（光学专业论文）400—1000nm波段基于探测器的绝对光谱辐照度定标方法研究.pdf

捅要 本文旨在利用近年发展起来的标准探测器技术，实现可溯源到低温辐射计的 光谱辐照度绝对定标，有效缩短标准传递链，提高光谱辐照度的绝对测量精度。 论文首先提出了以标准传递探测器为基础的光谱辐照度绝对定标方案。采用 可溯源到低温辐射计的陷阱式光功率探测器作为绝对量值的基准，以保证辐射功 率精度。为准确测量探测器的绝对光谱响应率和滤光片光谱透过率，设计和研制 了宽光谱比较系统，其优点是可以独立地评价十几种影响测量精度的不确定性因 素。为了将离散波长辐照度拟合出连续光谱辐照度，发展了多次光谱迭代法。论 文最后分析了整套方案各部分不确定性因素并对其进行评估。 完各地评估各项不确定性因素及其对最终精度的影响，是保证辐照度绝对定 标精度的关键环节。本文详尽地讨论、测量、分析了宽光谱比较系统各项不确定 度，包括系统线性、杂散光、稳定性等等。其中干涉滤光片光谱透过率最难准确 测量，需要考虑的因素较多，因此在光路设计时，( 1 ) 采用单光路结构避免分束 镜带来的分束比误差；( 2 ) 采用大面积离轴抛物面镜对定标光束精密整形，形成 更加均匀的光斑，而且可以减小系统杂散光：( 3 ) 采用模块化的光学设计，有利 于相对独立和更加准确地分析系统多种不确定性因素的来源和影响；( 4 ) 系统全 部自动化设计，防止人为操作带来的测量误差，等等。这些措施主要保证系统测 量的准确性，同时兼顾稳定性、易操作性和通用性。另外，系统采用可靠、成熟 的机械设计，使得系统机械运行、定位方面的不确定性因素分析变得相对独立、 简单。 将离散绝对辐照度拟合为连续绝对光谱辐照度，这也是绝对光谱辐照度定标 方案的重要环节。论文中采用了一种改进的光谱迭代法，该算法以黑体辐射作为 物理模型，分别针对发射率和分布温度进行迭代，并采用嵌套迭代的方式保证三 者在迭代过程中相互约束，在提高计算收敛速度的同时保证了拟合结果更加接近 真实情况。另外在迭代过程中，理论光谱辐照度值与实测值进行比对时，不再采 用传统的以某一波长辐照度值替代整个带宽内辐照度积分值的方法进行比对，而 是以整个带宽内辐照度积分值与实测值进行比对，有效的减小了拟合误差。 通过对测量的标准源辐照度值不确定度分析，合成不确定度优于2 ，与国 家传递标准的差异小于二者合成标准不确定度，验证了标准探测器不确定度分析 i i 的可靠性，同时也验证了以标准传递探测器为基础的光谱辐照度绝对定标方案的 科学性和可行性。 关键词：辐射标准传递，辐射定标，辐照度标准传递探测器，宽光谱比较系统 i i i r e s e a r c ho fad e t e c t o r - b a s e da b s o l u t es p e c t r a li r r a d i a n c ec a l i b r a t i o n i nt h e4 0 0 10 0 0 n ms p e c t r a lr a n g e l e iz h o u ( o p t i c s ) d i r e c t e db y p r o f x i a o b i n gz h e n g a b s t r a c t a na p p r o a c hb a s e do nt h es t a n d a r dt r a n s f e rd e t e c t o rt e c h n i q u e ，w h i c ha l r e a d y h a dr i s e ns h a r p l yi nr e c e n ty e a r s ，a p p l i e dt oc r y o g e n i cr a d i o m e t e rb a s e dr a d i o m e 仃i c c a l i b r a t i o ni sd e v e l o p e dt oe f f e c t i v e l ys h o r t e nt h es t a n d a r dt r a n s f e rc h a i na n d i m p r o v e t h ea b s o l u t es p e c t r a li r r a d i a n c ec a l i b r a t i o na c c u r a c y i nt h i sp a p e r , f i r s t l yap r o p o s a la b o u ta b s o l u t e s p e c t r a li r r a d i a n c ec a l i b r a t i o n b a s e do nt h es t a n d a r dt r a n s f e rd e t e c t o ri sa d v a n c e d t h et r a p ，w h i c hc a nb et r a c e dt o t h es o u r c eo fc r y o g e n i cr a d i o m e t e r , i su s e da st h ep h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rt og u a r a n t e e t h ea b s