红外遥感器辐射定标技术概述

杨林华，肖庆生，蒋山平

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

随着遥感技术的发展，遥感卫星广泛应用于地球测绘、海洋观测、气象预报、环境监测、地球资源探测等领域。在遥感卫星发射前，其红外遥感器需要在地面模拟空间环境下进行绝对辐射定标试验，以便建立其输出数字量与入瞳辐射亮度之间的对应关系，反演地物的光谱反射特性和光谱辐射特性，同时检测遥感器的辐射响应特性以及内定标装置的工作性能[1]。

国际上非常重视红外遥感器的辐射定标技术，美国、欧洲、俄罗斯等均研制了大型辐射定标设备，并广泛应用于航天器试验中，在研制、使用等方面积累了大量的实际经验。随着我国航天事业的发展，对遥感技术的需求更加迫切，这为发展辐射定标技术提供了机遇。

本文跟踪研究了国外大型辐射定标设备的结构特点、性能指标以及研制和使用经验，针对目前我国的辐射定标技术与国外的差距，提出了今后发展的一些思路。

1 国外典型辐射定标设备

1.1 NASA 辐射定标设备

1970年之前，卫星红外遥感器的定标精度仅达到5%～10%的水平。为了满足红外遥感器1%定标精度的需求[2-6]，美国NASA 在20世纪70年代建立 了红外遥感器辐射定标设备。该定标设备的光学系统采用离轴抛物面反射镜系统，离轴角为9°，有效孔径为630 mm，焦距为3000 mm；反射镜的材料为零膨胀系数的微晶玻璃，镜面镀覆了金反射膜，其反射率达到98.5%。系统的点光源为温度连续可调的黑体，在10.6 μm 波长处的发射率为0.999 9±0.000 1；在5～25 μm 谱段内的定标精度达到1%，定标温度范围为80～300 K，测温精度优于0.01 K。

同时，该设备还配置了反射率和辐照度的原位测量装置，分别如图1和图2所示。反射率原位测量装置由辅助光学系统、中温黑体和Hg-Cd-Te 探测器组成。其中辅助光学系统由离轴抛物面反射镜和3 块直径为100 mm 的折光镜组成，离轴抛物面反射镜的有效口径为178 mm、焦距1000 mm、离轴角9；中温黑体的温度为875 K。辐照度原位测量装置包括辅助离轴抛物面准直光学系统、扫描镜和中温黑体。其中辅助离轴抛物面准直光学系统的口径127 mm，离轴角20°。

图1 反射率原位测量装置Fig.1 In-situ reflectivity measurement system

图2 辐照度原位测量装置Fig.2 In-situ irradiance measurement system

1.2 美国AEDC 辐射定标设备

从20世纪70年代开始，美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）经过几十年的发展，建立了多套能满足空间和机载遥感器辐射定标需要的设备，其中最著名的是7 V 和10 V 定标设备。

1.2.1 7V 定标设备

7 V 定标设备能够提供卫星遥感器从可见光到远红外的辐射定标，其光学系统为双镜离轴反射式卡塞格林系统，焦距为16 500 mm，准直光束的有效孔径为500 mm，视场角为1.4；反射镜表面镀了增强银膜和保护膜，在0.5～30 μm 之间的反射率高于88%[7-8]。该设备容器结构如图3所示[2]，定标系统光路如图4所示[8]。

图3 7 V 定标设备容器结构Fig.3 Structure of the 7 V chamber

图4 辐射定标系统光路Fig.4 Light path for the calibration system

1.2.2 10V 定标设备

10 V 定标设备具有闭环检测的能力，能够提供现实场景对多谱段的光电传感器进行性能检测，从而大幅度提高了定标技术水平。其光学准直系统为四镜系统，焦距为14 300 mm，准直光束的有效孔径为350 mm，视场角为1.4°，衍射极限为1.8 μm，目标分辨率优于1 mrad[9-11]。图5是该设备的定标系统原理[9]，图6为该设备的容器结构[9]。

