星載微光遙感器外場輻射定標光源的研制和檢測

甘 濤，袁銀麟，翟文超，鄭小兵，孟凡剛，吳浩宇

（1.中國科學院 通用光學定標與表征技術重點實驗室，中國科學院 安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026）

引言

星載微光遙感器可在夜間低照度條件下獲取月光反射輻射、城市燈光等微弱可見光圖像。星載微光遙感器利用月光反射輻射反演實現(xiàn)低云大霧、冰雪覆蓋、煙塵和熱帶氣旋探測等應用[1-3]；通過城市燈光強度和分布范圍可進行城市建筑密度估算等領域的研究[4]，具有重要意義和價值。

外場輻射定標是星載微光遙感器定量化應用的基本前提，其目的是定期測量和校正星載微光遙感器輻射響應的衰變，更新其在軌響應定標系數(shù)，實現(xiàn)長期有效運行[5]。目前國內(nèi)外均開展了星載微光遙感器的在軌定標實驗，主要定標方式是采用地面燈光（如燈塔燈光）[6]。目前這種定標方式，受到月光光照條件和周邊環(huán)境反射率差異、環(huán)境光污染等因素影響，典型定標精度約為10%。

為了降低環(huán)境光污染、自然環(huán)境等因素的影響，進一步提升星載微光遙感器外場輻射定標精度，本文介紹了一種以大功率LED 為發(fā)光介質(zhì)的主動式外場輻射定標光源。

1 輻射通量等效的外場輻射定標方法

微光遙感器的輻射定標一般要求定標光源的輸出具有朗伯輻出度分布和高均勻性，且充滿遙感器的視場和孔徑等條件。但是微光遙感器的視場面積As很大，接近0.5 km2。根據(jù)微光遙感器外場輻射定標要求的充滿視場和孔徑條件，定標光源的面積應大于0.5 km2。目前尚無手段實現(xiàn)如此大面積均勻朗伯型光源的研制，因此有必要考慮非充滿視場條件定標方法。根據(jù)輻射通量等效的方法，可建立微光遙感器的輻射響應值與參考光源面積之間的關系，如公式（1）所示[7]:

式中：D為探測器尺寸；Nk為微光遙感器的輻射響應值；L′(λ)為目標等效輻亮度；A′s為參考光源面積；H為軌道高度；τ為光學系統(tǒng)透過率；η(λ)為量子效率；Ck為暗電流。

通過輻亮度和光源面積調(diào)整，可實現(xiàn)非充滿視場條件與充滿視場條件相同的輻射定標效果，如公式（2）所示。

式中：L(λ)為目標輻亮度；As為視場面積。

微光遙感器輻射響應度可根據(jù)面積校正因子RCAs進行獲取，可通過公式（3）表示。

以極軌運行的環(huán)境衛(wèi)星NPP 可見光紅外輻射儀VIIRS 傳感器DNB 微光通道為例，其星下點像元對應的地面成像幾何尺寸為742 m×742 m。設計外場輻射定標光源的出光口尺寸為250 mm×250 mm，面積校正因子RCAs約為8.8×106。目前微光遙感器的動態(tài)范圍大致介于1×10-9W·cm-2·sr-1～1×10-2W·cm-2·sr-1（VIIRS），考慮到功耗等因素，將外場輻射定標光源的輸出輻亮度設計為10-2W·cm-2·sr-1量級水平，可滿足其在軌定標需求。

2 外場微光輻射定標光源設計

外場輻射定標光源主要由LED 積分球、高精度驅(qū)動電源和循環(huán)水冷設備組成。積分球設計的基本要求是利用有限數(shù)量和功率的發(fā)光單元產(chǎn)生盡可能大動態(tài)范圍的輻射輸出，并保證出射光的角度和平面均勻性。積分球出射的輻亮度可以由空腔的輻射傳遞理論推導得到，即[8]

式中：Ls為積分球輸出光譜輻亮度；Φ為發(fā)光單元的總發(fā)光通量；As為積分球內(nèi)表總面積；ρ為內(nèi)壁涂層反射率；f為積分球的開口比，即所有開孔面積與內(nèi)壁總面積的比值。

根據(jù)（5）式，為了提高輸出光譜輻亮度Ls，應當采用反射率ρ高的內(nèi)壁涂層，減小開口比f。本文選擇聚四氟乙烯作為積分球內(nèi)壁涂層，其反射率在400 nm～2 500 nm 波段內(nèi)高于95%，且方向反射均勻性優(yōu)良，是較為理想的漫反射體[6]。

積分球理論和實驗研究表明[9-11]，在涂層反射率一定的情況下，開口比f≤5%時，才能滿足出射光角度均勻性優(yōu)于98%的要求。積分球的內(nèi)徑為600 mm，出光口為正方形，尺寸設計為250 mm×250 mm。積分球共安裝12 只300 W LED 發(fā)光單元，每只發(fā)光單元的開孔直徑為 Φ60 mm，中心波長為670 nm。經(jīng)過核算積分球開口比約為4.5%。積分球通過絞盤實現(xiàn)出光口的水平和豎直平面的位置調(diào)節(jié)。LED 發(fā)光單元在積分球前半球間隔30°均勻布置，安裝位置與出光口中心法線呈65°。

