shù)據進行處理并以輻亮度的形式顯示在顯示器上。通過多維調整臺的調整可以實現(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中的測試結果表明，標準白板的均勻性優(yōu)于0.84%，漫反射板的均勻性優(yōu)于1.67%。

2.4 定標燈+漫反射板定標不確定度分析

采用星上定標燈+漫反射板的絕對輻射標定不確定度如表5所示。

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

表5 定標燈+漫反射板的不確定度來源與不確定度（K=1）

3 測量實驗與結果

3.1 星上定標燈穩(wěn)定性測試

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

測試方法：將定標燈置于直徑0.5m的積分球內，并采用靜電計對定標燈的輻亮度進行實時監(jiān)測。圖9為定標燈穩(wěn)定性曲線。經過10分鐘的待穩(wěn)定時間后，定標燈的輻亮度變化不超過1%。

圖9 星上定標燈穩(wěn)定曲線

3.2 監(jiān)視探測器響應線性度測試

標定的系統(tǒng)在軌運行后，漫反射板和光源的自身衰減將極大地影響標定精度，因此需基于探測器標準定量監(jiān)測衰減程度。為了實現(xiàn)對漫反射板和光源自身衰減的準確監(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。結果表明三個通道探測器的響應非線性均小于0.1%。

圖10 三個通道探測器的響應曲線

4 結論

本文結合CO2探測儀星上輻射定標的實際需求，采用太陽光源定標與星上定標燈定標相結合，絕對輻射定標與相對輻射定標相結合，并輔以備份比對的方法，給出了CO2探測儀星上輻射定標的方案設計，并給出了實驗結果。實驗結果表明漫反射板的均勻性優(yōu)于1.67%，定標燈輻射亮度變化小于1%，監(jiān)視探測器線性度優(yōu)于0.01。該方案綜合定標精度滿足CO2探測儀星上絕對輻射定標5%，相對輻射定標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，研究實習員，E-mail：1988xuehao@163.com