用于遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计

摘要

用于卫星遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计属于遥感器在轨光谱辐射定标领域，该辐射计包括：积分球主体、滤光片探测器模块和光电测量模块；所述积分球主体内开两个口，反射光通过两个开口分别进入固定在积分球主体外部的滤光片探测器模块和光电测量模块；积分球主体内部涂有漫反射涂料。本发明具有对低功率信号进行高精度测量的能力，同时具备性能长期稳定的保证，可以为空间在轨溯源低温辐射计标准所使用，配合本发明所具备的将功率基准转换为辐亮度基准及高分辨率、低不确定度水平的基准传递的特点，很好地解决了对成像光谱仪等卫星遥感器载荷的高精度在轨溯源至SI光谱辐亮度绝对定标的难题。

说明书

技术领域

本发明属于遥感器在轨光谱辐射定标领域，涉及一种用于卫星遥感器在 轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计。

背景技术

随着人类对全球气候变暖、高分辨率对地观测、极端灾害预报等若干重 大问题的持续深入研究，对可溯源至统一辐射基准的高质量航天遥感数据的 需求越来越迫切。由于现有的卫星光学遥感载荷光谱辐射定标缺少高精度的 统一辐射基准，导致大量卫星的遥感数据存在较大的测量误差，使得现有遥 感卫星难以满足气候、资源和环境等某些领域大量的科学数据需求。为满足 对地球气候观测的研究需求，各种空间任务提供了大量的观测数据，数据的 质量和公布精度的可靠性和充分性成为数据有效使用的关键。但在空间业务 中，尤其对于光学传感器，虽然发射前的地面定标手段完善，定标精度高， 但是由于发射过程震动以及入轨后空间环境等影响，在轨辐射标度发生衰减 和漂移，辐射基准传递链断裂，致使入轨后的仪器无法溯源至SI(国际基本 单位制——theinternationalsystemofunitsofmeasurement)。为了提高在轨定 标精度，使其不确定度水平与国家计量实验室的一级标准量级相当，需要建 立严格可溯源SI的空间在轨辐射基准传递系统，由此建立数据质量和数据精 度控制体系，从机制上对遥感辐射定标进行规范，保证所有的直接获取数据 或者有源产出数据都能够真实有效的溯源到SI，以前所未有的在轨低不确定 度水平，对影响气候变化的参量进行监控。由于太阳总辐照度和光谱辐照度 在长时间的尺度内可认为是稳定的，所以将太阳作为在轨遥感器的辐射源， 利用空间低温辐射计对其测量，由此形成可溯源SI的基准传递系统。但是由 于空间载荷体积重量的限制，直接导致接收的太阳辐射量值有限，当其应用 到窄带宽谱段级别时，辐射值已经非常微弱，如何将其监测并用于遥感器光 谱辐射定标是关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可溯源SI的、高集 成度、高精度测量的用于遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

用于遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计，其特征在于， 该辐射计包括：积分球主体、滤光片探测器模块和光电测量模块；所述积分 球主体内开两个口，反射光通过两个开口分别进入固定在积分球主体外部的 滤光片探测器模块和光电测量模块；积分球主体内部涂有漫反射涂料。

本发明的有益效果是：本发明所提供的用于遥感器在轨光谱辐射绝对定 标的积分球传递辐射计将将陷阱探测器标准和滤光片辐射计功能合二为一， 结构集成度高，小巧轻便，适合作为在轨载荷进行空间辐射定标。本发明的 双口径光阑设计可以提供功率基准与辐照度基准和辐亮度基准之间的转换。 本发明所采用的一次反射隔板配合高漫反射率低镜面反射率涂料可以实现入 射光在光电测量模块开孔和滤光片探测器开孔处的出射光的高朗伯均匀性。 本发明在光电测量模块内采用独特的光调制器系统和数字相敏检波技术，并 将InGaAs探测器进行了机械制冷，使其工作在240K低温下，最终实现了 10^-13W量级、10⁷动态测量范围和最低测量功率水平信噪比可达到400的高 精度电路测量控制系统。配合特殊选取的15个窄带滤光片，使用平滑插值算 法，本发明中的滤光片探测器实现了对覆盖300～2500nm太阳反射谱段， 3～10nm分辨率的光谱辐射定标，基准测量传递不确定度0.3％水平。综上所 述，本发明所涉及的用于卫星遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐 射计具有对低功率信号进行高精度测量的能力，同时具备性能长期稳定的保 证，可以为空间在轨溯源低温辐射计标准所使用，配合本发明所具备的将功 率基准转换为辐亮度基准及高分辨率低不确定度水平的基准传递的特点，很 好地解决了对成像光谱仪等卫星遥感器载荷的高精度在轨溯源SI光谱辐亮 度定标的难题。

附图说明

图1是本发明所提供的积分球辐射计整体系统的结构示意图。

图2是图1中光学测量模块内部的信号测量控制电路原理图。

图中：1、积分球主体，2、精密视场光阑，3、第一孔径隔栏，4、第二 孔径隔栏，5、一次反射挡板，6、滤光片探测器模块开孔，7、光电测量模块 开孔，8、漫反射涂料，9、光电测量封装，10、光调制器系统，11、第一Silicon 和InGaAs探测器，12、第一机械制冷装置，13、信号测量控制电路，14、 滤光片探测器封装，15、滤光片及其轮换装置，16、第二Silicon和InGaAs 探测器，17、第二机械制冷装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明涉及的一种用于卫星遥感器在轨光谱辐射绝对定标的 积分球传递辐射计，主要由积分球主体、光电测量模块和滤光片探测器组成。

