光学传感器星上定标漫射板的特性测量

为了考察星上定标漫射板的光学特性及其在航天环境下的稳定性,对其进行了方向半球反射比(DHR)、双向反射比因子(BRF)、双向反射分布函数(BRDF)等反射特性的测量;同时,进行了系列环境模拟试验。结果显示:星上定标漫射板反射率在可见近红外波段可达0.99,光谱差异<0.01,在短波红外波段达0.95以上;10～60°BRF变化低于0.1,0～60°BRDF变化<0.045,其方向特性与光谱、紫外辐照关系不大;漫射板350nm反射率在120h等效紫外辐照下的衰变<3%,其光学特性受原子氧、质子轰击影响甚微,并通过了航天级力学环境试验。试验研究表明:漫射板具备高反射率、光谱平坦性、朗伯性及其在航天环境下的稳定性,能够满足航天应用要求。

成像光谱反射率反演中观测角影响的分析

针对OMIS I机载成像光谱数据,通过6S辐射传输码模拟计算和相应理论分析,讨论了观测角变化对传感器入瞳处辐射亮度的影响和由此引起的反射率反演误差。结果表明:在太阳反射波段,观测角的影响有很强的波段特性,大气散射作用较强的短波长波段与大气气体强吸收波段是这种影响的敏感波段;地面目标亮度不同,这种影响也是不同的,对低反射率目标影响较大,而对高反射率目标影响甚微;另外遥感器飞行高度也是决定这种影响情况的重要因素。

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。

漫射板反射式大直径激光功率-能量测量方法

提出了一种漫射板反射式大直径激光功率-能量测量方法。该方法利用漫射板良好的朗伯特性,根据双向反射分布函数定义,通过反射信号的测量,准确得到入射在漫射板上激光束的功率-能量。技术实现上,通过实验室标定,将功率-能量标准传递至漫射板-探测器系统,再利用标定好的系统实现外场大直径激光的测量。研究分析表明:运用该测量方法,不确定度可优于10%,能大大提高目前测量水平。

漫反射参照体双向反射比因子绝对测量研究

为提高漫反射参照体双向反射比因子(BRF)测量准确度,设计了漫反射参照体BRF绝对测量系统。该系统以积分球辐射源为照明光源,高精度陷阱(Trap)辐亮度计为探测器,通过对积分球辐射源辐亮度、漫反射参照体反射辐亮度和几何因子的测量,实现了漫反射参照体BRF绝对测量。结果分析表明,测量不确定度优于1%(k=2),通过对630 nm波长下漫反射参照体BRF数值积分得到的方向-半球反射比因子(DHRF)比溯源到中国计量科学研究院的采用积分球方法得到的DHRF高0.57%,差别在二者测量不确定度范围之内,进而验证了BRF绝对测量的准确性。

比辐射星上定标器结构设计及有限元分析

比辐射星上定标器是一种新型的遥感卫星在轨辐射定标装置,其结构设计的可靠性将直接决定星上光学系统的定标精度。为了得到星上定标器结构在航天力学条件下的响应情况,用ANSYS Workbench对其加速度过载和随机振动响应特性进行了有限元分析,获得了定标器箱体的加速度过载响应特性、固有频率和振型、随机振动响应特性。分析结果表明,定标器箱体在航天力学条件下强度和刚度都满足设计要求。为后期振动试验和结构优化设计提供了定量化参考依据。

大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标研究进展

大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息,尤其在气溶胶遥感监测领域,具有很大优势,所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。作为定量化程度很高的光学载荷,在轨定标一直受到很大的重视。因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点,使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂,需要进行辐射定标的相机参数有多个。辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数,使用的自然景物类型多,导致多种定标方法组合、并行发展。2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗,也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星,在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天,有必要梳理替代定标的研究进展情况。文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数,梳理了相机的辐射传递模型。划分了绝对辐射强度、相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。针对特定的待定标系数,介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。并汇总了定标结果检验的一般方法。新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标,将继承原有研究基础,使用特殊自然景物开展定标。在后续的同类遥感相机在轨定标工作中,也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。我国、欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划,面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机,结合作者研究基础,对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测,对我国当前关注的大气环境问题非常重要。卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。

