星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置及方法与流程

本发明涉及光学遥感领域，具体地，涉及一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置及方法。

背景技术：

星载干涉式红外高光谱探测仪具有光谱范围宽、灵敏度高、光谱分辨率高等优点，在温湿度垂直探测、大气成分探测、环境监测等领域具有广泛应用。目前，美国极轨气象卫星npp、jpss等都装载有干涉式的红外高光谱探测仪cris，欧洲metop系列卫星也装载有同类的仪器iasi，国内风云系列、高分系列也装载有干涉式红外高光谱探测仪。

辐射定标精度是红外高光谱探测仪的关键技术指标之一，是仪器高精度、定量化应用的前提，在发射前红外高光谱探测仪进行辐射定标是建立探测目标辐射与仪器响应输出之间关系、衡量仪器性能的必需环节。

在实验室环境中，干涉式红外高光谱探测仪易受到环境温度、环境振动等因素影响，故而需要在实验室完成装调后，进入真空罐进行辐射定标，确保定标系数的准确获取，保证发射入轨后的定量化应用。

文献[1](yonghan，suominppcrismeasurements,sensordatarecordalgorithm,calibrationandvalidationactivities,andrecorddataquality,2013)、文献[2](杨庆华，高光谱分辨率时间调制傅氏变换成像光谱技术研究，2009)给出了典型星载干涉式高光谱仪器的性能，文献[3](pagano,t.s.,prelaunchandin-flightradiometriccalibrationoftheatmosphericinfraredsounder(airs),2003)介绍了多谱段红外探测仪的辐射定标方法，文献[4](杨敏珠,干涉数据中非线性的校正及其对辐射定标的影响,2017)介绍了干涉式红外高光谱探测仪辐射定标中遇到的非线性响应问题，目前国内外尚无公开发表的星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置及其测试方法。因此，亟需研发和建立针对干涉式红外高光谱探测仪的专用定标和测试设备，在全光路、全口径下进行辐射定标与测试，对于干涉式红外高光谱探测仪定量化应用具有关键作用，也可支持其他星载红外高光谱载荷的测试和定标。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置及定标方法。

根据本发明提供的一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置，包括：真空罐、液氦冷屏、高精度黑体、干涉式红外高光谱探测仪、干涉式红外高光谱探测仪指向镜，隔振平台、安装平台、支撑平台、制冷控制系统和仪器与定标设备控制系统，所述液氦冷屏竖直安装在所述真空罐内壁侧面，所述安装平台水平安置在所述真空罐内壁底部，所述隔振平台水平安置在所述安装平台上，所述干涉式红外高光谱探测仪水平安置在所述隔振平台上，所述干涉式红外高光谱探测仪指向镜安装在所述干涉式红外高光谱探测仪中，所述支撑平台安装在所述安装平台上，所述高精度黑体悬挂安装在所述支撑平台上；所述真空罐侧壁设置有法兰，所述制冷控制系统和所述仪器与定标设备控制系统通过所述法兰与内部连接。

优选地，所述制冷控制系统与所述安装平台连接，模拟卫星在轨工作环境，真空度优于1×10^-5pa。

优选地，所述液氦冷屏尺寸不小于1500×1500mm，负载时温度低于20k，表面比辐射率：>98％。

优选地，所述高精度黑体发射率优于0.99，有效辐射面大于φ300mm，测温不确定度优于0.02k。

优选地，所述干涉式红外高光谱探测仪指向镜通过转动可以控制指向所述高精度黑体或者所述液氦冷屏。

优选地，还提供一种测试方法，包括以下步骤：

步骤一，安装装置并将所述制冷控制系统和所述仪器与定标设备控制系统通过所述法兰与内部连接。

步骤二，调节仪器位置，所述液氦冷屏和所述高精度黑体充满所述干涉式红外高光谱探测仪的口径与视场。

步骤三，将所述真空罐抽至真空后，控制外部液氮流量，实现对罐内低温部件的降温。

步骤四，仪器及低温部件温控到位且稳定后，控制所述干涉式红外高光谱探测仪指向镜指向所述高精度黑体，控制所述高精度黑体温度在所述干涉式红外高光谱探测仪工作动态范围内并测量多组所述干涉式红外高光谱探测仪输出干涉图与所述高精度黑体温度值记录，每次记录需待所述高精度黑体温度稳定且正向与反向干涉图各不少于50幅。

步骤五，控制所述干涉式红外高光谱探测仪指向镜指向所述液氦冷屏，记录所述干涉式红外高光谱探测仪输出的干涉图，正向与反向干涉图各不少于50幅。

步骤六，对采集的所有正向与反向干涉图进行相位对齐后取均值进行傅里叶变换，得到未标定的复数光谱。

步骤七，按照干涉图有效长度、干涉图采样步长、光谱定标系数对复数光谱进行通道对应。

步骤八，根据所述高精度黑体发射率与planck公式计算光谱范围内对应各通道的所述高精度黑体辐亮度；根据所述液氦冷屏发射率与planck公式计算光谱范围内对应各通道的所述液氦冷屏辐亮度。

步骤九，根据所述高精度黑体与所述液氦冷屏的复数光谱与入射辐亮度分别计算复数定标系数。

优选地，所述步骤九中，定标系数包含复数增益g(σ)与自发射背景o(σ)关系为：

s(σ)＝g(σ)(b(σ)-o(σ))(公式1)

