紅外遙感器輻射定標技術概述

楊林華，肖慶生，蔣山平

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

隨著遙感技術的發展，遙感衛星廣泛應用于地球測繪、海洋觀測、氣象預報、環境監測、地球資源探測等領域。在遙感衛星發射前，其紅外遙感器需要在地面模擬空間環境下進行絕對輻射定標試驗，以便建立其輸出數字量與入瞳輻射亮度之間的對應關系，反演地物的光譜反射特性和光譜輻射特性，同時檢測遙感器的輻射響應特性以及內定標裝置的工作性能[1]。

國際上非常重視紅外遙感器的輻射定標技術，美國、歐洲、俄羅斯等均研制了大型輻射定標設備，并廣泛應用于航天器試驗中，在研制、使用等方面積累了大量的實際經驗。隨著我國航天事業的發展，對遙感技術的需求更加迫切，這為發展輻射定標技術提供了機遇。

本文跟蹤研究了國外大型輻射定標設備的結構特點、性能指標以及研制和使用經驗，針對目前我國的輻射定標技術與國外的差距，提出了今后發展的一些思路。

1 國外典型輻射定標設備

1.1 NASA 輻射定標設備

1970年之前，衛星紅外遙感器的定標精度僅達到5%～10%的水平。為了滿足紅外遙感器1%定標精度的需求[2-6]，美國NASA 在20世紀70年代建立 了紅外遙感器輻射定標設備。該定標設備的光學系統采用離軸拋物面反射鏡系統，離軸角為9°，有效孔徑為630 mm，焦距為3000 mm；反射鏡的材料為零膨脹系數的微晶玻璃，鏡面鍍覆了金反射膜，其反射率達到98.5%。系統的點光源為溫度連續可調的黑體，在10.6 μm 波長處的發射率為0.999 9±0.000 1；在5～25 μm 譜段內的定標精度達到1%，定標溫度范圍為80～300 K，測溫精度優于0.01 K。

同時，該設備還配置了反射率和輻照度的原位測量裝置，分別如圖1和圖2所示。反射率原位測量裝置由輔助光學系統、中溫黑體和Hg-Cd-Te 探測器組成。其中輔助光學系統由離軸拋物面反射鏡和3 塊直徑為100 mm 的折光鏡組成，離軸拋物面反射鏡的有效口徑為178 mm、焦距1000 mm、離軸角9；中溫黑體的溫度為875 K。輻照度原位測量裝置包括輔助離軸拋物面準直光學系統、掃描鏡和中溫黑體。其中輔助離軸拋物面準直光學系統的口徑127 mm，離軸角20°。

圖1 反射率原位測量裝置Fig.1 In-situ reflectivity measurement system

圖2 輻照度原位測量裝置Fig.2 In-situ irradiance measurement system

1.2 美國AEDC 輻射定標設備

從20世紀70年代開始，美國空軍阿諾德工程發展中心（AEDC）經過幾十年的發展，建立了多套能滿足空間和機載遙感器輻射定標需要的設備，其中最著名的是7 V 和10 V 定標設備。

1.2.1 7V 定標設備

7 V 定標設備能夠提供衛星遙感器從可見光到遠紅外的輻射定標，其光學系統為雙鏡離軸反射式卡塞格林系統，焦距為16 500 mm，準直光束的有效孔徑為500 mm，視場角為1.4；反射鏡表面鍍了增強銀膜和保護膜，在0.5～30 μm 之間的反射率高于88%[7-8]。該設備容器結構如圖3所示[2]，定標系統光路如圖4所示[8]。

圖3 7 V 定標設備容器結構Fig.3 Structure of the 7 V chamber

圖4 輻射定標系統光路Fig.4 Light path for the calibration system

1.2.2 10V 定標設備

10 V 定標設備具有閉環檢測的能力，能夠提供現實場景對多譜段的光電傳感器進行性能檢測，從而大幅度提高了定標技術水平。其光學準直系統為四鏡系統，焦距為14 300 mm，準直光束的有效孔徑為350 mm，視場角為1.4°，衍射極限為1.8 μm，目標分辨率優于1 mrad[9-11]。圖5是該設備的定標系統原理[9]，圖6為該設備的容器結構[9]。

