利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)

1、第14卷第2期OpticsandPrecisionEngineering2006年4月光學(xué)精密工程Vol.14No.2Apr.2006文章編號(hào)10042924X(2006)0220185206利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)王淑榮1,邢進(jìn)1,2,李福田1(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130033;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:基于內(nèi)部照明積分球的輻亮度定標(biāo)方法,獲得了接近理想的大面積輻亮度光源(2%),標(biāo)定了在研的空間紫外遙感光譜輻射計(jì)的亮度響應(yīng)度。在假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)燈為均勻亮度的點(diǎn)光源情況下,對照明因子進(jìn)行了修正射板對此修正進(jìn)行

2、了實(shí)驗(yàn)研究,(1%)的結(jié)論。初步的定標(biāo)數(shù)據(jù)分析顯示,不確定度來源,。關(guān)鍵詞:光譜輻亮度定標(biāo);中圖分類號(hào):TP73SpectralresponsivitycalibrationofultravioletremotesensingspectroradiometerinspaceusingintegratingsphereWANGShu2rong1,XINGJin1,2,LIFu2tian1(1.StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSc

3、iences,Changchun130031,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:Acalibrationtechniquebasedoninternallyilluminatedintegratingspherewaspresented,andthelargeareauniform(2%)sourceofradianceclosetoidealsourcewasachieved,theradiancere2sponsivitiesoftheultravioletrem

4、otesensingspectroradiometerinspaceunderdevelopmentwereob2tained.UndertheconditionthatFELstandardlampwasassumedtobeauniformpointsource,theil2luminatingfactorsofbothsourceswerecorrected,inthemeantime,twokindsofdiffuserswerein2volvedintheexperimentalresearchforthiscorrection.Aconclusionisgiventhatthera

5、diancerespon2sivitiesofthespectroradiometerobtainedthroughthesetwokindsofdiffusersareconsistentwithin1%.Apreliminaryanalysisofcalibrationdatashowsthattheuncertaintyofthespectralirradiancemeasurementinthequartztungstenhalogenlampandtheuncertaintyindistancemeasurementarethemajorfactorsofuncertaintyint

6、hespherecalibrationtechnique.Thistechniquecanbeusedtoimprovetheprecisionofcalibrationinultravioletwavelengthrange,andtheuncertaintyincalibrationcanbere2ducedsignificantlytoo.收稿日期:2005212222;修訂日期:2006201212.基金項(xiàng)目:2004年應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金支持。186光學(xué)精密工程第14卷Keywords:spectralradiancecalibration;ultravioletremotes

7、ensingspectroradiometerinspace;in2tegratingsphere;diffuser1引言空間遙感光譜輻射計(jì)是真實(shí)地獲取大氣環(huán)境第一手資料的常用儀器。通過測量各波段經(jīng)大氣散射的光譜輻亮度和太陽直射的光譜輻照度,反演計(jì)算出大氣中各種微量氣體和氣溶膠的含量,以監(jiān)測全球溫室效應(yīng)、臭氧層厚度變化和各種有害氣體的排放等等。使用標(biāo)準(zhǔn)光源來定標(biāo)光譜輻射計(jì)是廣泛采用的一種辦法,然而,對于空間遙感光譜輻射計(jì)而言,光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn),。在250400nm,距離沿法線方向照明30cm×30cm漫反射板(本文中漫反射板材料為spectralon)。光譜輻射計(jì)與漫反射板法線成33&

8、#176;觀測漫反射板的中心區(qū)域。應(yīng)注意,儀器和漫反射板實(shí)際上組成了新的光譜輻射計(jì)系統(tǒng),用于將FEL標(biāo)準(zhǔn)燈的照度傳遞到積分球的開口上來,漫反射板BRDF的影響就被完全地消除了。儀器的入射狹縫距漫反射板50cm,儀器的視場投影到漫反射板上是一個(gè)上底為9.5cm,下底為11.5cm,16.8cm的梯形。,在(1)式2:l()×(1)(cos×w(x,y)×f(x,y),沿光譜輻射計(jì)觀測視場積分得到。)是中國計(jì)量院在距離l(通常為100其中,El(cm)處標(biāo)定的FEL標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻照度;是照明漫反射板方向相對法線的夾角;ww(x,y)是由光源尺寸決定的離軸照明修正因子;