积分球主体包括积分球腔1、精密视场光阑2、第一孔径隔栏3、第二孔 径隔栏4、一次反射挡板5、滤光片探测器模块开孔6、光电测量模块开孔7、 漫反射涂料8。精密视场光阑2装配在积分球腔1的入口处，第一孔径隔栏3 和第二孔径隔栏4分别设置在精密视场光阑2内；一次反射挡板5设置在滤 光片探测器模块开孔6和光电测量模块开孔7与入射光束的第一次反射面之 间，漫反射涂料8均匀分布在积分球腔1内表面和一次反射挡板5全表面。

光电测量模块包括光电测量封装9、光调制器系统10、第一Silicon和 InGaAs探测器11、第一机械制冷装置12、信号测量控制电路13。光调制器 系统10紧邻光电测量模块开孔7之后装配，第一Silicon和InGaAs探测器 11安装在经过光调制器系统10的光路上，信号测量控制电路13与第一 Silicon和InGaAs探测器11一同封装，第一机械制冷装置12与该封装相连 接装配于其后，位于光电测量封装9的尾部。

滤光片探测器模块包括滤光片探测器封装14、滤光片及其轮换装置15、 第二Silicon和InGaAs探测器16、第二机械制冷装置17.滤光片探测器封装 14与滤光片探测器模块开孔6相连，滤光片及其轮换装置15安装于探测器 模块开孔6之后，第二Silicon和InGaAs探测器16安装在经过滤光片及其轮 换装置15之后的光路上，第二机械制冷装置17与第二Silicon和InGaAs探 测器16相连，位于滤光片探测器封装14尾部。

当有光束经过精密视场光阑2入射到积分球腔1中时，如果光束不完全 覆盖第一孔径隔栏3和第二孔径隔栏4，是采用功率基准溯源定标；如果光 束完全覆盖第一孔径隔栏3和第二孔径隔栏4则是采用辐亮度基准溯源定标； 如果只覆盖第一孔径隔栏3和第二孔径隔栏4其中之一，则采用辐照度基准 溯源定标。入射光在积分球腔1内经过第一次漫反射后，部分反射光会被一 次反射挡板5挡住，避免直接入射进入滤光片探测器模块开孔6和光电测量 模块开孔7，这样经过漫反射涂料8的多次反射后，探测器模块开孔6和光 电测量模块开孔7将会接收到高朗伯性亮度均匀的光辐射。如图2所示，射 入光电测量封装9的光线将会经过光调制器系统10，光调制器系统10由光 调制器和频率发生器组成，通过频率发生器控制光调制器的转动频率来对入 射光信号叠加固定频率的背景信号，以此进行相位调制。经过相位调制后， 光束再入射到第一Silicon和InGaAs探测器11上，由于入射光能量微弱，利 用前置放大器对产生的电信号进行适度的放大以便于检测。同时因为入射光 叠加了相位调制，所以配合频率发生器产生的与背景信号频率相同的参考信 号，经过信号测量控制电路13对其进行数字相敏检波采集后，可以得到噪声 水平非常低的测量信号，再配合第一机械制冷装置12为第一Silicon和 InGaAs探测器11提供的240K低温环境，最终实现对覆盖1100nm～2500nm 太阳反射谱段5～10nm分辨率的微弱光谱辐射进行高精度的探测器响应定 标，由此利用定标后的探测器可以计算入射到光电测量模块的相关光辐射量 值(功率)，由于滤光片探测器模块开孔6和光电测量模块开孔7的开孔面积 相同，所以入射到滤光片探测器的光辐射量值可以由此确定，进而对滤光片 探测器进行光谱响应定标。探测器模块开孔6接收到与光电测量模块开孔7 相同的均匀光辐射，之后入射到滤光片探测器封装14的光经过滤光片及其轮 换装置15，由于滤光片不断地更替轮换，所以依次得到15个不同通道相对 应的窄带波段范围内波长辐射，这样的准单色光最终被第二Silicon和InGaAs 探测器16接收，配合第二机械制冷装置17提供的低温环境，最终完成与光 电测试模块相同的高精度弱光信号采集及其响应度定标，建立起第二Silicon 和InGaAs探测器16与经过精密视场光阑2入射到积分球腔1的光束功率、 辐照度或辐亮度绝对值之间的数学关系，实现利用本发明涉及的积分球辐射 计对卫星遥感器的光谱辐射在轨溯源定标测量。利用相同路径的太阳光辐射 照射在需要被定标的卫星遥感器和本发明涉及的在轨光谱辐射绝对定标的积 分球传递辐射计上，就可以得到卫星遥感器的在轨光谱响应度，使其得到高 精度的可溯源SI定标测量。

本发明的用于遥感器在轨光谱辐射绝对定标的积分球传递辐射计具有高 精度的微弱光信号采集能力、非常宽的光谱覆盖范围以及精确的测量定标性 能，其结构设计特点适合与在轨低温辐射计基准搭配使用，实现卫星遥感器 低不确定水平下的可溯源SI在轨光谱辐射绝对定标工作。