圖5 10 V 定標設備定標系統原理圖Fig.5 Principle of the calibration system for 10 V chamber

圖6 10 V 定標設備容器結構Fig.6 Structure of 10 V chamber

1.3 Los Alamos 國家實驗室輻射定標設備

20世紀90年代，美國Los Alamos 國家實驗室建立了一套可見/紅外輻射定標裝置，用于光學和紅外遙感器的絕對輻射定標[12-13]。其光學系統采用離軸拋物鏡準直系統，準直鏡口徑530 mm，焦距1700 mm。設備的真空度達到1.33×10-4Pa。

標準輻射源放置在光學系統的焦點處，輻射源包括兩個黑體、一個積分球、一臺單色儀、一臺干涉儀，定標譜段范圍為0.4～12 μm。所有輻射源的標定在美國國家標準技術研究院（NIST）進行，使得在可見光、近紅外（0.4～2.5 μm）、紅外（2.5～12 μm）譜段內絕對定標精度均達到±3%。該設備還用于偏振、光譜效應、空間分辨率等的標定。設備配備了兩組光闌，其中一組被冷卻，用于紅外定標；另一組為可見光光闌，用于在室溫下對可見光進行定標。整個裝置結構如圖7所示[13]。

圖7 Los Alamos 國家實驗室輻射定標裝置Fig.7 Radiometric calibration station in Los Alamos National Laboratory

1.4 Lockheed 公司輻射定標設備

美國Lockheed 公司的低背景紅外輻射定標設備是為完成遠紅外探測器的輻射定標試驗而研制的。它包括光學、目標模擬、數據獲取等系統，具有大動態范圍的多譜段輻射光源，優質的大口徑、準直光學系統，低溫黑體和20 K 冷屏等[14-16]，其結構如圖8所示[14]，定標原理如圖9所示[16]。

圖8 Lockheed 輻射定標設備Fig.8 Lockheed Sensor Test Facility(STF)

圖9 STF 的輻射定標原理Fig.9 STF’s sensor calibration principle

1.4.1 光學系統

該設備的定標光學系統是離軸反射式R-C系統，焦距為12 700 mm，準直光束的有效直徑為600 mm，視場角為±1.5°。光學系統進行了很好的近軸校正，無漸暈離軸視場為±0.5°。光學系統的軸上幾何彌散圓在波長為10.0 μm 時小于30 μrad，離軸幾何彌散圓在波長為10 μm、視場為±0.5°時小于50 μrad。

1.4.2 輻射光源

該設備中有標準黑體和積分球輻射源。標準黑體的溫度范圍為100～450 K，長期溫度變化（穩定性）為0.1 K，短期穩定性為0.02 K/h；采用鉑電阻測溫；在10 個位置開有10 個孔，分別輸出不同的輻照度；向探測器提供調制光束，調制頻率范圍為0～100 Hz。積分球輻射源提供低能量的目標信號，并能覆蓋一個很寬的動態譜段范圍。它包含3 個獨立的積分球：一個是黑體光源，與其相對的一個是小膜片熱源，中間的積分球為輸出球。在積分器輸出口的前面，裝有間斷變化的濾光片和光闌，調制頻率0～100 Hz。

1.5 法國Orsay 太空紅外觀測相機（ISOCAM）輻射定標設備

在ISOCAM 組裝到望遠鏡之前，將其置于模擬的光、熱、機械和電環境下進行輻射定標，并對遙感器的性能進行驗證和評估[17-19]。另外，通過這些試驗可以掌握儀器的使用方法，獲得標定觀測結果以及處理數據的方法等。定標系統構成如 圖10所示[17]。

圖10 法國ISOCAM 定標設備Fig.10 France calibration system for ISOCAM

1.5.1 光學系統及定標原理

定標光學系統實際上是一個望遠模擬鏡，它包含了1 個f/15 的球面反射鏡和2 個平面折光反射鏡。ISOCAM 安裝在一個φ1000 mm 且用液氦循環冷卻的光學平臺上，可在2.5～4.5 K 的溫度范圍內控溫，控溫穩定性為±0.1 K/h。

定標時望遠模擬鏡將光源成像到ISOCAM 的焦面上，而成像系統的光瞳由成像反射鏡決定，它到ISOCAM 的距離與ISOCAM 到望遠模擬鏡次鏡的距離相等，得到與望遠模擬鏡等價的光束（f/15）。輸出光束在進入ISOCAM 的視場之前，先被偏振。同時，光譜定標系統將一束單色光通過ZnSe 窗口從容器外面輸入到擴展光源，對模擬光源進行實時光譜定標。