o l u t er a d i a n tp o w e r a c c u r a c y t h e nf o rt h ep u r p o s eo fh i g h - a c c u r a c y m e a s u r e m e mo ft h ea b s o l u t e s p e c t r a lr e s p o n s i v i t y o ft h ed e t e c t o ra n dt h e t r a n s m i t t a n c eo ft h ef i l t e r , as p e c t r a lc o m p a r a t o rs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n di t s c h a r a c t e r i s t i ci si n d e p e n d e n tt oa n a l y z em a n yo fu n c e r t a i n t i e s o t h e r w i s e ，am u l t i p l e s p e c t r a li t e r a t i o nm e t h o dh a sb e e ni m p r o v e dt of i tt h ec o n t i n u o u ss p e c t r a li r r a d i a n c e b a s e do nd i s c r e t ei r r a d i a n c ea ts e v e r a ls p e c i a lw a v e l e n g t h s f i n a l l y , t h eu n c e r t a i n t i e s o fs y s t e mh a sb e e na n a l y z e da n de v a l u a t e d f u l l ye v a l u a t e dt h ee f f e c to na b s o l u t es p e c t r a li r r a d i a n c ec a l i b r a t i o na c c u r a c yo f a l lk i n d so fu n c e r t a i n t yf a c t o r si st h ek e yl i n k si na b s o l u t e s p e c t r a li r r a d i a n c e c a l i b r a t i o n t h eu n c e r t a i n t i e so fs p e c t r a lc o m p a r a t o rs y s t e mh a v eb e e nm e a s u r e da n d a n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gs t a b i l i t yo fs y s t e m ，a n dn o n l i n e a r i t yo fs y s t e m ，a n ds t r a y l i g h ta n ds oo n a m o n gt h e s eu n c e r t a i n t yf a c t o r s ，t h em a i nc h a l l e n g e i st h e m e a s u r e m e mo ft h es p e c t r a lt r a n s m i t t a n c eo ff i l t e r t h e r e f o r e ，i nt h eo p t i c a ld e s i g n ：( 1 ) w ea d o p t e ds i n g l e b e a ms t r u c t u r et oa v o i dt h ee r r o rb r o u g h tb yb e a ms p l i t t e ra n d s p l i t t i n gr a t i o ；( 2 ) u s e dl a r g e a r e ao f f - a x i sp a r a b o l i cm i r r o rt os h a p et h ec a l i b r a t i o n b e a m ，w h i c hc a nf o r mau n i f o r mf a c u l aa n dr e d u c et h es t r a yl i g h to ft h es y s t e m ；( 3 ) i v a d o p t e dm o d u l a ro p t i c a ld e s i g ni sb e n e f i tt oa n a l y z ei n d e p e n d e n t l ya n da c c u r a t e l ya l l k i n d so fu n c e r t a i n t i e so fs y s t e m ；( 4 ) a u t o m a t e dd e s i g nc a np r e v e n te r