空间紫外遥感光谱辐射计光谱辐亮度定标三种方法的比较_邢进

Comparison of Spectral Radiance Calibrations of Spectroradiometer for Ultraviolet Space Remote Sensing Using Three Calibration Techniques
XING Jin1 ,2 , W ANG Shu-rong1 , LI F u-tian1
近年来有人提出了基于内部照明的积分球的光 谱辐亮度定标技术[ 2] , 由于抵消了漫反射板的作用 , 精度得到了较大的提高 。 本文报道了基于平面漫反 射板和两种基于积分球的辐亮度定标方法 , 并对这 三种定标方法得到的定标数据进行了分析和比对 。
2 spectralon 漫反射板定标
2. 1 定标原理及方法 spect ralon 漫反射板辐亮度定标的实验设置见
1 S tate K ey Laboratory of Ap plied Optics , Changchun I nstitute o f Optics , F ine Mechanics and Phy sics , T he Chinese Academy of S ciences , Changchun, J i lin 130031 , China
图 1 。 由中国计量院定标的1000 W光谱辐照度标准 石英卤钨灯(F EL), 在 h =50 cm , 100 cm 的距离沿 法线方向照 明30 cm ×30 cm 的 spect ral on 漫反 射 板 。 光谱 辐 射 计 与 漫 反 射 板 法 线 呈 33°角 观 测 spect ralon 漫反射板的中心区域 。
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中 国 激 光 33 卷
亮度定标中使用的 BaSO 4 漫反射板的双向 反射分 布函数(BRDF)进行 了重复测量 , 结果显示 两年内 BaSO4 漫 反射 板 的 双向 反 射 分 布函 数 值 在 低 于 330 nm时有较大衰减 。 正是因为这个原因 , 美国标 准技术研究院将漫反射板的材料换成双向反射分布 函数值极稳定的 spect ralo n 。 在 250 ～ 400 nm 的紫 外波段 , 光谱辐射计辐亮度定标的精度一直徘徊在 较低的水平 , 这主要 是由 于辐 照度标 准灯 在低 于 300 nm时的不确定度较大和漫反射板双向反射分 布函数的测量不确定度较大所致 。
2 Graduate School o f the Chinese Academy o f Sciences , Bei jing 10039, China
Abstract T hree techniques of spectral radiance calibration , one based o n the flat diffuser and the other two based on internally illuminated integ r ating spher e , are applied. T he radiance r esponsivities of the spectro radiometer unde r development fo r ultraviolet remo te sensing in space have been o btained using these three calibratio n techniques. A prelimina ry analy sis o f uncertainties o f the se technique s points out that the uncer tainties in measurements of the diffuser bidir ectional reflectance distributio n on function (BRDF) and the calculation o f the radiance o f the flat diffuser are the major so urce s fo r the discrepancy amo ng the co mparisons of these three techniques. T he co mpa risons of calibratio n data show tha t radiance r esponsivities of the spectro radio me te r deriv ed using these three techniques are consistent within the uncer tainties (3 %) designated to them , r espectively. Key words measurement ;radiometr y ;spectr al radiometric calibr atio n;spectr oradio meter fo r ultraviolet remo te sensing in space ;integ rating sphere
图 1 使用 spectralon 漫反射板进行仪器光谱辐亮度定标 Fig. 1 Spectra l radiance ca libra tion of instr ument using spectralon diffuser
所定标的空间紫外遥感光谱辐射计用于在轨探 测经大气后向散射的紫外光谱辐亮度和太阳直射的 紫外光谱辐照度 , 通过数据的反演以获得全球的臭 氧含量及变化信息 。 该仪器为 Ebert-F ast ie 型光栅 双单色仪结构 , 光谱带宽1 nm , 探测器为滨松公司 的 R1689 光电倍增管 。 仪器的入射狭缝距漫反射 板50 cm , 仪器的视场投影到漫 反射板上为一 个上
L(λ) =Eh (λ)
h2 h2 +r 2
B- ,
(2)
