可作为在轨光谱辐射基准的空间低温辐射计研究

发布时间：2020-08-13 08:51

【摘要】：全球气候变暖、极端灾害预报等科学问题研究需要高质量的航天遥感数据作为支撑。光学遥感载荷受发射过程及空间环境等因素影响,基准溯源链路发生断裂,同时现有在轨辐射定标方法缺乏高精度可溯源的辐射定标基准,因此无法满足当前定量化遥感的迫切需求。借鉴地面辐射基准建立方法,提出以高精度可溯源的空间低温辐射计作为基准源,建立我国独立自主的空间绝对定标基准系统。本文分析未来空间应用需求,研究空间低温辐射计的设计需求及不确定度分配,开展空间低温辐射计的关键技术研究,并根据研究结果进行性能测试和评估。首先,分析了空间低温辐射计的基本工作原理,研究了低温辐射计探测器热传输结构特点,简化探测器的三维热传导模型,求解简化的导热微分方程,进而获得了表征低温辐射计探测器性能的响应度计算公式和时间常数计算模型。为实现探测器的光功率响应与电加热响应等效,总结空间低温辐射计的基本设计要求。建立包含漫反射、镜面反射、衰减关系的探测器吸收比计算模型,指导高吸收率腔体探测器的优化设计。考虑定标和冗余设计,为实现宽动态范围的光辐射功率定标,设计用于太阳总量标定的高功率腔和用于光谱辐射定标的高灵敏度低功率腔。基于测量影响量以及限制因素进行的分析结果,综合考虑时间常数、吸收率、灵敏度、制冷量、制冷温度、仪器尺寸、质量等限制因素,总结提出空间低温辐射计的基本设计需求。其次,给出了空间低温辐射计原理样机研制方案,开展了光学、结构、电子学的详细设计。采用斯特林型脉冲管制冷机实现20K温区的低温环境。研究了空间低温辐射计黑体腔探测器这一核心组件,分析了黑体腔探测器表面发黑特性,设计腔型长度与开口比使吸收比优于0.999,同时腔体吸收比的衰减比腔表面的衰减小两个数量级。优化黑体腔制备工艺,提高黑体腔一致性。对低温绝对辐射探测器结构进行分析,研究通过热连接组件的温控抑制斯特林型脉冲管制冷机噪声的方法,提高黑体腔的热环境稳定性。研究通过光阑组件降低杂散光和热辐射背景噪声的方法。通过热学结构分析和设计,将黑体腔灵敏度优化为0.4 K/mW。设计光阑组件,研究黑体腔与窗口和光阑系统的辐射交换。研究背景辐射交换分析及控制、电功率及温度精密测量、高稳定度低温热环境建立关键技术。最后,开展空间低温辐射计性能测试及评估实验,评定对光辐射功率测量的绝对精度,通过间接比对验证不确定度评定结果的有效性。测试空间低温辐射计的低温工作环境温度稳定性、热电重复性、灵敏度、激光功率测量重复性。根据《JJF 1059.1-2012测量不确定度评价与表示》,通过A类和B类标准不确定度合成得到:空间低温辐射计的合成相对标准不确定度为0.029%。通过与国家基准低温辐射计的间接比对验证不确定度评定结果。依据《JJF1117-2010计量比对》,归一化偏差E_n=0.41,验证了空间低温辐射计精度评定结果的有效性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH765.2
【图文】：

遥感卫星,应用领域,温室气体

减产、物种灭绝等严重后果。全球气候变关注[1-4]。1992 年通过的《联合国气候就是力求把温室气体的大气浓度稳定在某统产生更加负面的影响，后来的《京都议定议》均是围绕发达国家温室气体量化减排指题不仅仅是科学问题、环境问题，而且是着航天时代的到来，人类对地球的观测能卫星与航拍飞机、气象气球和深水探测器等围广、探测时间长，机动能力强等显著优点、防灾减灾、疫情控制、生物多样性等关用[9-15]，如图 1-1 所示。搭载对地遥感卫星于监测和预报全球环境和气候变化有重要

示意图,地球辐射,模型,示意图

可作为在轨光谱辐射基准的空间低温辐射计研究全球气候变化的观测能力取决于空间光学遥感器对地球的观题的深入研究，尤其是气候研究领域，例如地球辐射收支平、灾害预报等等，需要使用横跨数十年的稳定遥感数据来研观测对象的微小变化[21-22]，如图 1-2 所示。最近几十年政府（IPCC）研究成果已经揭示了人为活动导致气候变化的特征和中长期全球气候和天气变化，很多研究机构发展了多个气（大气环流模型AGCM，海洋环流模型OGCM，混合环流模型模型利用云层分布、地面植被和水文结构、反照率等卫星遥感的全球气温的变化趋势[23-27]。但是，不同模型给出的结果差别别的重要原因之一是空间光学遥感器的在轨辐射定标精度较稳定的高精度遥感数据[28-30]。

辐射定标,方法,校准能力,定标技术

图1-3传统在轨辐射定标方法igure 1-3 Traditional on-orbit radiometric calibration meth载荷对地观测的绝对精度提高到 3%以内甚至更高体制的辐射基准源技术。理想的空间辐射基准必须校准能力，即能够校正自身的变化，保证长期稳定一种不依赖于外部基准的、自校准且观测结果与载一劳永逸地解决溯源问题的理想手段。定标技术进展，美国和欧洲开始着手建立自己的可溯源至国际单位如欧空局的TRUTHS 计划和美国 NASA 的 CLARRE

【参考文献】