空间基准黑体辐射源溯源技术及在轨发射率测量技术研究

发布时间：2020-04-21 04:59

【摘要】：红外遥感的发展方向是高光谱分辨和高定量化。特别是,在气候变化观测和数值天气预报等领域对红外遥感数据的定量化水平要求越来越高。比如,气候变化监测要求来自红外遥感载荷的测量数据满足不确定度水平优于0.1 K和10年间的稳定性优于0.04 K。如此高的定量化水平对红外遥感载荷的研制提出了前所未有的重大挑战,要实现此目标不仅需要稳定的红外探测仪器,还需要高精度的在轨辐射定标黑体源。同时如此高的长期稳定性指标还要求红外遥感仪器在轨运行期间能够始终保证其量值的有效性。基于上述重大应用需求,设计和研制了空间基准黑体辐射源。使其达到温度稳定度优于0.01 K,不确定度优于0.15 K的技术指标。设计了微型相变固定点装置安装在黑体腔上,利用国际温标定义的温度基准点-相变固定点在黑体腔上获得相变坪台实现对黑体上的温度计进行在轨的校准,从而将黑体温度溯源到国际温标。微型镓相变固定点长达3年的稳定性实验结果优于3 mK,微型水,镓,镓-铟,镓-锡,镓-锌,水杨酸苯酯和丁二腈等7种固定点的不确定度优于10 mK(k=2)。在空间黑体辐射源的核心指标发射率的测量方面提出了基于控制环境辐射的在轨发射率测量方法和基于黑体腔法向-半球反射特性的在轨发射率测量方法,两种方法相互验证用于在轨测量黑体腔的发射率。通过以上技术方案和实验验证,实现了空间基准黑体辐射源温度和发射率两个关键参数的在轨校准和测量。基于受控背景辐射的在轨发射率测量方法在黑体前部设置高发射率的热辐射环,实现照射到黑体的背景辐射大部分来自热辐射环的辐射。通过改变热辐射环的温度控制照射到黑体的背景辐射,利用测量黑体腔反射的背景辐射的变化量计算黑体腔的反射率从而获得黑体腔的发射率。利用该方法测量了Pyromark,811-21,JSC-3和碳纳米阵列四种高发射率涂层的发射率,其结果分别为0.901,0.964,0.979和0.997。通过扫描电镜获得了涂层的表面微结构,并进一步分析了涂层表面微结构的差异对其发射率的影响,即涂层表面结构复杂蓬松多孔其发射率更高。利用该装置分别测量了空间基准黑体辐射源的8μm~14μm谱段发射率和光谱发射率,其在相同光谱下的结果一致性优于0.06%。系统的评价了该方法的不确定度贡献,该方法的测量标准不确定度为0.145%。提出了基于黑体法向-半球反射特性的发射率测量方法。该方法充分考虑空间黑体辐射源工作环境,利用量子级联激光器作为光源沿法向照射黑体腔。通过测量黑体腔法向反射的激光功率以及黑体腔法向-半球反射特性推算黑体腔半球方向反射的激光功率,再通过黑体腔半球方向反射的激光功率与激光出射功率的比值计算得到黑体腔的发射率。该方法测量的黑体发射率结果与基于受控背景辐射的发射率测量方法等在相同光谱下的结果差异小于0.06%。系统的评价了该方法的不确定度贡献,该方法标准不确定度为0.19%。通过研究空间基准黑体辐射源实验室量值比对方法验证了空间基准黑体辐射源的辐射量值的精度。以真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置为基础提出了实验室量值溯源和比对方法,通过傅里叶光谱仪将高精度的实验室标准黑体的光谱辐射量值与相同温度下空间基准黑体辐射源的光谱辐射量值进行比对。真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置的不确定度为0.036 K@190 K(10μm),0.026 K@300 K(10μm),0.030 K@400 K(10μm)。在273 K~313 K温度范围内对空间基准黑体辐射源的实验验证了其辐射量值有效性。在每个测试温度点下800 cm~(-1)~1400 cm~(-1)光谱范围内大部分波数下理论计算值与实际测量结果差异小于10 mK。空间基准黑体辐射源的性能测试结果表明黑体源的温度稳定性优于10 mK,在不同温度下黑体腔底部的温度均匀性优于10 mK,其轴向温度均匀性优于38 mK。空间基准黑体辐射源的不确定度优于50 mK。通过对黑体的温度和发射率两个关键参数在轨校准和测量技术和方法的研究,保证了空间黑体辐射源在轨运行期间量值的准确性和有效性。通过基于受控背景辐射的发射率测量方法和基于黑体法向-半球反射特性的黑体发射率测量方法研究为黑体辐射源发射率的在轨测量和验证奠定了坚实的基础。通过高精度黑体实验室量值溯源和量值比对方法的研究对空间基准黑体辐射源的量值有效性进行了验证。通过对空间基准黑体辐射源设计和在轨发射率测量方法的研究对提高红外遥感载荷的定量化水平具有重要意义。
【图文】：

亮度信号,大气层,红外辐射,地球

图 1.1 大气层顶部在全球范围一年内的亮度信号变化Figure 1.1 The dynamic range of infrared radiance across the thermal infrared图 1.2 2005 年到 2015 年地球红外辐射信号变化Figure 1.2 Infrared radiance spectra differences over multiple decades

红外辐射,地球,气候变化,卫星

2图 1.2 2005 年到 2015 年地球红外辐射信号变化Figure 1.2 Infrared radiance spectra differences over multiple decades同时，通常气候变化的测量周期都在数十年到一百年。气候变化的反演模型都建立在数十年观测数据的基础上。而单颗卫星的在轨工作寿命一般只有 5-10年时间，也就是说要开展气候变化观测就需要不同时间段的多个批次的卫星能够接续工作。而且要建立全球气候变化观测网需要同一时间在网运行多颗卫星，，这些卫星可能来自不同国家和地区或者同一国家不同的研究机构。所以要从太空开展气候变化观测就要求不同批次不同在轨工作时间以及来自不同组织的对地观测卫星能够实现量值一致性[10,11]。随着数值天气预报模式的不断完善，在大气校正模型中对地球大气系统的初值和边值的种类、精度和时空分辨率等提出了更高的要求。红外遥感载荷为大
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP722.5;P407

【参考文献】