r o r st h a tb r o u g h t b yo p e r a t o r s ，a n ds oo n a l lt h e s et e c h n i q u e sm a i n l yu s e dt oe n s u r et h ea c c u r a c yo f t h em e a s u r e m e n t ，a tt h es a m et i m e ，t oc o n s i d e rt h es t a b i l i t y , e a s ym a n i p u l a t i n ga n d c o m m o n a l i t y o ft h e s y s t e m o t h e r w i s e ，w ea d o p t e d t h e d e p e n d a b l e a n d w e l l d e v e l o p e dm e c h a n i c a ld e s i g n ，w h i c hm a k et h eu n c e r t a i n t i e sa n a l y s i sm o r e i n d e p e n d e n t l ya n de a s i l yi nt h ea s p e c t o fm e c h a n i c a lr u n n i n ga n dm e c h a n i c a l p o s i t i o n i n g o nt h eo t h e rh a n d ，f i t t i n gt h ec o n t i n u o u ss p e c t r a li r r a d i a n c eb a s e do nd i s c r e t e i r r a d i a n c ea ts e v e r a ls p e c i a lw a v e l e n g t h si st h ek e yl i n k si na b s o l u t e s p e c t r a l i r r a d i a n c ec a l i b r a t i o n i nt h ep a p e r , w ed i s c u s s e dam u l t i p l es p e c t r a li t e r a t i o nm e t h o d ， w h i c hi sak i n do fi m p r o v e ds p e c t r a li t e r a t i o nm e t h o d t h i sm e t h o du s e sb l a c k r a d i a t i o na sp h y s i c a lm o d e l ，a n di t e r a t e se m i s s i v i t ya n dd i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y , a n dp a r a m e t e r sc o n s t r a l ne a c ho t h e ri nt h ep r o c e s so fs p e c t r a li t e r a t i o ns o t l l a ti m p r o v e sr a p i d i t yo fc o n v e r g e n c ea n dg e t sm o r ea c c u r a t er e s u l t s i na d d i t i o n ， w h e nt h er e a lm e a s u r e ds p e c t r a li r r a d i a n c eh a sb e e nc o m p a r e d 、i t ht h et h e o r e t i c v a l u e ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lm e t h o dt ou s et h ei r r a d i a n c ea tas p e c i a lw a v e l e n g t h a st h eb r o a d b a n di r r a d i a n c e ，w ea d o p t e dt h ei n t e g r a t ev a l u eo ft h er e a lm e a s u r e d s p e c t r a li r r a d i a n c et oc o m p a r ew i t ht h et h e o r e t i cv a l u e ，w h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e dt h e f i t t i n ge r r o r s t h r o u g ht h eu n c e r t a i n t i e sa n a l y s i so ft h em e a s u r e di r r a d i a n c eo ft h es t a n d a r d s o u r c e ，t