基于激光光源的太阳辐射计视场角测量方法

视场角（field of view,FOV）是太阳辐射计的基础参数,也是太阳辐射计传递定标方法和室内积分球光源对比定标方法的关键参数,获取高精度的FOV是提高此类定标方法精度的重要手段。基于矩阵扫描测量方法,针对CE318型太阳辐射计,研制了激光光源测量FOV系统,并将测量结果与传递定标法进行了对比验证。结果表明：基于激光光源的矩阵扫描测量效果最好,不确定度为0.4%~1.1%;而基于太阳光源矩阵扫描测量受太阳运动的影响,因此有一定的发散角,导致测量结果比激光光源测量结果小约1.3%~1.4%。此外,在太阳辐射计历史定标系数较多时,激光光源测量结果与传递定标法计算的FOV结果一致性较好,说明传递定标法在历史数据多时也可以得到较精确的FOV结果。

消杂光反射涂料远红外波段反射率测试及误差分析

以空旷天空为冷背景,以在远红外波段高吸收率低反射率的常温面源黑体和低吸收率高反射率的漫反射镀金参考板作参考,采用夹逼的办法,测得消杂光反射涂料在远红外波段的发射率,从而间接测得消杂光反射涂料在远红外波段的反射率。通过进一步的公式推导与误差分析,说明该夹逼测试方法在测试高吸收率的消杂光反射涂料时,应该特别强调常温面源黑体发射率的定标精度,并在测试时保持常温面源黑体、漫反射镀金参考板、被测试品三者的温度一致。

风化作用对普通球粒陨石物理性质的影响

陨石的物理性质在陨石母体的演化过程中起到了重要作用。地球上的风化作用也会对陨石的一些物理性质造成显著影响。为了探讨风化对普通球粒陨石物理性质的影响,本文以库姆塔格普通球粒陨石为研究对象,使用密度仪、磁化率仪、热导仪、分光光度计等测量了其不同部位的物质性质,如颗粒密度,体积密度、孔隙度、磁化率、热导率、反射光谱强度等。研究结果表明:H型普通球粒陨石的颗粒密度、孔隙度、磁化率以及反射光谱强度会随着风化程度的加深而降低,而热导率和体密度受风化作用的影响相对较小。

光学遥感卫星在轨绝对辐射定标:进展与趋势

在轨绝对辐射定标是光学遥感卫星数据定量化应用的前提。载荷上天后,由于星上定标基准传递链路复杂,实现难度大,而以地面目标测量为参照基准的场地定标受尺度效应、大气条件、环境变化等不确定因素影响,时至今日,遥感载荷在轨定标的精准性、一致性、可追溯性问题,仍属亟待解决的国际难题。对此瓶颈问题的突破在于利用“定标星”搭载空间辐射基准载荷,通过与其他卫星载荷同时观测目标场景的方式,将高精准的空间辐射测量基准从天基标准辐射定标系统向光学遥感业务卫星传递,并准确核算传递路径中各环节的不确定因素,保证不同遥感卫星数据产品质量的高一致、可追溯。本文从光学遥感在轨辐射定标技术需求出发,回顾了星上定标、场地定标、交叉定标、月球定标等光学遥感卫星主要在轨辐射定标方法的发展历程及技术挑战,介绍了当前国际前沿的空间辐射测量基准传递定标技术,其将可溯源至SI的辐射基准源引入少量基准卫星,通过同时观测相同地月目标场景的交叉定标方式将统一的高精度空间辐射测量基准传递至多系列卫星,在大幅度提升定标整体水平的同时,保证多源卫星数据质量的高一致性与高稳定性。

Russian roulette优化小波算法在X射线荧光光谱去噪中的应用

小波去噪是效果较好的去噪算法,小波函数和分解等级的选择对去噪质量影响很大,但利用小波函数对X射线荧光光谱去噪存在优化困难。针对这一问题,提出了一种基于Russian roulette优化小波算法用于X射线光谱去噪。以土壤中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb等8个重金属元素定量模型的决定系数(R2)求和为优化目标,通过Russian roulette优化策略更新小波函数和分解等级,经过设定的迭代次数后,选出实际土壤样品光谱较优的小波函数和分解等级。该方法在55个国家标准物质土壤样品的30 s测量的X射线荧光光谱进行验证,优化后8个元素的R2均有所提高,8个元素的定量模型R2之和从7.8383增大到7.8704。这将为小波去噪在X射线光谱的元素快速测量提供一种可选择的方案。

可见-短波红外高光谱星上定标用积分球系统的设计

星上定标系统是有效监测遥感器辐射响应性能的重要技术构成,高光谱技术和信息应用的发展对星上定标系统提出了更高的要求,包括太阳光谱的一致性、系统小型轻量化与稳定性等技术难题。提出一种较完整的技术方案,以内置卤钨灯为光源,用小型化的积分球为匀光体,采用色温校正技术调节其光谱输出,内置安装标准辐射计监视系统的稳定性。系统设计结合航天环境要求,获得了积分球辐亮度输出在太阳反射波段达到0.9倍的大气外太阳照射朗伯面的水平、出口面非均匀性为0.6%、在出射角±15°内辐亮度变化小于1.5%等满足一定工程应用要求的实验结果,系统重量、体积分别小于1.2 kg,0.002 m3,开机稳定时间小于5 min,辐射输出在约200 h内保持良好的稳定性。

