利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计

基于内部照明积分球的辐亮度定标方法，获得了接近理想的大面积辐亮度光源（～2％），标定了在研的空间紫外遥感光谱辐射计的亮度响应度。在假设标准灯为均匀亮度的点光源情况下，对照明因子进行了修正。同时利用两种漫反射板对此修正进行了实验研究，得到了采用两种漫反射板标定的光谱辐射计亮度响应度有很好的一致性（1％）的结论。初步的定标数据分析显示，石英卤钨灯光谱辐照度测量的相对不确定度和距离测量的不确定度是积分球定标最主要的不确定度来源，可用于紫外波段光谱辐射计的高精度辐射定标，并可以极大地降低定标不确定度。

锚链式水下多光谱辐射计的设计

研发了一种向下光谱辐照度和向上光谱辐亮度的锚链式水下多光谱辐射计,主要用于深层海水的测量。解决了水下光学窗口的污染问题。采用高灵敏度光电探测器与高精度ADC相结合的方法探测了深层海水的微弱光信号。电池的使用采用了时钟控制和间断供电方式。通过电感式Modem实现了数据的实时传输。

多波段水下光谱辐射计

研制了基于干涉滤光片分光的船载多波段水下光谱辐射计 ,该辐射计可同步观测 12波段下行光谱辐照度、12波段上行光谱辐照度和 7波段上行光谱辐亮度 ,水下剖面测量深度达 2 0 0m。在水槽中测定了辐照度探头的余弦响应特性和浸没因子 ,利用MonteCarlo方法模拟了阴影误差分布 ,给出了仪器的主要性能指标。

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0. 5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

空间遥感光谱辐射计紫外／真空紫外光谱辐照度定标技术

实验证明了发散光照明模式和平行光照明模式标定的光谱辐照度响应度在定标误差范围内一致.在此基础上构建了由150 W大功率氘灯、500 W氙灯和球面反射镜组成的平行光光谱辐照度定标单元,该单元解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难,而且其输出光谱辐照度在一定距离范围内变化很小从而减小了装调误差,提高了定标准确度.分两个波段标定了一台紫外光谱辐射计160 nm～400 nm波段光谱辐照度响应度,其中160 nm～250 nm定标误差4.6%,250 nm～400 nm定标误差2.4%.

水下光谱辐射计光学特性的测试与分析

为适应高精度水下光学测量的需求 ,设计研制了多通道水下光谱辐射计。该辐射计可同步测量 1 2波段的下行 /上行光谱辐照度和 7波段的上行光谱辐亮度。对该辐射计的主要性能指标 ,如余弦响应特性、浸没因子、光谱辐射精度、稳定性和重复性进行了室内测试和分析 ,用MonteCarlo方法模拟了阴影误差 ,给出并分析了现场实验数据及部分推导的物理量。结果表明 ,该光谱辐射计各波段的中心波长和带宽偏差小于 1 .6nm ,稳定性优于 5 %,阴影误差可控制在 5 %之内 ,具有良好的余弦响应特性 ,满足当前定量化水色遥感现场光辐射测量的技术要求。

高精度光谱辐射计测量超低光谱透过率

设计并研制了一种基于光栅双单色仪的高精度全自动单光束光谱辐射计。该仪器主要由高稳定氙灯、带有快门的单光阑屏、石英透镜、中性减光片、紫外光栅双单色仪、光电探测器及电控系统组成,测量光谱范围为200～400 nm,可以实现10^-6～10^-8量级光谱透过率高精度测量,测量过程由自行编制的计算机软件进行自动控制,能实现全自动单光束测量。给出了该仪器的测量原理、测量方法及数据处理方法。利用该仪器测量了紫外滤光片样品的光谱透过率,分析了测量不确定度。实验结果表明,该仪器测量精度高、速度快、测量合成标准不确定度〈3.16×10^-3,完全满足测量精度要求,可应用于对精度要求高的紫外滤光片光谱透过率的测量。

太阳紫外光谱辐射计的研制及丽江外场实验

为了实现对太阳直接光谱辐照度的地基观测,研制了一台用于测量太阳直射光谱辐照度绝对值的扫描式紫外光谱辐射计,工作波段250～400nm,通过太阳跟踪器及二维转台等设备实现地基观测时对太阳的自动跟踪。以NIST标准光源标定了这台光谱辐射计光谱辐照度响应度,定标误差2.4%。在云南丽江地区(26°52′N,100°13′E)开展的地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验进一步检验了仪器的性能。结果表明:时间、云量和大气气溶胶等因素对抵达地表的太阳直射紫外光谱辐照度有直接的影响。

阵列式光谱辐射计光学参数测量

研究了阵列式光谱辐射计校准过程中涉及的杂散光和带宽等问题。实验比较了阵列式光谱辐射计在氙灯和卤钨灯照射下进行紫外辐射测量的差异,对差异的来源-杂散光部分进行了测评。采用一组已知透过率的滤光片,通过采集有滤光片和无滤光片条件下卤钨灯的光谱,对阵列式光谱辐射计的杂散光大小进行评价,并评估了杂散光在紫外辐射测量中引起的数值偏差。实验测量了不同的阵列式光谱辐射计采集窄带光源的结果,对阵列式光谱辐射计的带宽在辐射照度计算中的影响进行评估。实验结果表明:卤钨灯照射下部分阵列式光谱辐射计在紫外300nm处的杂散光比例高达30%以上,制约了紫外辐射测量的可靠性;氙灯照射下阵列式光谱辐射计在300nm的杂散光比例可以降至5%左右;阵列式光谱仪的带宽限制了其能够准确测量光源的最小测量半高宽,几种不同带宽的阵列式光谱辐射计在365nm的测量偏差高达4%。得到的结果表明:阵列式光谱辐射计的杂散光、带宽等光学特性对测量结果的准确性影响很大。