9、f(x,y)是在儀器視場投影面積上FEL標(biāo)準(zhǔn)燈光譜輻照度隨角度的變化。由于FEL標(biāo)準(zhǔn)燈光源尺寸較小,修正因子w(x,y)可以忽略,在將FEL標(biāo)準(zhǔn)燈看作均勻亮度源的情況下,式(2)沿光譜輻射計(jì)觀測視場的積分為:)=El()2E(2,h+r輻亮度定標(biāo)的不確定度一直徘徊在較低的水平(5%8%),這主要是由于輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈在低于300nm時(shí)不確定度較大和漫反射板雙向反射分布函數(shù)(BRDF)的測量有較大的不確定度所致。另外,平面漫反射板定標(biāo)方法還存在亮度均勻性不十分理想的問題,故此,高精度光譜輻射的標(biāo)定均避免直接使用平面漫反射板定標(biāo)方法。近年來1,有人提出了基于內(nèi)部照明的積分球光譜輻亮度定標(biāo),由于抵消了漫

10、反射板的影響,精度得到了較大的提高。本文應(yīng)用積分球光譜輻亮度定標(biāo)方法,標(biāo)定了我所研制的空間紫外遙感光譜輻射計(jì)的光譜輻亮度響應(yīng)度。初步的定標(biāo)數(shù)據(jù)分析與比對顯示,使用積分球作為大面積均勻亮度源來定標(biāo)光譜輻射計(jì),可以極大地降低輻亮度定標(biāo)不確定度,從而實(shí)現(xiàn)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)高精度光譜輻射定標(biāo)。(2)其中,h是FEL標(biāo)準(zhǔn)燈與漫反射板之間的距離;r是將光譜輻射計(jì)在漫反射板上的投影視場等效為相同面積的圓的半徑(本文中為7.5cm),用r2表示。為了驗(yàn)證這種做法的正確性,儀器分別對距漫反射板50,100cm的FEL標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行觀測。在250340nm選擇12個(gè)波長進(jìn)行觀測(一般比較關(guān)心同時(shí)也難以準(zhǔn)確標(biāo)定的也

11、是這個(gè)波長范圍),兩次觀測的比值為3.924(20個(gè)比值平均),標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45%。計(jì)算比值為3.934,比觀測值大了0.25%。從中可以看出省略w(x,y)給定標(biāo)帶來的影響很小。Walker1提出了一種改善光譜輻射定標(biāo)精2積分球定標(biāo)原理及方法利用內(nèi)部照明的積分球進(jìn)行光譜輻亮度定標(biāo)需要光譜輻照度傳遞,就是將中國計(jì)量院的FEL標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻照度傳遞到積分球上來,如圖1(a)所示。由中國計(jì)量院定標(biāo)的1000W光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)石英鹵鎢燈(FEL),在h=50,100cm的度的技術(shù),這種基于內(nèi)部照明的積分球的技術(shù)在第2期王淑榮,等:利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)18710年前就被Heath2

12、應(yīng)用標(biāo)定了SBUV22儀器的光譜輻亮度,并得到了較好的結(jié)果。困于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,積分球的涂料是BaSO4,在內(nèi)置鹵鎢燈的照射下反射率<350nm有著明顯的衰減,使數(shù)據(jù)的重復(fù)性受到影響,而且鹵鎢燈照明的積分球在紫外波段很難有較高的亮度輸出,給準(zhǔn)確定標(biāo)儀器帶來困難。近年來,得益于技術(shù)的發(fā)展,內(nèi)部涂料為高分子材料(spectralon或聚四氟乙烯等)的積分球才實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。本實(shí)驗(yàn)選擇了Sphereoptics公司的TX220Z2UV積分球系統(tǒng)。該積分球直徑20in(50.8cm),開口直徑8in(20.32cm),其內(nèi)部涂料為spectralon材料,具有良好的朗伯余弦特性和抗紫外輻射特性。系