h ec o m b i n e du n c e r t a i n t yo ft h es y s t e mi sa b o u t2 t h ee r r o ro ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h en a t i o n a lt r a n s f e rs t a n d a r da n dt 1 1 em e a s u r e di r r a d i a n c eo ft h e s t a n d a r ds o u r c ei sl e s st h e nt h ec o m b i n e du n c e r t a i n t i e so ft h e m t h e r e f o r e ，i th a s p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h eu n c e r t a i n t i e sa n a l y s i so ft h es t a n d a r dd e t e c t o r , a tt h es a m e t i m e ，i th a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fa b s o l u t es p e c t r a li r r a d i a n c ec a l i b r a t i o np r o p o s a l b a s e do nt h ei r r a d i a n c es t a n d a r dt r a n s f e rd e t e c t o r k e yw o r d s ：r a d i o m e t r i cs t a n d a r dt r a n s f e r , r a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o n , i r r a d i a n c e s t a n d a r dt r a n s f e rd e t e c t o r , s p e c t r a le o m p a r a t o rs y s t e m v 本人呈交的学位论文的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归萎交墓茎- 扯 本人签名：f 嘭i 硷 第一章引言 第一章引言 论文围绕辐照度标准传递探测器高精度定标标准源光谱辐照度展开研究，涉 及探测器高精度辐射定标、测量数据处理以及标准源连续光谱辐照度反演算法设 计。探测器的辐射定标主要利用自行设计的多功能宽光谱比较系统实现探测器光 谱响应率定标和滤光片光谱透过率测量，而数据处理和标准源连续光谱辐照度反 演则通过建立算法模型加以实现。 本文意义在于利用新一代基于标准探测器技术，实现可溯源到低温辐射计的 光谱辐照度绝对定标，有效缩短标准传递链，提高光谱辐照度的绝对测量精度。 在具体介绍本人博士工作之前，：先简单介绍辐射定标的意义及其发展过程。 第一节辐射定标意义及作用 遥感通常是指通过遥感器在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地 物，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，并对信息进行提取、分析，以此来 测量和判定地表目标地物的性质或特性的- - 1 7 科学与技术【1 1 。由于遥感技术具有 客观性、时效性、宏观性、综合性与经济性的优点，2 0 世纪中后期以来，发达 国家相继开展空间对地观测计划，以长期、实时和大范围地观测地球的资源、气 候和环境的变化。 尤其自2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机技术、网络技术、通讯技术、传感 器技术的迅速发展和遥感技术本身的发展以及全球对资源和环境认识的进一步 加深，遥感应用的领域更加广泛。现代各种遥感数据十分丰富，这就要求遥感技 术能够快速地提供校正过的定量化数据。因此，快速、动态、实时、定量将是遥 感发展的必然趋势。 定量遥感是利用遥感器获取地表地物的电磁波信息，在计算机系统支持下， 根据算法模型，定量获取观测目标参量或特性的方法与技术。定量遥感是强调定 量的数学物理方法的运用和强调处理结果的精确性，它力图实现由遥感器收集到 的光辐射数据定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量，并由此 建立相应的识别和测算数值模型。 但是在各种卫星平台上获取地物的遥感信息时，由于受到诸多因素的影响， 4 0 0 - | 0 0 0 h m 波段基于探测器的绝对光谱辐照度定标方法研究 如遥感器系统的畸变、仪器老化、大气传输干扰、地形影响以及同一地物辐亮度 在不同观测时间内随太阳高度角的变化等，都会使遥感器收集到的光辐射能量和 地物实际的辐射能量之间产生较大的偏差。通过辐射定标和辐射校正，可以减小 这种偏差，而这种偏差最终所能减小到的程度依赖于辐射定标和辐射校正的精 度。因此，遥感传感器定标是遥感信息定量化中关键的一步，是实现遥感数据定 量化和定量信息获取的前提。遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度 上取决于定标精度，定标精度高低是衡量光学遥感数据质量的一个重要指标，其 实质就是要建立传感器的每个探测元输出信号的量化值与该探测器对应像元内 的实际地物辐射亮度值之间的定量关系。传感器的辐射定标具有多方面的意义： ( 1 ) 保证探测器的精度能够满足应用需求；( 2 ) 保证探测器的输出反映被测量 的真实变化，校正探测器性能的自然衰变对测量结果的影响；( 3 ) 通过共同的标 准保证不同平台上不同探测器在不同时间对同一目标观测结果的可比较性。 辐射定标是建立辐射测量仪器的输出和相应所知标准输入( 输入和输出都采 用s i 单位制表达) 之间关系的系列操作或过程【2 】。它的主要作用表现为：( 1 ) 实现各类光学遥感器从预研一工程研制一在轨运行的全过程定标，保证遥感器的 精度能够满足应用需求和设计指标要求；( 2 ) 统一不同平台、不同遥感器的辐射 量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和融合；( 3 ) 通过动态监测，校正遥感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环境变化等对测 量结果的影响，保证测量结果真实反映目标和背景的特征。 卫星传感器包括三种类型的辐射定标过程，每个定标过程都是相对独立的， 且每个定标过程又有其使用的局限性，三种方法对于数据的准确性相互验证： 1 实验室定标 实验室定标在传感器发射前进行，利用公认( 国家执行的或者是国际计量组 织接受的) 的辐射标准来定标单个仪器，确定光辐射探测器的输出( 电流、电压 等) 与入射绝对光通量的定量关系。一般来说，传感器绝对定标系数、光谱响应 的标定以及仪器偏振敏感性、非线性、m t f 、杂散光等关键参数的表征都是在该 阶段测量的。 实验室定标的优点是用于定标中所用到的定标辐射源在使用前后可精确测 量和重新标定，故可以大大降低定标的不确定度。由于实验室的环境与传感器在 第一章引言 太空中的环境是不同的，所以传感器在轨运行的过程中某些光学仪器的性能会发 生改变。为了确定传感器是否真的发生了变化，一些卫星传感器上装有内定标系 统，对飞行中的在轨仪器进行内定标一星上定标。 2 星上定标 遥感器星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光和反射红外区采用电光源 ( 灯定标) 和太阳光( 太阳定标) 作为高温的标准辐射源，在热红外区采用卫星 上的标准黑体( 黑体定标) 作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低温标准辐 射源。 内定标的优点是根据所设计的星上定标源的不同，实时对一些光学传感器进 行定标，在整个卫星运行期间，可以每隔几秒钟直至每隔几个月进行一次。但是 如果内定标系统发生了变化，定标结果就不能区分仪器的变化还是定标系统的变 化。由于实验室定标和星上定标都不能完全确定各种情况引起的传感器特性的变 化，利用地面参照的实验修正的“校正场校正方法”是对这些变化进行重新定标 和数据校正的有效方法之一。 3 替代定标 遥感器场地外替代定标是在遥感器飞越辐射定标场上空时，在定标场选择若 干象元区，测量传感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利用 大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器 对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分析。 通过地面辐射场地外定标对于提高辐射定标精度具有重要意义，这因为场地 外定标方法可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到大气传输和 环境的影响。 但不论是上面三种方法中的哪种方法都是需要高精度的初级标准和工作标 准作为保障，也就是说高精度辐射初级标准是建立所有这些应用的基础。 第二节辐射标准与辐射标准传递方法 论文前面介绍了卫星传感器的各种定标方法，实际上不论哪种形式，作为标 准传递链源头的初级标准的精度水平直接决定着仪器定标精度的水平，因为初级 标准是最后定标精度的先决条件。因此建立高精度的初级辐射标准、传递标准和 4 0 0 - 1 0 0 0 肿波段基f 探的绝对光讲描照度定标方洼研究 工作标准是卫星遥感应用及其它相关技术应用需要解决的一个重要课题。由此可 见辐射初级标准的建立、辐射标准传递与辐射定标是密不可分的。 1 2 1 辐射初级标准 所谓初级标准就是状态方程可以通过物理定律明确的写出来，代八独立于辐 射输出的测量参量直接计算辐射通量的值，而不必利用其它的标准对其进行定标 ( ”。传感器的绝对辐射定标最终都要溯源到一个辐射初级标准。首先建立初级标 准，然后经过标准传递链传递到次级标准，进而到工作标推，通过工作标准实现 对遥感器的定标。 ( 1 ) 基于黑体的辐射标准 基于黑体辐射的初级辐射标准有着悠久的历史，可以追溯到w i * n 和 l u m m e r 于18 9 5 年首次实现黑体辐射标准器【4 】。