CO2探测仪星上辐射定标设计方法的研究

薛浩，纪振华，蔺超，韦跃峰

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

CO2探测仪星上辐射定标设计方法的研究

薛浩，纪振华，蔺超，韦跃峰

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

为了使CO2探测仪性能变化得到校正，对CO2探测仪的星上辐射定标方法进行了研究。首先，利用稳定辐射源太阳与漫反射板相结合实现CO2探测仪探测器绝对辐射定标，其次，以定标灯、漫反射板与定标探测器相结合的方法对漫反射板反射率进行监视，实现CO2探测仪的相对辐射定标。最后，采用双定标灯、双定标探测器相互比对的方法对定标灯、定标探测器的性能变化进行校正，进而实现CO2探测仪的高精度星上辐射定标。实验结果表明：星上定标灯稳定性优于1%，星上定标探测器线性度优于0.01%。方案可以实现CO2探测仪绝对辐射定标5%，相对辐射定标3%的精度要求。

星上辐射定标；漫反射板；星上定标灯；绝对定标；相对定标

CO2探测仪的应用以定量化的数据为基础，因此需要对其进行准确定标。其定标包括辐射定标和光谱定标两方面。发射过程中以及在轨运行期间，探测仪的光学、结构和电子学部件会发生性能改变，导致实验室辐射定标建立的数字化输出和地面景物辐亮度之间的关系发生改变，同时也会使像面上谱线位置发生改变。为了得到准确的光谱图像数据，必须对这些变化进行校正，这就要求在实验室定标的基础上对CO2探测仪进行星上定标。随着对星上定标精度和可靠性要求的提高，多种定标方法综合应用已经成为星上定标技术的发展趋势。本文采用外部参考标准定标与内部参考定标方案相结合，实现CO2探测仪的高精度星上辐射定标［1-5］。

1 太阳+漫反射板辐射定标系统设计

1.1 太阳+漫反射板辐射定标

为了实现高精度的绝对辐射定标，必须具有一个高度稳定的光源。太阳的辐射总量近似为1365W/m2，其中短波辐射占99.5%，长波辐射占0.5%。地球辐射量卫星（ERBS）实测资料表明，1984年到1999年期间太阳辐射的变化量小于0.2%，可以实现较高的绝对辐射定标。

CO2探测仪基于太阳+漫反射板的辐射定标方法，利用了太阳作为稳定辐射源的优点，通过太阳直接照明指向反射镜的漫反射面进而均匀照明仪器入瞳，入瞳亮度与地气系统亮度处于同一量级，便于在仪器对地观测工作点上校准辐射定标系数，通过漫射板前的两组探测器组件，对漫射板长期稳定性进行定量监测。该定标方法的原理如图1所示。

图1 太阳+漫反射板的星上辐射定标方法原理图

太阳+漫反射板的辐射定标需要调整卫星姿态，使载荷Zp轴绕Xp偏转5°，令Zc轴指向太阳（避免太阳辐射直射CAPI），载荷方位如图2所示。此外考虑到载荷入地影前的性能状态与对地观测时较为一致，且与对地观测区分，太阳+漫反射板辐射定标的常规实施设计在卫星入地影前的极地区域进行。

图2 基于太阳+漫反射板定标的载荷方位示意图

太阳+漫反射板辐射定标时，太阳到达CO2探测仪的辐射通量密度Is(λ) 由式（1）定义：

式中：Im(λ) 表示日地平均距离上的太阳光谱辐射通量密度；e0表示地球轨道偏心率订正因子。

通过卫星指向，使在CO2探测仪与太阳直射入射方向相对固定的条件下，漫反射板的辐射亮度L(λ),dn可由式（2）计算：

式中：f(α,β)表示漫反射板与太阳直射方向夹角的角度修正因子，α,β分别为太阳直射光相对漫反射板的入射天顶角和入射方位角；BRDF(λ),dn表示漫反射板双向反射分布函数；

根据式（3）即可完成对探测仪绝对辐射定标系数的在轨校验。

漫射板经老化实验后，其太阳定标方位下的双向反射分布函数可通过现有反射率测量设备进行监测，同时记录监视探测器地面试验输出数值作为星上漫射板衰减监测的先验数据［6］。

1.2 监视探测器输出信噪比计算

太阳在地球大气层边沿的全波段辐照度为1358.79W/m2。仪器所采用的监视探测器只针对仪器所需的波段进行监测。太阳表面色温约为6000K，太阳辐射谱可以用6000K的黑体辐射来估计。对于有效波段λ1～λ2内太阳的辐照度为：