光学传感器星上定标漫射板空间稳定性测试与分析

对光学传感器星上定标漫射板进行了研究,考查其在航天环境下的稳定性和适应性。漫射板经振动冲击、高低温循环、热真空和紫外辐照等系列环境模拟试验仍然保持良好的光学特性;紫外辐照前后其在350nm处的反射率衰变不超过3%,分析认为这种紫外辐照下的反射率衰变是由于污染所致,通过改进工艺和环境控制是可以消除的;同时,漫射板通过了空间力学环境试验。研制的星上定标漫射板的空间稳定性能够满足航天应用要求。

基于多灰阶靶标的在轨辐射定标方法研究

辐射定标是光学遥感信息定量化的关键技术之一。随着高分辨光学遥感器定量化应用的发展,在轨绝对辐射定标精度的要求也越来越高。提出了一种基于多灰阶靶标的在轨定标方法,采用实际测量的漫射辐照度与总辐照度比来代替辐射传输计算的气溶胶散射,同时布设高反射率靶标以提高辐射定标精度。初步试验结果表明,基于多灰阶靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨绝对辐射定标方法,对假定的理论模型依赖较少,能够实现全动态范围的高精度定标,不确定度优于4%,而且满足复杂环境条件的应用要求。

基于周期靶标的高分辨光学卫星相机在轨MTF检测方法

调制传递函数(MTF)是高空间分辨率光学卫星相机的重要参数之一。提出一种基于周期靶标的直接检测方法,从遥感影像数据计算得到成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值,同时利用参数化模型获取全频率的MTF曲线。试验结果表明,在均匀的暗背景上,沿遥感器的垂轨方向与顺轨方向上分别布设5组非整像素(地面像元分辨率)间隔的三线靶标,并在大面积靶标的配合下,可直接测得光学卫星相机的MTF值,检测误差优于5%,满足在轨检测的应用要求。

星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。

星载偏振扫描仪的星上偏振定标方法

为保障偏振扫描仪长期在轨的偏振测量精度,研究了偏振扫描仪的星上偏振定标原理与方法。首先,针对分孔径和分振幅的技术特点,结合实际的误差来源,理论推导了系统探测矩阵;其次,根据仪器参数,利用已知偏振态的线偏振光和非偏振光,推导了星上偏振定标方程;然后,设计了用于星上偏振定标的线偏振定标器和非偏振定标器;最后,提出了利用已知偏振度的太阳漫射板辐射定标数据来校正偏振扫描仪的低偏振度测量精度和稳定性。所提出的星上偏振定标方法具有高精度、高频次、高效率等特点,可满足长期在轨偏振测量精度为0.005的应用需求。

比值辐射计响应特性

比值辐射计是一种监视漫反板双向反射分布函数(BRDF)在轨衰变的有效装置,太阳观测通道相对几何因子(简称几何因子)是比值辐射计在轨应用前需要精确测量的关键参数之一。对比值辐射计工作原理进行了介绍,在实验室内以卤钨灯代替室外的太阳对比值辐射计几何因子进行了重复测试,根据几何因子统计结果结合测试误差进行比值辐射计470、650、825 nm波段几何因子测试不确定度的分析。结果表明,比值辐射计几何因子测试不确定度在470 nm波段为0.48%,在后两个波段均优于0.16%,符合该参数的测试需求,为后期星上定标不确定度的评估以及星上定标系数的获取提供了有效的数据支撑。

星载偏振扫描仪星上偏振定标器

为了满足偏振扫描仪的偏振测量精度要求,提出一种利用偏振扫描仪星上偏振定标器精确测量标准偏振态数值的方法。首先介绍了偏振扫描仪的技术特点、测量原理和偏振定标模型;其次结合仪器特性,将地球反照光+线偏振定标器/非偏振定标器作为在轨偏振定标的偏振态标准源;然后分别设计了专用的线偏振定标器和非偏振定标器;最后利用马吕斯定律确定线偏振定标器的偏振态数值,将星下点数据筛选出线偏振度小于0.4的下垫面反射光作为非偏振定标器的有效光源,以获得符合要求的非偏振光。所设计的定标器符合全光路、全孔径、端到端的要求,可保障长期在轨偏振测量精度为0.005。