图5 10 V 定标设备定标系统原理图Fig.5 Principle of the calibration system for 10 V chamber

图6 10 V 定标设备容器结构Fig.6 Structure of 10 V chamber

1.3 Los Alamos 国家实验室辐射定标设备

20世纪90年代，美国Los Alamos 国家实验室建立了一套可见/红外辐射定标装置，用于光学和红外遥感器的绝对辐射定标[12-13]。其光学系统采用离轴抛物镜准直系统，准直镜口径530 mm，焦距1700 mm。设备的真空度达到1.33×10-4Pa。

标准辐射源放置在光学系统的焦点处，辐射源包括两个黑体、一个积分球、一台单色仪、一台干涉仪，定标谱段范围为0.4～12 μm。所有辐射源的标定在美国国家标准技术研究院（NIST）进行，使得在可见光、近红外（0.4～2.5 μm）、红外（2.5～12 μm）谱段内绝对定标精度均达到±3%。该设备还用于偏振、光谱效应、空间分辨率等的标定。设备配备了两组光阑，其中一组被冷却，用于红外定标；另一组为可见光光阑，用于在室温下对可见光进行定标。整个装置结构如图7所示[13]。

图7 Los Alamos 国家实验室辐射定标装置Fig.7 Radiometric calibration station in Los Alamos National Laboratory

1.4 Lockheed 公司辐射定标设备

美国Lockheed 公司的低背景红外辐射定标设备是为完成远红外探测器的辐射定标试验而研制的。它包括光学、目标模拟、数据获取等系统，具有大动态范围的多谱段辐射光源，优质的大口径、准直光学系统，低温黑体和20 K 冷屏等[14-16]，其结构如图8所示[14]，定标原理如图9所示[16]。

图8 Lockheed 辐射定标设备Fig.8 Lockheed Sensor Test Facility(STF)

图9 STF 的辐射定标原理Fig.9 STF’s sensor calibration principle

1.4.1 光学系统

该设备的定标光学系统是离轴反射式R-C系统，焦距为12 700 mm，准直光束的有效直径为600 mm，视场角为±1.5°。光学系统进行了很好的近轴校正，无渐晕离轴视场为±0.5°。光学系统的轴上几何弥散圆在波长为10.0 μm 时小于30 μrad，离轴几何弥散圆在波长为10 μm、视场为±0.5°时小于50 μrad。

1.4.2 辐射光源

该设备中有标准黑体和积分球辐射源。标准黑体的温度范围为100～450 K，长期温度变化（稳定性）为0.1 K，短期稳定性为0.02 K/h；采用铂电阻测温；在10 个位置开有10 个孔，分别输出不同的辐照度；向探测器提供调制光束，调制频率范围为0～100 Hz。积分球辐射源提供低能量的目标信号，并能覆盖一个很宽的动态谱段范围。它包含3 个独立的积分球：一个是黑体光源，与其相对的一个是小膜片热源，中间的积分球为输出球。在积分器输出口的前面，装有间断变化的滤光片和光阑，调制频率0～100 Hz。

1.5 法国Orsay 太空红外观测相机（ISOCAM）辐射定标设备

在ISOCAM 组装到望远镜之前，将其置于模拟的光、热、机械和电环境下进行辐射定标，并对遥感器的性能进行验证和评估[17-19]。另外，通过这些试验可以掌握仪器的使用方法，获得标定观测结果以及处理数据的方法等。定标系统构成如 图10所示[17]。

图10 法国ISOCAM 定标设备Fig.10 France calibration system for ISOCAM

1.5.1 光学系统及定标原理

定标光学系统实际上是一个望远模拟镜，它包含了1 个f/15 的球面反射镜和2 个平面折光反射镜。ISOCAM 安装在一个φ1000 mm 且用液氦循环冷却的光学平台上，可在2.5～4.5 K 的温度范围内控温，控温稳定性为±0.1 K/h。

定标时望远模拟镜将光源成像到ISOCAM 的焦面上，而成像系统的光瞳由成像反射镜决定，它到ISOCAM 的距离与ISOCAM 到望远模拟镜次镜的距离相等，得到与望远模拟镜等价的光束（f/15）。输出光束在进入ISOCAM 的视场之前，先被偏振。同时，光谱定标系统将一束单色光通过ZnSe 窗口从容器外面输入到扩展光源，对模拟光源进行实时光谱定标。