漫反射板与太阳入射方向成45°，因此λ1～λ2太阳在漫反射板上的照度为：

漫反射板在探测器处的亮度为：

探测器接收面处的辐照度为：

探测器的有效面积为A，则探测器接收的辐射通量为：

因此根据公式计算得到探测器的信噪比如表1所示。

表1 探测器信噪比计算结果

1.3 太阳+漫反射板绝对辐射定标不确定度分析

太阳+漫反射板绝对辐射定标下的不确定度分析［7］如表2所示。

表2中漫反射板测量不确定度包括光源不稳定性（1%）、杂散光影响（1%）、机械定位误差（1%）以及光谱辐射计响应漂移（1%）的影响。绝对辐射定标总的合成不确定度为3.8%，满足星上优于5%的绝对辐射定标要求。

表2 太阳+漫反射板辐射标定的不确定度来源与不确定度（K=1）

2 定标灯+漫反射板辐射定标系统设计

2.1 定标灯+漫反射板定标的设计

星上定标灯+漫反射板定标的原理设计如图3所示。在仪器的指向反射镜前方安装两只光源和一套探测器，光源采用寿命长、色温高的卤钨灯，探测器选用硅和InGaAs探测器，共两组探测器，每组三个，采用与CO2探测仪带宽相近的窄带滤光片，分别监视0.76μm、1.61μm和2.06μm三个通道的辐射变化。指向反射镜的一面为光学反射面，另一面为漫反射面，通过星上定标装置定标时，漫反射面正对着光学系统的入口，打开一只定标灯，光源照亮漫反射板，定标光经漫射板朗伯散射后，一部分光充满光学系统孔径用于仪器的辐射定标，另一部分光则被监视探测器接收，用以监测光强度的变化。

图3 定标灯+漫反射板辐射定标组件配置图

定标灯组件与探测器组件在漫反射板上的照明和接收区域如图4所示。

星上定标灯+漫反射板定标系统可均匀照明CO2探测仪孔径，由于前置漫射板是性能优良的朗伯辐射体，因此由星上定标标定时仪器的入瞳辐亮度可在实验室辐射定标完成后由CO2探测仪实测得出。

图4 定标灯与定标探测器在漫反射板上的照明和接收区域

星上定标灯+漫反射板定标系统的主要作用是监视仪器在轨辐射性能的变化，因此需要对子系统引入的漫射体和光源的稳定性进行精确的监测，方案分别配置了两套灯和探测器组件用于光源和漫射体的衰变监视。具体的子系统自身衰变监测的方法如下，在载荷长期运行中，定标灯1常开，完成常规标定作业，通过2套标准探测器监测漫射板3个窄带波段辐射通量的时间衰变序列，进而对漫射板的反射特性进行在轨修正。定标灯2的开启频次远少于定标灯1，通过对同一时段双灯交替开启状态下探测器接收到的数值比值，对定标灯1的强度衰减特性进行在轨修正，定标灯2同时作为定标灯1的在轨备份，增加了星上定标灯+漫反射板定标子系统的可靠性。

定标灯采用的卤钨灯光源是星上定标的常用辐射源，具有体积小、电功率低、色温高、寿命长等特点。在定标灯寿命设定上，单次定标时长按15分钟设计，长期运行定标频次按1天1次估算，则在载荷3年使用寿命约束下，定标灯在轨寿命需达到270h，依据地面试验经验，定标灯地面试验时间与在轨寿命相当，总计需达到540h的使用寿命，为确保在轨可靠性，要求定标卤钨灯的有效寿命≥2000h。卤钨灯使用前需要经过振动和老练筛选，根据我国电光源现行标准，普通溴钨灯的抗震实验仅为几个g（正弦或随机、振幅＜l0mm、20～30分钟），不能满足发射运行要求。因此考虑从国外商品灯中大量筛选或让有关技术部门设计加工，考虑进度周期，确定采用OSRAM公司12V/5W的溴钨灯，灯寿命为2000h以上。

定标灯的供电要求较高，需采用光反馈电路来控制标准灯的电源，以达到稳定光辐射的作用，在供电电源中设计一个电源控制电路，以解决光源供电缓慢升降的问题，按以往试验经验，光源稳定度可达到0.5%/h。

漫反射板的漫射特性是子系统的关键特性，漫射板采用铝合金基底，通过手工研磨和化学腐蚀工艺对铝板表面进行处理，进而获得优良的漫反射面。

2.2 漫反射板的辐亮度与监视探测器的信噪比计算

所选定标灯为12V/5W，卤素灯发射功率约为0.3，定标灯位于椭球镜焦点处，在4π空间内约有70%的光经椭球镜会聚后入射到漫反射板上。因此，漫反射板上所接收的辐射能通量为1.05W。光源组件在漫反射板处形成半径为R1=120mm的圆。探测器为F数为2，在漫反射板处的投影半径约为R2=80mm。因此，在漫反射板相对于探测器的有效辐射能通量：

