甘 濤，袁銀麟，翟文超，鄭小兵，孟凡剛，吳浩宇

（1.中國科學(xué)院 通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026）

引言

星載微光遙感器可在夜間低照度條件下獲取月光反射輻射、城市燈光等微弱可見光圖像。星載微光遙感器利用月光反射輻射反演實(shí)現(xiàn)低云大霧、冰雪覆蓋、煙塵和熱帶氣旋探測等應(yīng)用[1-3]；通過城市燈光強(qiáng)度和分布范圍可進(jìn)行城市建筑密度估算等領(lǐng)域的研究[4]，具有重要意義和價(jià)值。

外場輻射定標(biāo)是星載微光遙感器定量化應(yīng)用的基本前提，其目的是定期測量和校正星載微光遙感器輻射響應(yīng)的衰變，更新其在軌響應(yīng)定標(biāo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)長期有效運(yùn)行[5]。目前國內(nèi)外均開展了星載微光遙感器的在軌定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，主要定標(biāo)方式是采用地面燈光（如燈塔燈光）[6]。目前這種定標(biāo)方式，受到月光光照條件和周邊環(huán)境反射率差異、環(huán)境光污染等因素影響，典型定標(biāo)精度約為10%。

為了降低環(huán)境光污染、自然環(huán)境等因素的影響，進(jìn)一步提升星載微光遙感器外場輻射定標(biāo)精度，本文介紹了一種以大功率LED 為發(fā)光介質(zhì)的主動(dòng)式外場輻射定標(biāo)光源。

1 輻射通量等效的外場輻射定標(biāo)方法

微光遙感器的輻射定標(biāo)一般要求定標(biāo)光源的輸出具有朗伯輻出度分布和高均勻性，且充滿遙感器的視場和孔徑等條件。但是微光遙感器的視場面積As很大，接近0.5 km2。根據(jù)微光遙感器外場輻射定標(biāo)要求的充滿視場和孔徑條件，定標(biāo)光源的面積應(yīng)大于0.5 km2。目前尚無手段實(shí)現(xiàn)如此大面積均勻朗伯型光源的研制，因此有必要考慮非充滿視場條件定標(biāo)方法。根據(jù)輻射通量等效的方法，可建立微光遙感器的輻射響應(yīng)值與參考光源面積之間的關(guān)系，如公式（1）所示[7]:

式中：D為探測器尺寸；Nk為微光遙感器的輻射響應(yīng)值；L′(λ)為目標(biāo)等效輻亮度；A′s為參考光源面積；H為軌道高度；τ為光學(xué)系統(tǒng)透過率；η(λ)為量子效率；Ck為暗電流。

通過輻亮度和光源面積調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)非充滿視場條件與充滿視場條件相同的輻射定標(biāo)效果，如公式（2）所示。

式中：L(λ)為目標(biāo)輻亮度；As為視場面積。

微光遙感器輻射響應(yīng)度可根據(jù)面積校正因子RCAs進(jìn)行獲取，可通過公式（3）表示。

以極軌運(yùn)行的環(huán)境衛(wèi)星NPP 可見光紅外輻射儀VIIRS 傳感器DNB 微光通道為例，其星下點(diǎn)像元對應(yīng)的地面成像幾何尺寸為742 m×742 m。設(shè)計(jì)外場輻射定標(biāo)光源的出光口尺寸為250 mm×250 mm，面積校正因子RCAs約為8.8×106。目前微光遙感器的動(dòng)態(tài)范圍大致介于1×10-9W·cm-2·sr-1～1×10-2W·cm-2·sr-1（VIIRS），考慮到功耗等因素，將外場輻射定標(biāo)光源的輸出輻亮度設(shè)計(jì)為10-2W·cm-2·sr-1量級水平，可滿足其在軌定標(biāo)需求。

2 外場微光輻射定標(biāo)光源設(shè)計(jì)