13、統(tǒng)由鹵鎢燈和氙燈混合照明,在250400nm和良好的均勻性。Heath3研究表明,h佳的選擇。圖1(b)積分球照明漫反射板,與圖1(a)唯一的不同就是FEL標(biāo)準(zhǔn)燈的位置由積分球的開口代替了。這樣就可以確定出積分球在50,100cm的照度。根據(jù)朗伯輻射體的熱傳導(dǎo)理論,在假設(shè)積分球?yàn)槔什椛潴w的情況下,距離內(nèi)部照明的積分球開口d處的照度可以由式(3)表示2:2)=r12/(d2+r2)=Ed(L(1+r2),(3)G(d,r1,r2)L()為距離積分球開口d處的光譜輻照其中,Ed()為積分球開口處的光譜輻亮度;r1是積度;L(分球開口半徑;r2是探測器接收面的半徑,或者在本文中指一個(gè)面積等于光譜輻

14、射計(jì)在漫反射板上投影視場面積的圓的半徑;d是積分球孔徑到漫反射板的距離。利用式(3)可以從積分球在距離d處的光譜輻照度計(jì)算出積分球開口處的光譜輻亮度,從而得到光譜輻射計(jì)的光譜輻亮度響應(yīng)度(圖1(c)。為了驗(yàn)證公式(3)的正確性,儀器分別對距漫反射板50,100cm的積分球進(jìn)行觀測。在250340nm所選擇的12個(gè)波長兩次觀測的比值為3.812(12個(gè)比值平均),標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.30%。計(jì)(c)積分球亮度定標(biāo)(c)Spectralradiancecalibrationofintegratingsphere()(calibrationofintegratingsphere(a)FEL照度定標(biāo)(a)F

15、ELspectralirradiancecalibration圖1照度/亮度定標(biāo)Fig.1Spectralirradiance/radiancecalibration投影視場較大,定標(biāo)中就需要對照度進(jìn)行修正,這就將引入額外的誤差。若在靠近儀器的入瞳處放置透射漫反射板就可以將投影視場面積壓縮得很小,這樣修正系數(shù)的影響就微乎其微了。因此,將一塊雙面磨毛的熔石英薄片安放在光譜輻射計(jì)2cm×3cm的入射孔徑處用作透射漫反射板。同時(shí)應(yīng)注意石英薄片距離光源(FEL標(biāo)準(zhǔn)燈或積分球)的距離不能過近,因?yàn)橥干渎瓷浒逯粚^小的張角有較好的余弦響應(yīng)?；谏鲜隹紤],將FEL光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈在50,100c

16、m的距離沿法線方向照明石英透射漫反射板(圖1(a),以此確定出儀器+石英透射漫反射板系統(tǒng)的照度響應(yīng)度。250340nm12個(gè)波長2次觀測的比值為3.991,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29%。計(jì)算比值為3.997,比觀測值大了0.16%。圖1(b)積分球以共軸方式在150,180,200cm的距離照明石英透射漫反射板,250340nm12個(gè)波算比值為3.820,比觀測值大了0.20%。由于光譜輻射計(jì)在spectralon漫反射板上的188光學(xué)精密工程第14卷長3次觀測的比值分別為1.439和1.224,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21%和0.29%。計(jì)算比值為1.440和1.235,比觀測值分別大了0.07%和0.03%

