基于相关光子宽谱段自校准辐射基准源的定标新方法

针对我国空间科学的未来发展和应用需求,以及目前星上定标和在轨定标方法的局限性,提出一种基于自发参量下转换效应的自校准宽谱段(450~1500 nm)辐射基准源设计方案。该辐射基准源系统主要由宽波段参量下转换、观测与自校准复用光路、多路光子计数与符合探测、信号采集与测量控制等4个主要功能模块构成。辐射基准源兼有星上自校准和自主观测功能,能够在不依赖于外部基准的条件下实现高精度的自校准,保障对地高精度观测,为其他卫星有效载荷提供高精度的量值传递标准。

建立光谱辐射基准的一种新光源——同步辐射源

本文简述了一种迅速发展的新光源——同步辐射源的特性及其用于建立光谱辐射基准的前景和方法。

我国地面辐射基准站观测数据完整性和合理性检查评价

利用BSRN推荐方法,对2007年6月—2010年12月内蒙古锡林浩特地面基准辐射站的辐射数据质量进行了检查,并对异常情况进行了分析。结果表明,锡林浩特基准辐射观测数据完整性较好,分钟数据缺测率最大为0.012%,满足缺测率低于2%的业务要求。质检结果表明,锡林浩特基准辐射观测数据总体质量良好,但数据异常季节性特征显著,总辐射在冬季超出极端罕见上限值的情况较多,直接辐射易在夏季超出极端罕见上限值;除去太阳跟踪器故障期间的数据,散射辐射超出极端罕见上限的情况也有出现;反射辐射则在冬季会偶尔超出极端罕见上限。总辐射、直接辐射和散射辐射易在夏季出现超出物理可能和极端罕见下限的情况,说明这些仪器在夏季较易出现零点的漂移。

线性趋势外推法测算核电厂辐射基准点中子剂量率

基于压水堆核电厂核功率与堆芯平均热中子注量率成正比的物理原理,提出线性趋势外推测算辐射基准点中子剂量率的方法,给出了外推原则。用线性趋势外推法分析了两座CPR1000核电厂部分高中子剂量率辐射基准点历史数据,该方法外推数据可靠性优于历史外推数据,且可用于检查实测数据的可靠性。对某三代技术路线压水堆核电厂辐射基准点中子剂量率外推方法进行了简要分析。

用于光谱基准定标传递技术的传递辐射计研究综述

传递辐射计是实现卫星遥感仪器在轨光谱辐射定标传递的核心设备,也是地面实验室高精度光谱定标系统的关键。介绍了不同机构研制的覆盖350-700,700-2500 nm 谱段的多个传递辐射计的结构组成、工作原理及辐射定标基准传递方式,及其异同点的比对,再通过它们在不同谱段的定标过程中所应用的关键技术的分析,说明每种技术的优缺点和所能达到的精度,及其应用条件。文中通过对国际上标准计量机构采用的光谱辐亮度基准定标传递过程的介绍,突出了传递辐射计系统的重要作用,再结合其对光谱仪等遥感器定标光源的定标监测应用,说明了传递辐射计在航天辐射定标领域的不可或缺性。最后,通过国内设计的新型传递辐射计的介绍,对传递辐射计未来研究的发展方向和关键问题进行了展望,并对传递辐射计搭配低温辐射计组成的未来实现可溯源国际单位制在轨基准定标传递系统所存在的研究难点予以预测分析。

基准星辐射定标的辐射传递链路研究

为进一步提高遥感信息定量化应用水平,提高在轨辐射定标精度和定标频次,提出一种基于基准星的全谱段、全口径在轨绝对辐射定标方法,方法适用于可见近红外谱段;定标传递中辐射基准可溯源至SI(国际单位)。通过比较现有定标方法和基准星辐射定标的优缺点,分析基准星辐射基准溯源特性,建立太阳-基准星-遥感器的辐射传递模型,以高分一号和高分二号卫星为例,其作为待定标遥感器,对基准星定标的约束条件进行仿真分析,得出基准星辐射传递不确定度为1.3%。仿真结果验证了基准星定标方法的可行性,对遥感器辐射定标精度、频次的进一步提高提供了依据。