外場輻射定標(biāo)光源主要由LED 積分球、高精度驅(qū)動(dòng)電源和循環(huán)水冷設(shè)備組成。積分球設(shè)計(jì)的基本要求是利用有限數(shù)量和功率的發(fā)光單元產(chǎn)生盡可能大動(dòng)態(tài)范圍的輻射輸出，并保證出射光的角度和平面均勻性。積分球出射的輻亮度可以由空腔的輻射傳遞理論推導(dǎo)得到，即[8]

式中：Ls為積分球輸出光譜輻亮度；Φ為發(fā)光單元的總發(fā)光通量；As為積分球內(nèi)表總面積；ρ為內(nèi)壁涂層反射率；f為積分球的開口比，即所有開孔面積與內(nèi)壁總面積的比值。

根據(jù)（5）式，為了提高輸出光譜輻亮度Ls，應(yīng)當(dāng)采用反射率ρ高的內(nèi)壁涂層，減小開口比f。本文選擇聚四氟乙烯作為積分球內(nèi)壁涂層，其反射率在400 nm～2 500 nm 波段內(nèi)高于95%，且方向反射均勻性優(yōu)良，是較為理想的漫反射體[6]。

積分球理論和實(shí)驗(yàn)研究表明[9-11]，在涂層反射率一定的情況下，開口比f≤5%時(shí)，才能滿足出射光角度均勻性優(yōu)于98%的要求。積分球的內(nèi)徑為600 mm，出光口為正方形，尺寸設(shè)計(jì)為250 mm×250 mm。積分球共安裝12 只300 W LED 發(fā)光單元，每只發(fā)光單元的開孔直徑為 Φ60 mm，中心波長為670 nm。經(jīng)過核算積分球開口比約為4.5%。積分球通過絞盤實(shí)現(xiàn)出光口的水平和豎直平面的位置調(diào)節(jié)。LED 發(fā)光單元在積分球前半球間隔30°均勻布置，安裝位置與出光口中心法線呈65°。

采用具有可編程功能的高精度驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)12 只300 W LED 發(fā)光單元的串聯(lián)恒流驅(qū)動(dòng)和輻亮度的調(diào)節(jié)。循環(huán)水冷設(shè)備用于LED 發(fā)光單元的散熱和溫控，制冷精度優(yōu)于±0.2 ℃，可將積分球的輸出起伏控制在小于0.2%，峰值波長漂移小于0.1 nm[12]。通過循環(huán)水冷溫控和高精度可編程直流電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外場輻射定標(biāo)光源輻亮度輸出穩(wěn)定性。

3 整機(jī)性能測試和外場測試驗(yàn)證

采用大口徑積分球輻出度分布自動(dòng)測試系統(tǒng)[13]和絕對光譜響應(yīng)率標(biāo)準(zhǔn)探測器[14]對積分球的光源性能特性進(jìn)行了測試，測試項(xiàng)目包括積分球的光譜輻亮度、穩(wěn)定性、角度均勻性和平面均勻性等。

3.1 光譜輻亮度和穩(wěn)定性

利用溯源于標(biāo)準(zhǔn)燈和漫射板系統(tǒng)的光譜儀，對積分球參考光源的光譜輻亮度進(jìn)行定標(biāo)。外場輻射定標(biāo)光源輸出的光譜輻亮度超出標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻射計(jì)的測量動(dòng)態(tài)范圍近1 個(gè)量級。采用定制的孔徑光闌降低光譜儀輸入光通量，增大測量動(dòng)態(tài)范圍。通過孔徑光闌的光譜透過率實(shí)現(xiàn)外場輻射定標(biāo)光源光譜輻亮度的定標(biāo)[14]。外場輻射定標(biāo)光源輸出的光譜輻亮度定標(biāo)曲線見圖1（a），絕對輻亮度值為5.2×10-2W·cm-2·sr-1。

參考光源的穩(wěn)定性是指其輸出特性隨時(shí)間變化的程度。參考光源開機(jī)預(yù)熱完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)探測器以5 s 間隔持續(xù)測量1 h，其輸出相對于均值的起伏小于0.1%，檢測結(jié)果如圖1（b）所示。