17、。再根據(jù)式(3)計(jì)算出積分球開口處的亮度,得到光譜輻射計(jì)的光譜輻亮度響應(yīng)度(圖1(c)。為朗伯輻射體,制作良好的積分球在小心操作的情況下通常是滿足這一條件的。為了考察TX220Z2UV積分球系統(tǒng)輸出的均勻性,由硅探測器和中心波長為350nm的濾光片所組成的輻射計(jì)測量了出射孔徑的相對亮度。該輻射計(jì)視場約為5°,在積分球孔徑上的投影為直徑3cm的圓。測量在與出射孔徑相垂直的方向進(jìn)行,直徑20.32cm的開口上共測量了20個(gè)位置的相對亮度,最大的偏差出現(xiàn)在左上角為2.5%。圖3所示為實(shí)測的單獨(dú)由氙燈照明情況下該積分球出射孔徑的均勻性,可見TX220Z2UV積分球系統(tǒng)的輻射特性是很接近朗伯輻

18、射體的。圖2輻射換熱角系數(shù)示意圖Fig.2Schematicdrawingoftheradiationtransfergoniometricfactor實(shí)際上,之間(見圖2)距離處的照度的一種近似。輻射換熱角系數(shù)表示為4:2R1=,R2=,X=1+2ddR1F1-2=1/2X-2-4R12圖3在350nm處積分球出射孔徑的均勻性(300W氙燈照明)Fig.3Uniforrmityoftheintegratingsphereexitapertureplaneat350nm(illuminatedbya300Wxenonlamp),(4)由于A1為一朗伯表面,故輻通量L11=××

19、;A1,對任意表面A2而言,入射輻通量2=E2×A2。應(yīng)用輻射換熱角系數(shù)的定義,得到F1-2=2/1,因此有A1/A2,(5)E2/L1=F1-2將(4)式代入(5)式,得到E2=1/2X-423實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析通過前文所述的積分球定標(biāo)方法獲得的紫外光譜輻射計(jì)的光譜輻亮度響應(yīng)度見圖4,數(shù)據(jù)如表1所示。還有幾點(diǎn)是在利用積分球定標(biāo)過程中必須要注意的。在積分球亮度定標(biāo)中,最大的不確定度來源是石英鹵鎢燈光譜輻照度的相對不確定度。中國計(jì)量院標(biāo)稱的標(biāo)準(zhǔn)石英鹵鎢燈在250nm的定標(biāo)不確定度為4%,是應(yīng)用積分球定標(biāo)方法無法消除的。若要實(shí)現(xiàn)空間紫外光譜輻射計(jì)的高精度輻射定標(biāo)(12%),必須獲得不確定度較

20、小的光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈(比如美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST的光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)石英鹵鎢燈在250nm標(biāo)定不確定度為1.6%,k=2)。另外,幾何因子G(d,r1,r2)在積分球定標(biāo)中是至關(guān)重要的參數(shù),因此R12××L1,r(6)222式(6)的簡化形式就是公式(3),在本文的情況下d=50,100cm,r1=10.16cm,r2=7.5cm,使用公式(3)近似代替(6)式的誤差分別小于0.082%和0.0056%。因此使用此公式引起的誤差比起試驗(yàn)設(shè)置的重復(fù)性等等其他誤差要小得很多了。幾何因子G(d,r1,r2)其實(shí)就相當(dāng)于式(1)中平面漫反射板BRDF的倒數(shù)。應(yīng)該注意的是在確定光譜輻

21、射計(jì)+漫反射板系統(tǒng)的照度響應(yīng)度時(shí),仍然要根據(jù)式(1)和式(2)做出照度修正。正確的應(yīng)用Walker的技術(shù)的前提是積分球第2期王淑榮,等:利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)189表1應(yīng)用積分球定標(biāo)方法獲得的儀器光譜輻亮度響應(yīng)度數(shù)據(jù)Tab.1Spectralradianceresponsivityofinstrumentderivedbyintegratingsphere波長積分球+石英透射漫反射板亮度響應(yīng)度W/V/(2(cmnmsr)7.197.237.056.886.6929454.005.394.66積分球+spectralon漫響應(yīng)度比值反射板亮度(石英/spectralon)響應(yīng)度