空间辐射基准传递不确定性的光谱敏感性分析

空间辐射基准对卫星观测气候变化的研究具有重要意义,空间辐射基准的建立不仅可以提高卫星自身观测的相对精度,而且还能通过基准传递来满足其他卫星的在轨溯源需求,用于基准传递的空间高光谱基准遥感器的光谱分辨率对传递相对精度有重要影响。分别利用MODTRAN模式和AER LBL模式的模拟结果作为高光谱遥感器的太阳反射波段和地球热发射波段的代理数据,分析了光谱采样对光谱辐射观测结果的影响以及光谱采样差异引起的辐射基准传递的不确定性。考虑5种下垫面和6种大气条件,对比了不同光谱采样间隔下光谱辐射的差异,并利用敏感性实验的方法,以MERSI-II为目标遥感器,评估了空间辐射基准交叉传递的光谱不确定性。结果表明:光谱采样间隔越大,光谱辐射的差异越大,在气体吸收区、绝对辐射低信号区、近紫外太阳光谱暗线区的最大辐射差异可达100%;在大气窗区,当太阳反射波段的光谱采样间隔优于4nm时,基准传递的不确定性小于0.3%,当地球热发射波段光谱的采样间隔优于2cm-1时,不确定性可小于0.1K;在近紫外太阳光谱暗线区和气体吸收区,太阳反射波段的基准传递对光谱采样十分敏感,当采样间隔为4nm时,中心波长为1.38μm的通道的不确定性可达40%,当地球热发射波段在7.2μm水汽弱吸收区时,光谱采样间隔优于0.8cm-1才能满足不确定性小于0.1K的需求。

空间漫反射基准星的辐射传递误差分析

为了解决现有定标方法的精度和频次不高的问题,提出一种基于基准星的全谱段、全孔径的在轨绝对辐射定标方法,方法适用于可见光和近红外谱段,辐射定标中的辐射基准可溯源至SI(国际单位)。文章简单介绍了遥感器在轨绝对辐射定标不确定度,并对基准星辐射定标的原理进行了分析。结合定标辐射传递模型和定标约束条件,对基准星辐射定标的不确定度进行分析,得到辐射传递的不确定度为1.03%。分析结果对提高遥感器在轨辐射定标精度提供了理论基础。

全辐照基准黑体辐射源量值溯源体系的建立

全辐照基准黑体辐射源是红外辐射量值传递的国家基准装置,是辐射温度(K)和光强(cd)两个基本量复现的基础.由亮度法以金属凝固点黑体将量值传递到下一级标准器.目前,全辐照基准黑体覆盖的温度范围为400-1000K,不确定度为0.05%(k=2),重复性为0.01%(k=2),量值传递的不确定度为0.1%(k=2),温度测定不确定度为0.05-0.5 K(k=2),对红外器件参数的评价不确定度为0.5%(k=2).

气象辐射站与基准辐射站观测资料的差异评估

选取2013年3个站址相同的气象辐射站和基准辐射站的观测资料,对比分析国产辐射观测仪器与世界先进仪器两类仪器的观测差异,同时对影响观测的气象因子进行分析。结果表明,漠河站和温江站的总辐射、直接辐射、散射辐射与基准辐射站的平均相对差值均在±3%的范围之内,观测质量较好,但反射辐射和净辐射的平均相对差值接近或大于±10%;而焉耆气象辐射站与基准辐射站观测存在一定的系统偏差。气象辐射站与基准辐射站的观测差异具有明显的日变化特征,差值与相对差值表现出相反的日变化特征,分别在日出以后随着太阳辐射的增强而逐渐增大(减小),并在中午时刻达到最大值(最小值),此后,逐渐减小(增大),在夜间达到最小值(最大值);气温、相对湿度和大气能见度对辐射观测质量有明显影响,当出现较高或较低的气温、较高的相对湿度或较低的大气能见度时,气象辐射站和基准辐射站的观测差异均较大。