圖1 外場輻射定標(biāo)光源輻亮度特性測試結(jié)果Fig.1 Radiance characteristics test results of in-site radiation calibration light source

3.2 角度均勻性和平面均勻性

參考光源的角度均勻性表征相對于其出光面法線一定角度范圍內(nèi)輻亮度的變化程度，通常以多個(gè)角度測量的測量值相對于法線測量值的相對偏差來表述。在出光面法線±30°的角度范圍內(nèi)，分別進(jìn)行了水平平面和垂直平面內(nèi)的角度均勻性測量，水平和垂直平面內(nèi)測量結(jié)果如圖2（a）所示。

參考光源的平面均勻性表征其出光口平面內(nèi)、不同位置的輻亮度的相對偏差程度。通常以多個(gè)測點(diǎn)的測值之間相對偏差來表述。對光源開展了平面均勻性檢測實(shí)驗(yàn)，檢測區(qū)域350 mm×350 mm，完整覆蓋積分球出光口，測點(diǎn)間距為25 mm，共采集144 個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果如圖2（b）所示。在250 mm×250 mm 的區(qū)域內(nèi)，平面均勻性優(yōu)于99.78%。

圖2 外場輻射定標(biāo)光源均勻性測試結(jié)果Fig.2 Uniformity measurement result of uniformity of in-site radiation calibration light source

3.3 外場測試驗(yàn)證與影響因素分析

外場測試驗(yàn)證場地選擇位于甘肅省敦煌市的中國遙感衛(wèi)星輻射校正場。該輻射校正場受城市燈光污染小，且反射率分布均勻。

NPP 衛(wèi)星于每天01:50～04:20 之間過境，過境時(shí)間約為10 min，自西向東掃過輻射校正場[15]。NPP 衛(wèi)星拍攝圖像及光源的位置如圖3 所示，衛(wèi)星在軌測量的像元響應(yīng)輻亮度值如表1 所示。

圖3 外場測試衛(wèi)星圖像Fig.3 Filed test of in-site calibration reference light source satellite image

表1 外場定標(biāo)光源位置及輻亮度Table 1 Position & radiant output of in-site calibration reference light source

從表1 可以看出極軌運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星NPP 可見光紅外輻射儀VIIRS 傳感器DNB 微光通道測量的輻亮度值為8.27×10-9W·cm-2·sr-1，初步驗(yàn)證了外場輻射定標(biāo)光源可應(yīng)用于微光遙感器的外場定標(biāo)。采用輻射通量等效的方法，應(yīng)用外場輻射定標(biāo)光源定標(biāo)方案，通過面積校正因子進(jìn)行微光遙感器的外場定標(biāo)還需要對衛(wèi)星姿態(tài)、月球輻照度和地表反射率等影響因素進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

本文提出了輻射通量等效的微光遙感器在軌定標(biāo)方法，并基于該方法設(shè)計(jì)了外場微光輻射定標(biāo)光源，在敦煌中國遙感衛(wèi)星校正場對該光源進(jìn)行了外場實(shí)驗(yàn)。定標(biāo)光源實(shí)驗(yàn)室實(shí)測輻亮度為5.2×10-2W·cm-2·sr-1，通過等效輻射通量面積校正后，能夠達(dá)到10-9W·cm-2·sr-1量級。經(jīng)實(shí)際測量，VIIRS微光通道的輻亮度響應(yīng)達(dá)到了8.27×10-9W·cm-2·sr-1，與定標(biāo)光源輻射量值面積校正后量級一致，證明了該光源設(shè)計(jì)的合理性。本文沒有考慮夜間大氣輻射傳輸和月光貢獻(xiàn)，僅從光源輻射量級上驗(yàn)證了其適用性，未對在軌定標(biāo)精度進(jìn)行評估。該光源量值可溯源且具有優(yōu)良的輻射特性，未來在微光遙感器的在軌定標(biāo)、長期穩(wěn)定性監(jiān)視、夜間大氣輻射傳輸算法的驗(yàn)證等方面具有潛在應(yīng)用。