其中，σ表示波数，s(σ)为步骤六中得到的未标定的复数光谱，b(σ)为步骤八中得到的所述高精度黑体或者所述液氦冷屏的辐亮度(实数)，自发射背景o(σ)为实数，增益g(σ)为复数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明填补了现有技术中的空白，建立具备星载干涉式红外高光谱探测仪高精度地面辐射定标装置，确保发射前辐射定标测试能够真实模拟在轨工作状态、如实评估仪器工作性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置示意图；

图2为一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置测试方法流程图；

图3为不同温度点干涉图；

图4为实部不同温度点复数光谱图；

图5为虚部不同温度点复数光谱图；

图6为不同温度点的辐亮度理论值；

图7为实部辐射定标曲线；

图8为虚部辐射定标曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置，包括：真空罐1、液氦冷屏2、高精度黑体3、干涉式红外高光谱探测仪4、干涉式红外高光谱探测仪指向镜5，隔振平台6、安装平台7、支撑平台8、制冷控制系统9和仪器与定标设备控制系统10，液氦冷屏2竖直安装在真空罐1内壁侧面，安装平台7水平安置在真空罐1内壁底部，隔振平台6水平安置在安装平台7上，干涉式红外高光谱探测仪4水平安置在隔振平台6上，干涉式红外高光谱探测仪指向镜5安装在干涉式红外高光谱探测仪4中，支撑平台8安装在安装平台7上，高精度黑体3悬挂安装在支撑平台8上；真空罐1侧壁设置有法兰，制冷控制系统9和仪器与定标设备控制系统10通过法兰与内部连接。

具体地，真空罐1为干涉式红外高光谱探测仪4提供真空、深冷环境，安装平台7需与真空罐1液氮制冷控制系统9，模拟卫星在轨工作环境，真空度优于1×10^-5pa。

干涉式红外高光谱探测仪4是对振动敏感的仪器，隔振平台6有较好的隔振功能，可以为干涉式红外高光谱探测仪4内部干涉仪提供良好的工作环境。

辐射定标分别采用低温源与高温源作为定标光源，覆盖仪器响应的动态范围，低温源采用液氦冷屏2，尺寸不小于1500×1500mm，负载时温度低于20k，表面比辐射率：>98％。高温源采用高精度黑体3，发射率优于0.99，有效辐射面大于φ300mm，测温不确定度优于0.02k。对定标光源的精度进行控制，从而提高仪器辐射定标的溯源精度。制冷控制系统9和仪器与定标设备控制系统41在定标中同时按照测试步骤的要求，协同工作，提高效率。

如图2所示，还提供一种测试方法，包括以下步骤：

步骤一，安装装置并将制冷控制系统9和仪器与定标设备控制系统10通过法兰与内部连接。

步骤二，调节仪器位置，液氦冷屏2和高精度黑体3充满干涉式红外高光谱探测仪4的口径与视场。

步骤三，将真空罐1抽至真空后，控制外部液氮流量，实现对罐内低温部件的降温。

步骤四，仪器及低温部件温控到位且稳定后，控制干涉式红外高光谱探测仪指向镜5指向高精度黑体3，控制高精度黑体3温度在干涉式红外高光谱探测仪4工作动态范围内并测量多组干涉式红外高光谱探测仪4输出干涉图与高精度黑体3温度值记录，每次记录需待高精度黑体3温度稳定且正向与反向干涉图各不少于50幅。

步骤五，控制干涉式红外高光谱探测仪指向镜5指向液氦冷屏2，记录干涉式红外高光谱探测仪4输出的干涉图，正向与反向干涉图各不少于50幅。

步骤六，对采集的所有正向与反向干涉图进行相位对齐后取均值进行傅里叶变换，得到未标定的复数光谱。

步骤七，按照干涉图有效长度、干涉图采样步长、光谱定标系数对复数光谱进行通道对应。

步骤八，根据高精度黑体3发射率与planck公式计算光谱范围内对应各通道的高精度黑体3辐亮度；根据液氦冷屏2发射率与planck公式计算光谱范围内对应各通道的液氦冷屏2辐亮度。

步骤九，根据高精度黑体3与液氦冷屏2的复数光谱与入射辐亮度分别计算复数定标系数。

所述步骤九中，定标系数包含复数增益g(σ)与自发射背景o(σ)关系为：

s(σ)＝g(σ)(b(σ)-o(σ))(公式1)

其中，σ表示波数，s(σ)为步骤六中得到的未标定的复数光谱，b(σ)为步骤八中得到的高精度黑体3或者液氦冷屏2的辐亮度(实数)，自发射背景o(σ)为实数，增益g(σ)为复数。

如图3所示，共测量32个高精度黑体3温度点的干涉图数据，温度覆盖-89℃～﹢62℃。控制干涉式红外高光谱探测仪指向镜5指向液氦冷屏2，记录仪器输出的干涉图，对采集的所有正向与反向干涉图进行相位对齐后取均值。

如图4和图5所示，对其进行傅里叶变换(快速算法为快速傅里叶变换fft)，按照干涉图有效长度、干涉图采样步长、光谱定标系数对复数光谱进行通道对应，得到未辐射标定的复数光谱。

如图6所示，计算32个高精度黑体3温度点以及液氦冷屏2的辐亮度。

如图7和图8所示，根据高精度黑体3与液氦冷屏2的复数光谱与入射辐亮度分别计算复数定标系数，计算中待定参数为复数增益g(σ)与自发射背景o(σ)，复数增益g(σ)包含实部及虚部，通过最小化方法得到最佳估计，最终得到的定标曲线。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。