1.5.2 模擬光源

該定標裝置有2 個黑體，其中1 個是點光源，另1 個是擴展光源，它們分別輸入到兩個積分球，形成均勻的輻照面。模擬光源的輸出口徑由不同的光闌確定，再利用不同的濾光片獲得需要的光譜，光譜的衰減因子為10-8～10-4。點光源裝在x、y、z向運動機構上，光源的大小為φ80 μm。黑體的溫度范圍為150～459 K。

1.6 德國APEX 輻射定標設備

歐空局在德國航天中心（DLR）建立了APEX輻射定標設備[20]，如圖11所示，專門用來進行機載棱鏡試驗的超光譜成像光譜儀的地面定標，也能夠滿足其他成像光譜儀的定標需求。從定標設備兩端發射的信號可以進行選擇，一端可以進行空間定標，通過使用1 個離軸準直光束和6 個不同寬度與方向的狹縫，從而在沿著出射方向和垂直出射方向上測量出線擴展函數（LSF）；從另一端可以進行光譜定標，通過一個單色儀可以提供380 nm～ 13 μm 譜段，以及帶寬在0.1 μm 至5 μm 之間的輻射光[21-22]。

圖11 APEX 輻射定標設備布局圖[20]Fig.11 APEX radiometric calibration equipment

1.7 俄羅斯大型輻射定標設備

俄羅斯遙感器的輻射定標技術具有國際水平。俄羅斯天文和大氣物理研究所（IAAP）的空間研究試驗室建立了空間遙感器的輻射定標設備及多種標準輻射源。定標設備的光學系統為離軸式拋物反射鏡準直系統，其口徑為300 mm，焦距f為 3000 mm，曾對“Salyut 4”、“Salyut 6”、“Salyut 7”空間站的輻射計和其他遙感衛星的遙感器進行了輻射定標試驗，其定標譜段從紫外到遠紅外。

俄羅斯瓦維洛夫空間光學技術研究所建有立式輻射定標設備，用于空間光學遙感器在模擬空間環境下的輻射定標。系統定標的溫度范圍為80～-150 ℃；定標光學系統口徑為600 mm。

2 我國紅外遙感器輻射定標技術的發展

衛星紅外遙感器在模擬空間環境下的輻射定標技術綜合了光學、機械、真空、低溫、控制、測試等多種技術，定標設備結構復雜、技術難度大，是遙感衛星研制的關鍵技術之一。

我國曾在資源衛星、氣象衛星等研制中完成了遙感器的輻射定標試驗，初步掌握了衛星遙感器的輻射定標技術[23-25]，但對于空間光學遙感器在模擬空間環境下輻射定標技術的研究還處在初級階段。為了縮小與國外的技術差距，提出發展建議如下：

1）追蹤國外定標技術發展動態，包括光學系統參數原位測量技術，標準源光譜輻亮度、輻照度的原位測量技術等，作好前期的技術論證；

2）開展在模擬空間環境下定標系統光學參數原位測量技術研究，提高定標精度；

3）引進紅外光譜輻亮度計，開展在模擬空間環境下標準源光譜輻亮度、輻照度的原位測量標定。

目前，我國雖然有氣象衛星輻射定標設備、資源衛星紅外多光譜掃描儀輻射定標設備，但都受到型號的局限，通用性不夠。因此，有必要在“資源一號”衛星紅外多光譜掃描儀定標設備的基礎上，再建立一套大型的、通用的地面綜合輻射定標設備，以解決目前我國輻射定標的型號局限性，滿足未來研制不同通光口徑、不同焦距、不同分辨率和不同響應譜段的空間探測光學遙感器的需要。

3 結束語

通過對國外輻射定標技術的跟蹤分析，可以進一步明確我國在這個領域的發展方向。針對我國航天事業的發展，應著手制定相應的計劃，開展關鍵技術的預先研究，尤其是在模擬空間環境下原位定標技術、光學系統溫控技術和輻射定標精度分析技術等；加強與國外的技術合作和交流，引進國外先進技術，不斷完善我國現有的測試手段，提高衛星遙感器輻射定標的技術能力和水平，以滿足不同型號遙感衛星輻射定標的需求。

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