漫反射板上的照度为：

漫反射板为漫反射率70%的朗伯体，因此在任意方向上漫反射板的亮度：

因此探测器上的照度可由下式进行估算：

无滤光片时探测器接收面的辐射能通量如下式所示，其中Ad为探测器面积：

则各探测器表面的辐射能通量如表3所示。

表3 探测器表面辐射能通量

定标灯的色温为2700K，其光谱分布可用黑体辐射光谱来估算。黑体的辐射出射度为：

在λ1～λ2波段内，定标灯光辐射通量占全波段的比例如下：

因此，考虑滤波片的透过率影响，探测器在波段λ1～λ2内接收到的辐射能量为：

探测器的平均响应度为探测器的信噪比为：

经计算定标灯定标模式下探测器的信噪比如表4所示。

表4 探测器信噪比计算值

2.3 漫反射板的测试结果

CO2探测仪在轨定标时，漫反射板表面的垂直方向Zg处于与载荷坐标轴Zp-45°或-90°位置。这两种状态下，星上定标灯和太阳光以正入射或45°方向照射在漫射板上，故对这两种入射光状态下的漫反射板进行了角度均匀性和面均匀性测试。测试装置如图5所示。

图5 漫反射板测试装置图

通过漫反射特性的测试装置图可知，卤钨灯发出的光经平行光管准直后照射在指向镜模拟件上，并通过1°视场角的瞄准器采集。ASD地物光谱仪对采集的数据进行处理并以辐亮度的形式显示在显示器上。通过多维调整台的调整可以实现指向镜模拟件正入射条件下的漫射特性、45°入射条件下的漫射特性及面均匀性等测试。

图6 正入射下的漫射特性测试布局

图7 45°入射下的漫射特性测试布局

图8 45°入射下的漫反射板的面均匀性

正入射下的漫射特性测试布局如图6所示，45°入射下的漫射特性测试布局如图7所示，图8中的测试结果表明，标准白板的均匀性优于0.84%，漫反射板的均匀性优于1.67%。

2.4 定标灯+漫反射板定标不确定度分析

采用星上定标灯+漫反射板的绝对辐射标定不确定度如表5所示。

由表5可知，采用星上定标灯+漫反射板进行绝对辐射标定由于增加了对地面辐射标准的溯源环节，定标不确定度较大，而进行相对辐射校准时，引入不确定度环节主要包括定标灯输出不稳定度（0.5%）、非均匀性（1.5%）、非余弦误差（1.5%）以及响应非线性不确定度1%，相对辐射定标总的合成不确定度为2.4%，满足星上优于3%的相对辐射定标要求。

表5 定标灯+漫反射板的不确定度来源与不确定度（K=1）

3 测量实验与结果

3.1 星上定标灯稳定性测试

一般而言，星上定标灯必须在外太空真空环境下工作3-5年甚至更长时间。而辐射定标光源作为辐射量已知，辐射输出稳定的标准光源使用，其长期工作状态下辐射强度的稳定性是满足星上辐射定标要求的基本前提。因此，需要在地面对星上定标灯的稳定性进行测试。

测试方法：将定标灯置于直径0.5m的积分球内，并采用静电计对定标灯的辐亮度进行实时监测。图9为定标灯稳定性曲线。经过10分钟的待稳定时间后，定标灯的辐亮度变化不超过1%。

图9 星上定标灯稳定曲线

3.2 监视探测器响应线性度测试

标定的系统在轨运行后，漫反射板和光源的自身衰减将极大地影响标定精度，因此需基于探测器标准定量监测衰减程度。为了实现对漫反射板和光源自身衰减的准确监测，要求监视探测器具有较高的信噪比和较好的响应线性。图10给出了不同辐射亮度情况下监视探测器的响应。结果表明三个通道探测器的响应非线性均小于0.1%。

图10 三个通道探测器的响应曲线

4 结论

本文结合CO2探测仪星上辐射定标的实际需求，采用太阳光源定标与星上定标灯定标相结合，绝对辐射定标与相对辐射定标相结合，并辅以备份比对的方法，给出了CO2探测仪星上辐射定标的方案设计，并给出了实验结果。实验结果表明漫反射板的均匀性优于1.67%，定标灯辐射亮度变化小于1%，监视探测器线性度优于0.01。该方案综合定标精度满足CO2探测仪星上绝对辐射定标5%，相对辐射定标3%的要求。

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［6］张军强，邵建兵，颜昌翔，等.成像光谱仪星上光谱定标的数据处理［J］.中国光学，2011（2）：175-181.

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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，Fine 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，硕士，研究实习员，E-mail：1988xuehao@163.com