图l1 为黑体辐射器的结构图。 因为黑体辐射器的光谱辐射随温度和波长的改变而改变，其变化规律符合普朗克 黑体辐射定律，因此黑体的光谱辐照度和光谱辐亮度标准可以由其温度标准推 幽1 1 黑体辐射器结构 得。采用黑体作为辐射标准的最大不确定度来源于黑体的温度，在实际使用过程 中黑体的温度很难控制并且很难测量准确，因此带来测量不确定度较大。在3 5 0 1 1 0 0 n m 波段，其光谱照度测量的不确定度约为0 6 7 43 4 2 n f ”，紫外区的 不确定度更大q 经过标准传递，到工作标准上的不确定度为1 7 ，经过多 次标准传递，最终实际传递到光谱辐射测量仪器的不确定度已经达到了5 1 0 。但是近年来黑体技术的发展使之精度大大提高【”，作为红外波段的标准源 仍被广泛应用。 第一章引言 ( 2 ) 低温辐射计标准 2 0 世纪8 0 年代，发达国家采用低温绝对辐射计h a c r ( h i g ha c c u r a c y c r y o g e n i ci 己a d i o m e t e r ) 作为高精度辐射标准源【8 】【9 】【l o 】。它是低温屏蔽下的电替代辐 射计e s r s ( e l e c t r i c a ls u b s t i t u t i o nr a d i o m e t e r s ) ，也属于热探测器的范畴，测量 原理与电替代辐射计相同。其结构如图1 2 所示，锥管形的吸收腔内壁涂覆了高 吸收率材料，入射光在其中多次反射后接近于完全被吸收。吸收腔体处于液氮 ( 7 7 k ) 和液氦( 4 2 k ) 两个杜瓦瓶的双层冷屏蔽下，隔绝了环境热辐射，也使 光、电加热过程达到极高的等效性。探测室部分使用了超导连线，在低温下其电 阻损耗可以忽略。入射光使辐射计内部接收腔的温度升高，达到热平衡后挡住入 射光，将电加热产生同样温升所需要的电功率等效于实际的入射光功率。 这些先进技术的运用使e s r s 常温下的缺点得以解决，也使之测量光功率的 不确定度达到了o 0 1 左右，其精度远远高于任何一种黑体辐射源。目前许多国 家和国际标准化研究机构( 如n i s t ，n p l ，p t b 等) 正致力于低温绝对辐射计 的高精度辐射标准和标准传递研究工作。 1 2 2 辐射标准传递方法 图1 2n i s t 低温辐射计结构示意图 绝对辐射定标的精度不仅取决于初级标准本身的精度，还取决于辐射标准的 传递方法。由于初级标准一般都有体积大，操作困难、不易维护，造价昂贵的特 点，不便于在日常工作、实验中使用，因此必须在辐射初级标准的基础上，进行 4 0 0 10 0 0 n m 波段基于探测器的绝对光谱辐照度定标方法研究 辐射标准传递技术研究，将高精度初级辐射标准传递到易操作的次级标准器件和 工作标准器件上，使它们在一定的条件下也具有较高的精度，用于日常使用。光 辐射标准传递方法通常有两种：一种是基于标准辐射源法，一种是基于标准探测 器法。 1 2 2 1 基于标准辐射源法 基于标准辐射源法的标准传递链的建立是以黑体辐射理论为基础的。以黑体 作为初级基准，采用了从辐射源向辐射源的传递方法。例如，以金点黑体作为辐 射初级标准，先用金点黑体标定一个变温黑体的温度，根据普朗克黑体辐射定律， 变温黑体的温度与其辐亮度一一对应，然后用该变温黑体标定出一个小积分球的 光谱辐照度；再进一步将辐射标准从积分球传递到初级标准灯；最后利用初级标 准灯定标次级工作标准器件( 如图1 3 ) ，图右侧为各级标准的不确定度。 图1 3 基于辐射源的标准传递链 1 2 2 2 基于标准探测器法 初级标维 0 6 - - 4 次级标准 o 7 - - 5 工作标准 1 7 溯纛仪嚣 5 l o 由于低温绝对辐射计运行条件苛刻，费用高昂等特点也使它不能用于实际的 工作之中，为了能在实际工作中应用低温辐射计的高精度，就需要把高精度的初 级标准传递到便于实际应用的次级标准和工作标准上，并要求同时保证很高的精 度。 随着半导体技术的发展，高质量的硅光电二极管相继问世。这种高质量的器 件具有高的灵敏度、好的线性，极小的漏电流和噪声，高的动态电阻，在加反向 第一章引言 偏压的条件下它的外量子效率接近于1 。在这种技术发展的推动下，2 0 世纪8 0 年代兴起了硅光电二极管自校准技术和光陷阱硅光电二极管组合自校准技术，这 一新技术大大提高了光辐射测量的精度，其不确定度达到了o 1 左右【i l 】。 硅陷阱探测器是由多个硅光电二极管按一定的空间方位组合起来，经过多次 反射和吸收，射入器件内部的光基本上全部被吸收，反射光仅占入射光的十万分 之几，达到完全可以忽略的程度，因此也称这种器件为全吸收的光陷阱器件。另 外，硅光电二极管的陷阱探测器体积小，操作方便和价格低廉等特性，使它成为 标准传递探测器的最佳选择。 随着低温绝对辐射计和陷阱探测器的出现，使传统的基于标准辐射源的辐射 标准传递方法经历了一次突破性的飞跃，低温绝对辐射计逐渐取代传统的黑体成 为辐射初级标准，而基于陷阱探测器的标准传递链逐步取代了传统的基于辐射源 ( 如标准等) 的标准传递链。图1 4 即为新型的基于低温绝对辐射计和陷阱探测 器的高精度辐射标准和辐射标准传递链，图右侧为各级标准的不确定度。 图1 4 基于探测器的辐射标准传递链 第三节基于探测器标准的应用 随着现代定量遥感应用的发展，对辐射定标的精度提出了越来越高的要求。 