其中 h 为标准灯与 spectralo n 漫 反射板之 间的距 离 ;Eh(λ) =El(λ) (l2 /h2)为标准灯在距离 h 处的
光谱辐 照 度 ;El(λ) 为 标 准 灯 在 距 离 l (通 常 为
100 cm)处标定的光谱辐照度 ;r 是将光谱辐射计在
收稿日期 :2005-07-13 ;收到修改稿 日期 :2005-10-18 作者简介 :邢 进(1979 —) , 男 , 辽宁省鞍山市人 , 中国科学院长春光学精密 机械与物 理研究所应 用光学国 家重点实验 室 博士研究生 , 主要从事短波光学方面的研究 。 E-mail:xing jin980530 @yaho o. com. cn
4 期 邢 进 等 :空间紫外遥感光谱辐射计光谱辐亮 度定标三种方法的比较
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表 1 使用 spectralon 漫反射板进行 光谱辐亮度定标的不确定度 Table 1 Uncertainties of spectral radiance calibration using spectralon diffuser
1 引 言
在大气环境监测领域 , 空间紫外遥感光谱辐射 计有着不可替代的作用 , 通过测量经大气散射的光 谱辐亮度和太阳直射的光谱辐照度 , 就可以反演计 算出大气中各种微量气体和气溶胶的含量 , 以监测 全球温室效应 、臭氧层厚度变化和各种有害气体的 排放等等 。随着对大气环境监测日益增长的精度需
第
33 卷 第 4 2006 年 4 月
期
中 国 激 光 CH IN ESE JOU RNA L OF LASE RS
文章编号 :0258-7025(2006)04-0509-07
Vo l. 33 M ay ,
, N o. 20 06
4
空间紫外遥感光谱辐射计光谱辐亮度 定标三种方法的比较
邢
进1, 2
,
1
王淑荣
百度文库
,
1
李福田
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 , 吉林 长春 130031
2 中国科学院研究生 院 , 北京 100039
摘要 应用基于 spectr alo n 平面漫反 射板和两种基于积分球的辐亮 度共三种定 标方法 , 标定了空 间紫外 遥感光 谱 辐射计的辐亮度响应度 。 初步尝试分析了每种方法的相对 不确定 度 , 指 出漫反 射板双 向反射 分布函 数(BRDF)的 测量 不确定度和平面漫反射板亮度的计算不确定度是 这三种 定标方法 比对中 不一致 的主要 原因 。 定标 数据比 对 显示 , 使用这三种定标方法得到的光谱辐射计辐 亮度响应度在各自给定的相对不确定度范围以内(约 3%)相符合 。 关键词 测量 ;辐射度学 ;光谱辐射定标 ;空间紫外遥感光 谱辐射计 ;积分球 中图分类号 O 432. 1 文献标识码 A
要 , 对光谱辐射计的定标精度也提出了非同一般的 要求 。
传统的遥感辐射计定标方法[ 1] 是利用光谱辐照 度标准灯和标准漫反射板产生可知亮度的大面积光 源 。这一技术的产生可以追溯 到 20 世纪 60 年代 末 , 当时漫反射板 的涂料是 BaSO4 。从 20 世纪 80 年代中期到晚期 , 美国标准技术研究院(NIS T)对辐
Contributions to the uncertainty I rr adiance calibra tion uncer tainty of F EL lamp (pow er supply unstability included)
M ea surement uncer tainty of BRDF of spect ralo n diffuser No nlinearity of detector , swift of respo nsivity and wav elength dev iation
卤 钨 灯 在 250 nm 的 定 标 不 确 定 度 (4 %) 和
spectralon 漫反射板双向反射分布函数值的测量不 确定度[ 3] 。漫反射板双向反射分布函数值测量的不
确定度较大是因为它无法直接测量 , 它与入射角 、反
射角 、入射方位角和反射方位角都相关 , 如果要完整
地测量一块漫反射板的双向反射分布函数值 , 则测
向相对法线的夹角 ;w(x , y) 为由光源 尺寸决定的
离轴照明修正因子 ;f (x , y) 为在仪器视场投影面积
上标准灯辐照度随 θ角的变化 ;B- 为 spectralo n 漫 反射板在仪器视场内的平均双向反射分布函数值 。
由于石英卤钨标准灯光源尺寸较小 , 修正因子
w(x , y) 可以忽略 , 在将标准灯看作均匀亮度源的 情况下 , 沿光谱辐射计观测视场的积分表示为
量的次数将是天文数字 。一般有两种方法可以导出
漫反板的双向反射分布函数值 :
一种是在漫反射 材料的朗伯余弦特性比较好
时 , 测量漫反射材料的正入射半球反射率 , 再利用朗
伯反射体的特性 ———双向反射分布函数等于半球反
射率除以 π, 从而 得到 漫反 射材 料的 双 向反 射分
布 函数值 。另一种是通过测量漫反射板的双向反射
底为9. 5 cm , 下底为11. 5 cm , 高为16. 8 cm的梯形 。
spectralon 漫 反射 板经 光 谱辐 照 度标 准 灯照 明 , 在仪器观测方向的平均光谱辐亮度[ 1]
L(λ) = E(λ) cosθ B- w(x , y) f (x , y),
(1)
沿光谱辐射计观测视场积分得到 。 其中 E(λ) 为石 英卤钨标准灯的光谱辐照度 ;θ为照明漫反板的方
漫反射板上的投影视场等效为相同面积的圆的半径
(在这里为7. 5 cm), 以下用 r2 表示 。
2. 2 不确定度分析
根据(2)式可以得到
ΔRL (λ) R L (λ)
=
ΔV(λ) V(λ)
2
+
ΔEl (λ) El(λ)
2
+
ΔB-
2
+
2h
B-
Δh +2r h2 +r 2
Δr
2
1 /2
,
(3)
由(3)式可知定标不确定度如表 1 所示 。 辐亮度定标中 , 不确定度主要来源于标准石英