1m口径红外测量系统的辐射定标

为了测量空中目标的红外辐射特性,设计了一套1m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型,以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源,建立了1m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性,若采用传统辐射定标方法易产生原理误差,故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后,在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明,应用本文提出的辐射定标方法,1m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%,比传统方法平均减少了约8.7%,可满足实际项目指标要求,非常适合外场辐射定标的应用。     

地基大口径红外光电系统的联合辐射定标

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度,进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题,提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源,测定全光路系统的辐射响应度;以小口径黑体为内定标参考源,测定半光路系统像元级的辐射响应度;最后,结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率,进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验,并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示:提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%,而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%,表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外,提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度,克服了系统响应非均匀性的影响,进而提高了红外探测器的焦平面利用率,弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。     

地基空间目标红外辐射特性测量技术

空间目标红外辐射特性测量试验是获取空间目标辐射特性的唯一直接手段。介绍了研制的地基空间目标红外辐射特性测量系统的组成及关键技术,分别利用红外单色照明光管和大面源黑体实现该地基测量系统的光谱定标和辐射定标,并通过大气参数测量设备实现目标和地基测量系统之间的大气传输修正。对该地基测量系统的辐射定标精度和目标辐射测量精度进行了深入分析,中波和长波红外测量系统的辐射定标精度分别为6.9%、4.8%,目标辐射测量精度分别为23.7%、23.2%。最后,利用该地基测量系统对国际空间站进行了辐射测量试验,并给出了空间站的中波红外和长波红外辐射测量结果。     

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道采取40探元跨轨并行扫描方式,针对其辐射定标要比传统单元探测器的辐射定标复杂的问题,研究了MERSI红外通道的多探元辐射定标方法。首先,基于星上黑体观测进行逐探元的辐射定标处理,消除探元辐射响应差异条纹;然后,利用各探元与基准探元光谱响应对不同温度黑体光谱辐亮度建立比值关系,基于其随着辐亮度呈非线性变化的关系,对逐探元定标后图像进行探元光谱差异的辐亮度归一化补偿,从辐射机理上最大限度地消除图像条纹,实现了多探元观测目标辐射信号的光谱响应差异归一化。为了验证MERSI红外通道辐射定标精度,文中还利用同时过星下点观测(SNO)交叉定标方法,将MERSI定标结果与美国Terra中分辨率成像光谱仪(MODIS)定标结果进行比对,结果显示,相对于后者,MERSI的红外通道亮温高1K左右,认为这可能与两者的通道带宽不同有关。     

3～5μm红外焦平面阵列的辐射定标

设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统,以实现在对目标进行跟踪观测的同时得到目标的红外辐射特性.以高精度的面源黑体为标准辐射源,对在3～5 μm成像的中波红外相机进行了响应度标定.首先,建立定标数学模型,确定定标流程;然后,使用线性回归统计模型对响应度进行拟合和评估,并提出剔除局外点方法对拟合曲线进行优化;...     

基于大气实时修正的飞机辐射特性测量

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题,提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量,并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板,开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比,文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。     

紫外-可见光-近红外多通道光谱仪的定标

通过对测光标准灯的辐射功率谱线与黑体辐射谱线的比对,获得测光标准灯全波段的功率辐射谱,拟合出功率辐射谱线的初级定标系数和修正系数。进而完成了紫外-可见光-红外多通道光谱仪的研制。利用研发的光谱仪对高强度气体放电灯的辐射光谱进行了测量。测量结果表明,我们研制的多通道光谱仪与远方PMS-50（增强型）紫外-可见光-近红外光谱分析系统的测量结果一样,而测量时间大大缩短。     

VIRR/FY-3A分裂窗波段与AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据的交叉辐射定标

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8μm;IR5,~12.0μm)存在定标偏差。本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标。根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段。首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换。然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对。最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数。结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致。以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39K和2.06K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59K和0.44K。实验指出定标偏差与亮度温度有关。     

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K~340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