22、W/V/(2(cmnmsr)7.097.156.996.836.645.324.434.015.374.651.0141.0101.0091.0071.0081.0071.0051.0061.0030.9991.0051.002nm250圖4利用內(nèi)部照明積分球的定標(biāo)方法(石英透射漫反射板和spectralon漫反射板)獲得的光譜輻射計(jì)輻亮度響應(yīng)度Fig.4Radianceresponsivityofthespectroradiome2terderivedbyinternallyilluminatedintegra2tingsphere(quartztransmissiondiffuserand

23、spectralondiffuser).255260265270280290320330340距離的測量精度必須提高。定度為0.4%,標(biāo)中可以忽略,0.05%。FEL250400nm照度值變化約兩個(gè)量級(jí),若要在探測器的同一高壓狀態(tài)測量就會(huì)引起300nm以下探測系統(tǒng)信噪比較低,影響探測信號(hào)的準(zhǔn)確性。為此在250340nm(一般比較關(guān)心同時(shí)也難以準(zhǔn)確測量的也是這個(gè)波長范圍)選擇12個(gè)波長,采用定波長多次測量平均(50次)的辦法不僅有效地消除了隨機(jī)誤差而且極大地縮短了測量時(shí)間,使噪聲和探測系統(tǒng)線性及響應(yīng)度漂移的影響最小化。經(jīng)驗(yàn)表明雜散光是不可忽視的定標(biāo)誤差來源,如果不采取限制措施將引起10%的測量誤

24、差。為此將積分球、儀器、光學(xué)平臺(tái)等可能反射光的表面均進(jìn)行表面發(fā)黑處理,表面發(fā)射率約0.8%,再經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮诓颊诠馓幚?就可以使雜散光的影響最小化至0.3%。積分球亮度輸出應(yīng)保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性,才不會(huì)給輻射標(biāo)定結(jié)果帶來影響,經(jīng)對積分球開口亮度的實(shí)際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)亮度輸出會(huì)有輕微的衰減0.5%h-1,將積分球冷卻到室溫再打開氙燈照明,亮度會(huì)恢復(fù)到原來的數(shù)值。這應(yīng)該是氙燈系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定性(0.5%h-1)和由氙燈的強(qiáng)紫外輻射形成的臭氧的吸收所造成的。由于標(biāo)定過程所耗費(fèi)的時(shí)間較短30分鐘,故積分球亮度輸出的穩(wěn)定性對定標(biāo)帶來的不確定度為0.5%。從表1中可以看出,采用兩種漫反射板的積分球定標(biāo)方法所獲得的儀器輻

25、亮度響應(yīng)度是在1%以內(nèi)相一致的;為了便于比較,在同樣的操作條件下使用了同一支FEL標(biāo)準(zhǔn)燈。這兩種定標(biāo)方法的偏差主要是由于在spectralon漫反射板照度傳遞時(shí)省略了修正因子同時(shí)假設(shè)FEL標(biāo)準(zhǔn)燈為均勻亮度源造成的,這也是應(yīng)用兩種漫反射板進(jìn)行積分球定標(biāo)的原因所在。為了驗(yàn)證定標(biāo)的重復(fù)性,分別在2005年04月06日、2005年04月13日和2005年04月20日3次標(biāo)定儀器的光譜輻亮度響應(yīng)度。積分球+石英透射漫反射板定標(biāo)亮度響應(yīng)度3次的比值(與平均值的比)分別為1.0011,0.9993和0.9997。積分球+spectralon漫反射板定標(biāo)三次的比值(與平均值的比)分別為0.9974,1.0011和1.0016。4結(jié)論本文論述了基于內(nèi)部照明的積分球的輻亮度定標(biāo)方法,并應(yīng)用該方法標(biāo)定了空間紫外遙感光譜輻射計(jì)250340nm的光譜輻亮度。初步的數(shù)據(jù)分析顯示積分球定標(biāo)最大的不確定度來源是190