虽然基于辐射源的定标方法历史悠久，技术成熟，精度进一步提高比较困难，难 以满足卫星遥感对高精度辐射定标要求。基于低温辐射计的辐射定标方法和技术 具有精度高、稳定性好等诸多优点，正逐渐在很多领域得到应用。 4 0 0 1 0 0 0 n m 波段基于探测器的绝对光谱辐照度定标方法研究 1 3 1 基于探测器标准在计量方面的应用 1 3 1 1 基于探测器标准重新计量采用传统方法定义的辐射亮度、辐射照度 如前面所述，光辐射标准传递方法通常有两种：一种是基于标准辐射源法， 一种是基于标准探测器法。在光辐射计量领域，如何尽可能降低标准传递过程中 的不确定度是其核心研究内容之一。基于标准探测器的辐射标准实现和传递方 法，其主要特点是具有标准传递链条短以及各级传递标准不确定度低。自1 9 9 3 年开始n i s t 已经将其光度学标准采用基于探测器的测量方式并溯源到低温辐射 计。在n i s t 采用低温辐射计作为光谱响应率初级标准，基于探测器标准传递链 有明显的优点【1 2 j ，如图1 5 所示，其中由于b 标准传递链中广泛使用了探测器， 只是在末端环节采用了辐射源作为标准，可以看出整个传递链较短，而且测量不 确定度较低，而a 标准传递链中更多采用了辐射源作为标准，因此在传递过程中 引入的不确定度较高，而且传递链较长。 基于探测器的光辐射测量精度高和重复性好，目前很多计量单位都开始采用 a b s o l u t ed e i t o r i g o l df r m z l n g - p o i n tb l 丑c k 4 m d y i l a m p l ( 1 3 3 7 3 k ) l l a m p 2 ( 1 5 3 0k 】 r a r i a b l e - t e m p e r a m r eb l a c k b o d y ( 1 6 1 0 k t 0 2 6 5 4 k ) i n t e g r a t i n gs p h e r es o u r c e ( i s s ) l p r i m a r yw o r k i n g s t a n d a r dl a m p s ( bi h i g k a c 翎m c y c r y o g e n i cr a d l o m c t e r 0 t r a pd e t e c t o r s j s i l i c o nw o r k i n g s t a n d a r dd e t e c t o r s l f i l t e r r a d i o m e t e r s 上 h i g h - t e m p e r a t u r eb l a c k b o d y ( h t b b ) j r p r i m a r yw o r k i n g s t a n d a r dl a m p s 图1 5 基于辐射源和基于探测器测量步骤 基于探测器测量技术实现，比如光照度、发光强度和光谱辐照度以及坎德拉等新 的定义【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】，基于探测器标准把光度学测量和光辐射测量紧密联系 起来。在现代光辐射计量中，基于探测器的滤光片标准探测器是直接联系低温绝 对辐射计等初级辐射标准和各级工作标准及用户标准的桥梁和纽带，大大缩短了 第章引言 初级辐射标准和工作标准及j i 户标准之间的传递链长度，使最终传递至用户的辐 射标准不确定度大大降低，如图1 6 所示。 1 3 1 2 采用基于探测器测量方法确定黑体的辐射温度 h “：m t - t ! i l o 一一 上t t “m x 一。j ， - k m j 。t “t “一。上 t ：n # m 上tm ”“m “一；上 wp#tk n lt i ，k $ k 月女l 一+ 上一一一一上 j 堪g 圈i6 滤光片标准探4 器缩短辐射初级标准与_ l _ l 】户标准问传递链 虽然基于探钡4 器的定标方法在很大程度上替代了传统基于辐射源定标方法， 但在红外波段辐射定标( 包括实验室定标和星上定标) ，基于辐射源的定标方法 还是发挥很大的作用例如黑体。 黑体的光谱辐射符合昔朗克黑体辐射定律即己知热力学温度的黑体辐射通 罱通过普朗克公式计算，因此黑体温度的测量至关重要。通常采用气体温度计很 难测量准确现在很多实验室( n i s t 、p t b 、n p l 和v n i i o f i ) 都采用滤光片 辐射计直接测量黑体的光谱辐照度和辐亮度的方法取代采用凝固点温度测量方 法来确定黑体辐射温度，采用独立于i t s 9 0 的辐射测量方法建立黑体光谱辐射照 度和辐射亮度【1 9 1 标准。躅1 7 给出了基于探测器标准测量黑体辐射热力学温度的 方法，热力学温度辐射测量包括绝对测量方法和相对测量方法。 为了验证基于探测器标准测量的可靠性与准确性，很多国家标准实验室对黑 体辐射温度测量进行了比对测量【2 0 i 。在1 9 9 7 年莫斯科的v n i i o f i 进行了一次 辐射温度测量的对比，参加单位有p t b 、n p l 和v n i i o f i ，v n i i o f i 精度最高 的黑体作为辐射源。比对实验示意图如图1 8 所示，黑体由放置于平移台上面的 滤光片辐射计和光度计进行测量，进而对测量数据进行比对。