采用具有可編程功能的高精度驅(qū)動電源，實現(xiàn)12 只300 W LED 發(fā)光單元的串聯(lián)恒流驅(qū)動和輻亮度的調(diào)節(jié)。循環(huán)水冷設備用于LED 發(fā)光單元的散熱和溫控，制冷精度優(yōu)于±0.2 ℃，可將積分球的輸出起伏控制在小于0.2%，峰值波長漂移小于0.1 nm[12]。通過循環(huán)水冷溫控和高精度可編程直流電源驅(qū)動技術，實現(xiàn)外場輻射定標光源輻亮度輸出穩(wěn)定性。

3 整機性能測試和外場測試驗證

采用大口徑積分球輻出度分布自動測試系統(tǒng)[13]和絕對光譜響應率標準探測器[14]對積分球的光源性能特性進行了測試，測試項目包括積分球的光譜輻亮度、穩(wěn)定性、角度均勻性和平面均勻性等。

3.1 光譜輻亮度和穩(wěn)定性

利用溯源于標準燈和漫射板系統(tǒng)的光譜儀，對積分球參考光源的光譜輻亮度進行定標。外場輻射定標光源輸出的光譜輻亮度超出標準傳遞輻射計的測量動態(tài)范圍近1 個量級。采用定制的孔徑光闌降低光譜儀輸入光通量，增大測量動態(tài)范圍。通過孔徑光闌的光譜透過率實現(xiàn)外場輻射定標光源光譜輻亮度的定標[14]。外場輻射定標光源輸出的光譜輻亮度定標曲線見圖1（a），絕對輻亮度值為5.2×10-2W·cm-2·sr-1。

參考光源的穩(wěn)定性是指其輸出特性隨時間變化的程度。參考光源開機預熱完成后，使用標準探測器以5 s 間隔持續(xù)測量1 h，其輸出相對于均值的起伏小于0.1%，檢測結果如圖1（b）所示。

圖1 外場輻射定標光源輻亮度特性測試結果Fig.1 Radiance characteristics test results of in-site radiation calibration light source

3.2 角度均勻性和平面均勻性

參考光源的角度均勻性表征相對于其出光面法線一定角度范圍內(nèi)輻亮度的變化程度，通常以多個角度測量的測量值相對于法線測量值的相對偏差來表述。在出光面法線±30°的角度范圍內(nèi)，分別進行了水平平面和垂直平面內(nèi)的角度均勻性測量，水平和垂直平面內(nèi)測量結果如圖2（a）所示。

參考光源的平面均勻性表征其出光口平面內(nèi)、不同位置的輻亮度的相對偏差程度。通常以多個測點的測值之間相對偏差來表述。對光源開展了平面均勻性檢測實驗，檢測區(qū)域350 mm×350 mm，完整覆蓋積分球出光口，測點間距為25 mm，共采集144 個測點數(shù)據(jù)，檢測結果如圖2（b）所示。在250 mm×250 mm 的區(qū)域內(nèi)，平面均勻性優(yōu)于99.78%。

圖2 外場輻射定標光源均勻性測試結果Fig.2 Uniformity measurement result of uniformity of in-site radiation calibration light source

3.3 外場測試驗證與影響因素分析

外場測試驗證場地選擇位于甘肅省敦煌市的中國遙感衛(wèi)星輻射校正場。該輻射校正場受城市燈光污染小，且反射率分布均勻。

NPP 衛(wèi)星于每天01:50～04:20 之間過境，過境時間約為10 min，自西向東掃過輻射校正場[15]。NPP 衛(wèi)星拍攝圖像及光源的位置如圖3 所示，衛(wèi)星在軌測量的像元響應輻亮度值如表1 所示。

圖3 外場測試衛(wèi)星圖像Fig.3 Filed test of in-site calibration reference light source satellite image

表1 外場定標光源位置及輻亮度Table 1 Position & radiant output of in-site calibration reference light source

從表1 可以看出極軌運行環(huán)境衛(wèi)星NPP 可見光紅外輻射儀VIIRS 傳感器DNB 微光通道測量的輻亮度值為8.27×10-9W·cm-2·sr-1，初步驗證了外場輻射定標光源可應用于微光遙感器的外場定標。采用輻射通量等效的方法，應用外場輻射定標光源定標方案，通過面積校正因子進行微光遙感器的外場定標還需要對衛(wèi)星姿態(tài)、月球輻照度和地表反射率等影響因素進行分析。

4 結論

本文提出了輻射通量等效的微光遙感器在軌定標方法，并基于該方法設計了外場微光輻射定標光源，在敦煌中國遙感衛(wèi)星校正場對該光源進行了外場實驗。定標光源實驗室實測輻亮度為5.2×10-2W·cm-2·sr-1，通過等效輻射通量面積校正后，能夠達到10-9W·cm-2·sr-1量級。經(jīng)實際測量，VIIRS微光通道的輻亮度響應達到了8.27×10-9W·cm-2·sr-1，與定標光源輻射量值面積校正后量級一致，證明了該光源設計的合理性。本文沒有考慮夜間大氣輻射傳輸和月光貢獻，僅從光源輻射量級上驗證了其適用性，未對在軌定標精度進行評估。該光源量值可溯源且具有優(yōu)良的輻射特性，未來在微光遙感器的在軌定標、長期穩(wěn)定性監(jiān)視、夜間大氣輻射傳輸算法的驗證等方面具有潛在應用。