红外热像仪外场测温的大气透过率二次标定

为了实现测温红外热像仪的外场精确测温,研究了大气透过率的二次标定。建立了红外热像仪的外场远距离测温标定模型,采用一个标准面源黑体和红外热像仪对大气透过率进行了二次标定。首先,用标准面源黑体的设置温度标定大气透过率的二次修正系数;然后,在已知目标感兴趣区域发射率的情况下,用二次修正系数对未知辐射源测量值进行修正,实现未知辐射源目标辐射温度的准确测量。实验显示,随黑体设置温度从50℃不断升高(二次大气透过率近似为1),大气二次透过率修正系数在50～100℃内迅速下降,在100～200℃内下降趋势减缓,逐渐接近于约为0.7的常数。实验结果为测温红外热像仪外场精确测温提供了保证。     

FY-3C/可见光红外扫描辐射计中红外通道太阳污染的识别和修正

基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计(FY-3/CVIRR)的中红外通道(3.7μm)的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估。结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5K左右,最大偏差达到15K左右。通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响。     

宽动态范围红外测量系统的快速非均匀性校正

宽动态范围的红外辐射特性测量系统往往预设多个积分时间档位,并对每个积分时间逐一进行非均匀性校正。本文研究了不同积分时间下非均匀性校正系数有的差异问题,基于黑体定标法和积分时间法提出了新的非均匀性校正方法。该方法只需要得到两个积分时间和两个定标温度点即可得到全动态范围所有积分时间下的非线性校正系数,可在保证校正精度的同时减少辐射源温度点,降低校正时间。使用某Φ400mm口径的地基红外辐射特性测量系统对该方法进行了验证。结果表明,采用本文方法后图像的非均匀性由3.78%减小到0.24%。由4ms下的校正数据可知,得到的校正结果接近直接用该积分时间进行校正的精度。提出的方法简化了所需设备,降低了校正时间,具有实时性强、精度高等特点,适用于外场测量。     

微偏振片阵列红外成像非均匀性产生机理及其校正

集成微偏振片阵列红外成像系统的偏振度图像对非均匀性高度敏感,不经非均匀校正的偏振度图像存在较大误差。为了校正微偏振片阵列红外成像的非均匀性,以入射光Stokes矢量形式,建立了光电转换基本过程的偏振像素模型,基于入射激励和辐射响应数据,分析了微偏振阵列与红外焦面联合作用下非均匀性产生机理。提出一种基于多次辐射测量的矩阵形式的非均匀性校正方法,该方法通过构造多组测量方程,求解偏振像元的增益矢量,由相邻四像元增益矢量组成超级像元的增益矩阵,结合Stokes矢量提取矩阵,逆向求解重构点的校正矩阵。实验数据表明:该方法比两点法降低非均匀性约5%~20%,有效改善红外偏振度图像质量。     

基于波长积分双色法的小视场快速温度场测量

激光退火技术有热预算低、瞬间温度高的特点,其温度场特性是材料电学性能的重要表征参数.准确实时测量瞬态小温度场对整体退火工艺过程的把控具有重要的参考价值.辐射测温法通过收集样品辐射光谱中特定波段的能量来实现温度的非接触在线测量,具有响应快、测温范围宽等特点.提出了一种基于InGaAs红外光电二极管的双色辐射测温系统设计方...     

红外辐射光转换系统在温度测量中的应用

分析红外辐射光转换的原理及方法,研制红外辐射测温系统,用于高速运动物体的温度检测.从实际应用情况入手,对硬件电路设计、温度标定以及温度曲线拟合进行了详细论述.硬件电路设计主要包括光电转换、前置放大和恒温模块.设计温度标定实验获取数据.经多个模型比较,选用了指数模型,用来拟合电压温度曲线并进行了拟合误差分析.最后给出了整个系统的测试效果.     

基于标校的双波段比色测温法

辐射测温是获得物体温度的重要手段之一,其代表性方法主要有双波段比色测温。传统双波段比色测温受现有大气透过率测量精度的限制,目标双波段辐亮度比值Q的不确定度为31.8%,大大限制了测温精度。提出了基于标校的双波段比色测温法,利用目标附近的参考黑体实现对目标和测温系统之间大气透过率的高精度测量,由此提高目标测温精度。分析表明,该方法的目标双波段辐亮度比值Q的不确定度优于4.7%。利用中波和长波红外相机对某大楼墙面进行了双波段比色测温实验,结果表明,传统双波段比色测温法的绝对和相对测温误差分别为7.1 K、2.32%,而该方法的绝对和相对测温误差分别为1.7 K、0.55%,大大优于传统方法。