1.5.2 模拟光源

该定标装置有2 个黑体，其中1 个是点光源，另1 个是扩展光源，它们分别输入到两个积分球，形成均匀的辐照面。模拟光源的输出口径由不同的光阑确定，再利用不同的滤光片获得需要的光谱，光谱的衰减因子为10-8～10-4。点光源装在x、y、z向运动机构上，光源的大小为φ80 μm。黑体的温度范围为150～459 K。

1.6 德国APEX 辐射定标设备

欧空局在德国航天中心（DLR）建立了APEX辐射定标设备[20]，如图11所示，专门用来进行机载棱镜试验的超光谱成像光谱仪的地面定标，也能够满足其他成像光谱仪的定标需求。从定标设备两端发射的信号可以进行选择，一端可以进行空间定标，通过使用1 个离轴准直光束和6 个不同宽度与方向的狭缝，从而在沿着出射方向和垂直出射方向上测量出线扩展函数（LSF）；从另一端可以进行光谱定标，通过一个单色仪可以提供380 nm～ 13 μm 谱段，以及带宽在0.1 μm 至5 μm 之间的辐射光[21-22]。

图11 APEX 辐射定标设备布局图[20]Fig.11 APEX radiometric calibration equipment

1.7 俄罗斯大型辐射定标设备

俄罗斯遥感器的辐射定标技术具有国际水平。俄罗斯天文和大气物理研究所（IAAP）的空间研究试验室建立了空间遥感器的辐射定标设备及多种标准辐射源。定标设备的光学系统为离轴式抛物反射镜准直系统，其口径为300 mm，焦距f为 3000 mm，曾对“Salyut 4”、“Salyut 6”、“Salyut 7”空间站的辐射计和其他遥感卫星的遥感器进行了辐射定标试验，其定标谱段从紫外到远红外。

俄罗斯瓦维洛夫空间光学技术研究所建有立式辐射定标设备，用于空间光学遥感器在模拟空间环境下的辐射定标。系统定标的温度范围为80～-150 ℃；定标光学系统口径为600 mm。

2 我国红外遥感器辐射定标技术的发展

卫星红外遥感器在模拟空间环境下的辐射定标技术综合了光学、机械、真空、低温、控制、测试等多种技术，定标设备结构复杂、技术难度大，是遥感卫星研制的关键技术之一。

我国曾在资源卫星、气象卫星等研制中完成了遥感器的辐射定标试验，初步掌握了卫星遥感器的辐射定标技术[23-25]，但对于空间光学遥感器在模拟空间环境下辐射定标技术的研究还处在初级阶段。为了缩小与国外的技术差距，提出发展建议如下：

1）追踪国外定标技术发展动态，包括光学系统参数原位测量技术，标准源光谱辐亮度、辐照度的原位测量技术等，作好前期的技术论证；

2）开展在模拟空间环境下定标系统光学参数原位测量技术研究，提高定标精度；

3）引进红外光谱辐亮度计，开展在模拟空间环境下标准源光谱辐亮度、辐照度的原位测量标定。

目前，我国虽然有气象卫星辐射定标设备、资源卫星红外多光谱扫描仪辐射定标设备，但都受到型号的局限，通用性不够。因此，有必要在“资源一号”卫星红外多光谱扫描仪定标设备的基础上，再建立一套大型的、通用的地面综合辐射定标设备，以解决目前我国辐射定标的型号局限性，满足未来研制不同通光口径、不同焦距、不同分辨率和不同响应谱段的空间探测光学遥感器的需要。

3 结束语

通过对国外辐射定标技术的跟踪分析，可以进一步明确我国在这个领域的发展方向。针对我国航天事业的发展，应着手制定相应的计划，开展关键技术的预先研究，尤其是在模拟空间环境下原位定标技术、光学系统温控技术和辐射定标精度分析技术等；加强与国外的技术合作和交流，引进国外先进技术，不断完善我国现有的测试手段，提高卫星遥感器辐射定标的技术能力和水平，以满足不同型号遥感卫星辐射定标的需求。

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