FTIR光谱辐射计测量结果的非均匀性修正

由于探测器响应存在非均匀性,从而造成FTIR光谱辐射计测量结果也存在非均匀现象。通过对黑体辐射源进行测量,研究了不同视场时的方向响应分布,以及目标面积与视场面积之比对测量结果的影响。以目标理论辐射强度与仪器测量值之比作为修正系数,实现了对FTIR光谱辐射计测量结果的修正。研究结果表明:视场越大,方向响应的均匀性越差;目标与视场的面积比越小,测量值越偏离实际值;对FTIR光谱辐射计的方向响应进行均匀性修正,可提高辐射强度测试精度。

光辐射老化试验箱校准系统中光谱辐射计的温度修正

针对光辐射老化试验箱校准系统温度对光谱辐射计响应度的影响,提出了一种多阶泰勒多项式拟合温度修正方法;对校准系统光谱辐射计的温度效应进行修正后,可使光谱辐射计在0～55℃的不同温度下光谱响应误差小于2%。

海水近表层光谱辐射计系统及其控制软件设计

海洋光学浮标近表层光谱辐射计使用了8台PC2000-PC104型光纤光谱仪对海水4个层面8个通道进行光谱测量.本文介绍了光谱辐射计系统的组成、通信协议及PC2000-PC104型光纤光谱仪的光谱采集原理.特别是对于不正常的光谱采集结果进行了分析,提出了中断触发的4种可能情况,并对于光谱采集的异常现象作了解释.编写了完全封装的光谱仪数据采集类,解决了该问题.

用光谱辐射计测量大气光学厚度的研究

本文给出了用光谱辐射计VF921-256测量大气光学厚度的实验结果，并对其与太阳辐射计DTF-1的同步测量结果进行了比对。实验结果表明：在比较好的大气条件以及对VF921-256测量中所应用的参考板的非朗伯特性进行校正后，两种方法的测量结果符合得较好。因此，在一定的误差范围内，VF921-256可以用于辐射校正中对大气光学厚度的同步测量。最后，本文对上面两种方法各自的测量误差也进行了进一步的分析讨论。

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

一种基于单元型红外光谱辐射计的成像光谱数据获取系统设计

依据单元非成像型光谱辐射计的特点,提出了一种单元非成像型红外光谱辐射计的成像光谱数据获取系统。该系统采用在光谱辐射计前端加装扫描装置,结合同步控制器,实现光谱辐射计的空间扫描。利用光谱辐射计提供的接口,完成了采集获得的成像光谱数据的批量定标。该系统可达到500×500像素的空间分解能力,光谱范围667~5 000 cm-1,光谱分辨率为1 cm-1,空间视场角为150°,瞬时视场角为0.3°。将该系统应用于实际的场景光谱数据获取,通过对得到的实验数据分析和比较,说明本文给出的基于非成像光谱辐射计的成像数据获取系统,能够实现实际场景的成像光谱数据获取,能够满足实时性要求不太高的成像光谱数据获取。

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。

基于S2000光谱仪的小型海面高光谱辐射计的研制

将普通的小巧型S2000光谱仪组装改造成用于海面测量的高光谱辐射计,安装在船只等移动平台上进行原位测量,可以获得向下辐照度和向上辐亮度的实验数据。阐述了整体设计思路,说明了其光路结构,光学采集单元分为光谱辐照度光学探头和光谱辐亮度光学探头。叙述了通过机械结构的调整来更准确地测量离水辐亮度,并给出了基于计算机进行显示和存储的编程软件。此系统获得的试验测量结果可以为海洋学研究提供充分的现场光学数据,有一定的实用价值。

光谱辐射计波长定标新方法的研究

在空间、野外等环境下光谱辐射计常常需要进行波长定标，通常的室内定标法无法满足其要求，为此，本文通过对稀土氧化物中氧化饵与氧化镝的光谱特性和稳定性的研究，认为它们非常适合作为光谱辐射计波长定标参考板的主要材料．该种参考板的研制成功将改变现有波长定标仅能在室内进行的限制，从而解决了不同环境要求波长定标的难题．本参考板也可作为室内波长定标的标准．

宽波段红外光栅扫描光谱辐射计的研制

研制了一种测量波长范围在1～20μm的宽波段光栅扫描光谱辐射计。以WDG30光栅单色仪为核心元件,包括光学取样系统、光电探测系统、单色仪自动波长扫描系统、高集成度的数据采集系统。采用数字锁相技术从噪声中提取有效信号,以减小测量误差。使用黑体炉标定仪器并考虑仪器内部杂散辐射随温度变化对测量结果的影响,提出通过水浴方法进行相应修正。该仪器可用于对多种辐射源的光谱分布测量和各种红外目标的光学特性研究。

CCD光谱辐射计的非线性特性建模与校正

采用自主研制的CCD光谱辐射计,对CCD探测器的积分时间和光强灰阶2个关键参数的非线性参数依赖特性进行实验与建模,给出CCD的微分非线性量化表征函数,并以此为基础实现CCD在多级尺度下自动积分时间调整测量的非线性修正.以激光作为输入光源进行双参数调节响应特性测试,并对CCD光电转换非线性特性进行分析.根据数据集曲线族的结构特征重构数据表征空间,在新的表征坐标下进行CCD的参数依赖非线性变化关系的拟合建模.结果表明,在多级尺度范围内,该模型能够通过2个参量描述CCD光谱辐射计产生的非线性偏差变化的精确函数关系,即实现了相关双参数在CCD光电转换过程中产生非线性偏差现象的精准量化表征.采用该模型进行非线性校正后与监测功率计进行比较,发现该模型能够有效地将非线性偏差降低至±2%以内.