在2 3 0 0 k 到3 1 0 0 k ， 4 0 0 - 1 0 0 0 r i m 波段基于探测器的绝对光谱辐照度定标方法研究 滤光片辐射计测量的辐射温度一致性在i k 到2 k 之间。 图1 7 辐射测量方法确定热力学温度 t r a n s l a t i o ns t a g e 图1 8 对比实验装置示意图 f i l t e r e d d e t e c t o r c o m b i n e ds t a n d a r du n c e m 岫 k 1 3 0 0 k2 0 0 0 k2 8 0 0 k3 2 0 0k 图1 9 温度测量比对联合相对不确定度【1 9 】 1 3 2 基于探测器标准在卫星传感器实验室定标中的应用 从遥感技术发达国家多年来卫星遥感器辐射定标的发展历程来看，基于标准 辐射源的传统定标方式，由于精度难以得到实质性提高，已逐渐成为制约定量化 一| 言 遥感发展的技术瓶颈。随着低温辐射计的发展和应用，基于探测器标准逐渐应用 到星载传感器发射前定标中。比较典型的过程可以描述为“低温辐射计一辐亮度 辐照度标准探测器一末级积分球一星载传感器”。美国n a s a 自2 0 世纪9 0 年代 根据这种定标方案，已经成功设计出多种与卫星传感器相匹配的辐亮度标准探测 器。例如，有以下几种辐亮度标准探测器： ( 1 ) t h es e a w i f st r a n s f e rr a d i o m e t e r ( s x r ) 2 2 1 s e a w i f s 测量离，丌水面辐射亮度的相对标准不确定度必须小于5 才能满足 任务的要求，为了满足任务要求n i s t 光学部研制了传递辐刺计s x r ( t h e s e a w i f st r a n s f e rr a d i o m e t e r ) 用于s e a w i f s 传感器的辐射定标，并作为n a s a s e a w i f s 计划的一部分。它的目的是用于可见近红外波段的六个分立波长对各种 定标光源辐射亮度进行测量验证和比较此外它还是定标光源和n i s t 的辐射亮 度标准比较的桥梁。图11 0 为其结构示意图。 ( 2 ) n i s t v x r ( v i s i b l e t r a n s f e r r a d i o m e t e r ) 【2 由n i s t 为e o s ( e a r t ho b s e r v a t i o ns y s t e m ) 计划设计，它同样是一个六通 道滤光片辐射计，是s x r 的改进型。v x r 的滤光片的中心波长与搭载在e o s t e r r a 平台上m o d i s 、a s t e r 和m i s r 等卫星的可见近红外的某些通道相同。 v x r 是e o s 用于不同传感器交叉定标的辐射亮度标准探钡4 器。图11 i 为萁结构 图。 蒸_ _ i 薄 潲零雀 蹩羔型 幽l1 0s x r 结构示意蚓，1 、三角架支点：2 、8 5 m m 焦距的物镜3 、精密截i t 视场光阑； 4 、 个楔形折叠镜：5 、a 组干涉滤光片和探测器；6 、光学调整目镜；7 、光学调整转镜 8 、电路扳 ( 3 ) t x r t h e t h e r m a li n f r a r e d t r a n s f e r r a d i o m e t e r ) “” n i s t 提供了便携式的t x r 用于e o s 热真空波段仪器的定标，t x r 直接利 用n i s t 基于探溯器的辐射测量方法进行定标。t x r 是一个液氨制冷双通道滤 4 0 m 1 0 0 0 n m 嫒段基于探测# 的绝对光讲辆照度定拓方 兜 图1 1 1v x r 探铡器结构1 鍪i 光片辐射计，通道1 使用了一个光伏型i n s b 探测器，中心波长为5 岬；通道2 使用了一个光伏型h g c d t e ( m c l ) 探测； ；中心波长为1 0 p r o ，带宽都为l p m ， t x r 的内部结构如图11 2 所示。 总上所述，不论是在计量方面，还是在卫星传感器辐射定标方面，基于探测 器的新一代定标方法可以突破性的提高现有光辐射定标精度。事实上，这种方法 得以实现的核心部件就是多波段辐亮度或辐照度滤光片辐射计。如何高精度定标 滤光片辐射计是实现这种高精度定标方法的首要前提条件。 圈1 1 2 r x r 结构示意幽 第四节滤光片辐射计的辐射定标方法 通常基于探测器标准应用中，标准探测器都是滤光片辐射计。滤光片辐射计 第一章引言 结构主要由三部分组成：光阑、滤光片和探测器。滤光片辐射计定标方法有两种： 一、滤光片辐射计各个部分独立进行定标；二、滤光片辐射计作为整体进行定标。 1 4 1 滤光片辐射计各部分独立进行定标 传统方法是将滤光片辐射计各个部件分别进行定标【2 5 1 ，滤光片辐射计的响应 率由探测器光谱响应率、干涉滤光片光谱透过率和精密光阑的面积计算而得。 1 4 1 1 探测器光谱响应率定标 探测器光谱响应率通常采用光谱替代法进行定标，所谓替代法就是用标准探 测器将自身响应率传递到待测探测器。定标方法通常有以下几种： ( 1 ) 单波长激光器+ 低温辐射计+ 待定标探测器 这种方法以低温辐射计作为标准源，直接与其进行比对，其优点是测量精度 高【8 1 【9 1 ，但是由于