光辐射测量新基准的展望

本文在概述国内外光辐射测量基准的发展后，展望了我国光辐射测量新基准的未来。

以BSRN标准为核心的太阳辐射观测平台设计

以太阳辐射测量最高标准BSRN为核心内容，系统地介绍深圳市天文综合观测基地（西涌）和石岩气象观测基地的高精度太阳辐射观测平台的设计方案，该方案采用高精度辐射观测设备分别建立满足BSRN要求的标准站和比对站，同时增加了短波辐射密集阵观测、长波辐射密集阵观测及梯度塔辐射观测等具有特色的辐射观测项目。

空间低温绝对辐射计研究

为满足空间遥感器在轨辐射定标精度和溯源性的需求,中科院长春光机所研制了空间低温绝对辐射计。本文介绍了实验室辐射基准的低温辐射计的发展现状,并着重介绍了我们研制的空间低温绝对辐射计的设计方案。空间低温绝对辐射计采用斯特林机械制冷机提供20K工作环境,通过优化吸收腔结构和热连接,设计出响应度0.2K/mW和1K/mW的总腔和光谱腔。采用闭环高精度温度控制和两次电定标的电替代测量方式,利用探测器材料在低温下的优异热性能,实现总腔0.02%精度水平的光功率测量,建立辐射基准。并采用温度比对的方式,将辐射基准传递给光谱腔,实现溯源至国际单位制基本单位的光谱辐射测量,为遥感器在轨可溯源的光谱辐射定标提供重要的技术储备。

基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法

为了满足多类型光学载荷在轨空间辐射基准传递的需求,减小角度差异对辐射定标频次和精度的影响,开展基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法研究。利用高精度长时序卫星的多角度、高光谱表观反射率数据,构建地球稳定目标利比亚4的大气层顶表观反射率模型。通过区域匹配、时间匹配和云剔除后,利用该模型对2019—2020年风云三号D星中分辨率成像仪和AQUA/MODIS的可见-短波红外波段开展了205次交叉定标应用,并与同步星下点观测的交叉定标方法进行了26次比对。结果表明,两种方法的平均相对偏差优于2.1%,验证了该方法的适用性和准确性。该方法可以解决对人工测量定标场地表多角度数据的依赖,适用于观测天顶角差异0°~60°、观测波段400~2400 nm以内的多光谱、多角度载荷的交叉定标,减小交叉定标中角度匹配误差,显著提高多类型卫星的定标频次,为空间辐射基准传递和多载荷数据融合应用提供基础技术支撑。

基于卫星联合观测的交叉匹配约束机制分析

定标轨道预报是空间辐射基准传递定标的前提,通过利用卫星的轨道参数和定标场地信息,结合联合观测约束条件,预报出两颗卫星的时间信息和位置信息。简单介绍了空间辐射基准传递定标的轨道规划流程,研究了用于轨道预报的卫星空间位置计算方法。通过分析限定联合观测交叉频次的观测时间间隔、观测角度差异等约束条件,选取TERRA和Landsat8作为辐射基准卫星,GF-1、GF-2、GJ-1等作为待定标卫星进行了针对全球6个地面定标场地的联合观测交叉匹配约束机制分析。仿真、分析的结果有助于开展以2次/月交叉频次的基准载荷轨道优化设计,为实现我国卫星在轨高频次、高精度辐射定标提供技术支持。

用同步辐射源建立紫外及真空紫外光谱区光谱辐射度基准的研究

叙述了中国科学技术大学国家同步辐射实验室800MeV电子储存环同步辐射的特性及作为光谱辐射亮度基准的原理和方法，精确计算出同步辐射光源光谱功率空间分布，并在计量学上将同步辐射“经典”理论与标定氘灯光谱辐射亮度结合起来，对“同步辐射作为标准源进行光谱辐射功率计量”进行深入的研究。介绍了国家同步辐射实验室计量光束线站的装置。该装置利用同步辐射波长范围宽、亮度高、辐射特性可精确计算等特点，可用于标定传递标准氘灯的光谱辐射亮度（115～350nm），并进行了不确定度分析。并与德国技术物理研究院（PTB）标定的氘灯光谱辐射亮度进行比较，两者符合。

真空环境中太阳辐照度绝对辐射计腔温响应的变化及其影响

为了考察真空环境对太阳辐照度绝对辐射计辐射测量值及其对世界辐射基准修正系数的影响,提高在轨辐射测量值向世界辐射基准的溯源精度,改善不同仪器在轨辐射量值的一致性,进行了真空环境中太阳辐照度绝对辐射计腔温响应变化及其影响的测量和评估。真空环境中,由于缺少了空气对流这一传热途径,使得在相同的加热功率下,辐射计腔温响应的时间常数变长,并且平衡温度升高,导致辐射计黑体腔响应度明显降低。在真空和空气中,对相同的测量目标进行辐射测量,结果表明由于真空中黑体腔时间常数和响应度的变化,导致测量的辐射功率有0.15%的相对偏差,进而造成真空环境中的辐射测量值向世界辐射基准的修正系数发生0.15%的相对变化。

FY-3A/MWHS辐射传递及冷空偏差修正

为了推进FY-3A/MWHS数据与国外同类载荷遥感数据的同化应用,针对FY-3A/MWHS业务L1数据尝试开展大气吸收通道在轨辐射校验,通过瞬时星下点交叉比对(SNO)方法,完成MWHS与美国NOAA卫星同类载荷AMSU-B轨辐射基准的交叉传递。两个同类载荷遥感数据的对比分析表明:MWHS大气水汽吸收线附近的主探测通道与AMSU-B对应通道天线亮温变化特征一致;以辐射校验为基础,可以将AMSU-B在轨辐射基准传递到MWHS冷空辐射修正量,实现微波探测器在轨辐射基准的归一化。辐射交叉校验技术,为两个同类微波探测器在轨遥感数据的融合应用以及在数值天气预报中多源数据的同化应用奠定了基础。

星载光学载荷历史数据再定标综述

经过三十多年努力,中国气象、陆地、海洋、环境减灾星座等已经形成了系列化、业务化发展的态势,国产多系列遥感卫星积累了较长时间连续观测资料,这为气候变化研究和环境变化检测提供了可能性。要发挥卫星观测历史数据在气候变化研究中的巨大潜力,必须解决不同卫星之间、同一卫星全寿命期遥感载荷的高精度一致性辐射再定标问题,构建统一的历史辐射基准和精细再定标模型,使得不同仪器、不同时期的观测资料具有可比性。本文综述了星载光学遥感仪器历史数据再定标的方法和思路,包括发展地球稳定目标和天体月球的辐射基准模型,重构长序列历史数据再定标精细算法模型。论文系统介绍了如何构建历史数据再定标的地球稳定目标—沙漠、冰雪、深对流云(DCC)等辐射基准模型,以及用于交叉定标及基准溯源的典型参考仪器及基准数据评价。本文还综述了光学载荷历史数据再定标模型重构需要综合考虑的几个关键方面,包括影响辐射定标不确定性的杂散光、串光、偏振等要素的影响机理,并采用仪器定标全链路仿真和关键定标参数精细重构,建立仪器响应的短周期波动订正模型和长周期衰变模型;构建仪器响应与空间、光谱、热学、轨道等内外要素关联的精细定标机理模型;开展仪器响应的多目标跟踪和长序列宽动态综合定标系数推算,并采用计算智能的相对定标技术,实现卫星长序列历史资料的自动再定标和长周期衰减订正,建立同一仪器寿命期内辐射响应及衰变特征模型。本文综述的历史辐射基准、再定标模型及定标的影响机理等最新研究进展,为中国历史遥感数据再定标提供了系统性解决思路,为进一步提高遥感数据长期定标质量和可靠性奠定了理论方法基础。