星载微光遥感器外场辐射定标光源的研制和检测

甘 涛，袁银麟，翟文超，郑小兵，孟凡刚，吴浩宇

（1.中国科学院 通用光学定标与表征技术重点实验室，中国科学院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026）

引言

星载微光遥感器可在夜间低照度条件下获取月光反射辐射、城市灯光等微弱可见光图像。星载微光遥感器利用月光反射辐射反演实现低云大雾、冰雪覆盖、烟尘和热带气旋探测等应用[1-3]；通过城市灯光强度和分布范围可进行城市建筑密度估算等领域的研究[4]，具有重要意义和价值。

外场辐射定标是星载微光遥感器定量化应用的基本前提，其目的是定期测量和校正星载微光遥感器辐射响应的衰变，更新其在轨响应定标系数，实现长期有效运行[5]。目前国内外均开展了星载微光遥感器的在轨定标实验，主要定标方式是采用地面灯光（如灯塔灯光）[6]。目前这种定标方式，受到月光光照条件和周边环境反射率差异、环境光污染等因素影响，典型定标精度约为10%。

为了降低环境光污染、自然环境等因素的影响，进一步提升星载微光遥感器外场辐射定标精度，本文介绍了一种以大功率LED 为发光介质的主动式外场辐射定标光源。

1 辐射通量等效的外场辐射定标方法

微光遥感器的辐射定标一般要求定标光源的输出具有朗伯辐出度分布和高均匀性，且充满遥感器的视场和孔径等条件。但是微光遥感器的视场面积As很大，接近0.5 km2。根据微光遥感器外场辐射定标要求的充满视场和孔径条件，定标光源的面积应大于0.5 km2。目前尚无手段实现如此大面积均匀朗伯型光源的研制，因此有必要考虑非充满视场条件定标方法。根据辐射通量等效的方法，可建立微光遥感器的辐射响应值与参考光源面积之间的关系，如公式（1）所示[7]:

式中：D为探测器尺寸；Nk为微光遥感器的辐射响应值；L′(λ)为目标等效辐亮度；A′s为参考光源面积；H为轨道高度；τ为光学系统透过率；η(λ)为量子效率；Ck为暗电流。

通过辐亮度和光源面积调整，可实现非充满视场条件与充满视场条件相同的辐射定标效果，如公式（2）所示。

式中：L(λ)为目标辐亮度；As为视场面积。

微光遥感器辐射响应度可根据面积校正因子RCAs进行获取，可通过公式（3）表示。

以极轨运行的环境卫星NPP 可见光红外辐射仪VIIRS 传感器DNB 微光通道为例，其星下点像元对应的地面成像几何尺寸为742 m×742 m。设计外场辐射定标光源的出光口尺寸为250 mm×250 mm，面积校正因子RCAs约为8.8×106。目前微光遥感器的动态范围大致介于1×10-9W·cm-2·sr-1～1×10-2W·cm-2·sr-1（VIIRS），考虑到功耗等因素，将外场辐射定标光源的输出辐亮度设计为10-2W·cm-2·sr-1量级水平，可满足其在轨定标需求。

2 外场微光辐射定标光源设计

外场辐射定标光源主要由LED 积分球、高精度驱动电源和循环水冷设备组成。积分球设计的基本要求是利用有限数量和功率的发光单元产生尽可能大动态范围的辐射输出，并保证出射光的角度和平面均匀性。积分球出射的辐亮度可以由空腔的辐射传递理论推导得到，即[8]

式中：Ls为积分球输出光谱辐亮度；Φ为发光单元的总发光通量；As为积分球内表总面积；ρ为内壁涂层反射率；f为积分球的开口比，即所有开孔面积与内壁总面积的比值。

根据（5）式，为了提高输出光谱辐亮度Ls，应当采用反射率ρ高的内壁涂层，减小开口比f。本文选择聚四氟乙烯作为积分球内壁涂层，其反射率在400 nm～2 500 nm 波段内高于95%，且方向反射均匀性优良，是较为理想的漫反射体[6]。

积分球理论和实验研究表明[9-11]，在涂层反射率一定的情况下，开口比f≤5%时，才能满足出射光角度均匀性优于98%的要求。积分球的内径为600 mm，出光口为正方形，尺寸设计为250 mm×250 mm。积分球共安装12 只300 W LED 发光单元，每只发光单元的开孔直径为 Φ60 mm，中心波长为670 nm。经过核算积分球开口比约为4.5%。积分球通过绞盘实现出光口的水平和竖直平面的位置调节。LED 发光单元在积分球前半球间隔30°均匀布置，安装位置与出光口中心法线呈65°。

采用具有可编程功能的高精度驱动电源，实现12 只300 W LED 发光单元的串联恒流驱动和辐亮度的调节。循环水冷设备用于LED 发光单元的散热和温控，制冷精度优于±0.2 ℃，可将积分球的输出起伏控制在小于0.2%，峰值波长漂移小于0.1 nm[12]。通过循环水冷温控和高精度可编程直流电源驱动技术，实现外场辐射定标光源辐亮度输出稳定性。

3 整机性能测试和外场测试验证

采用大口径积分球辐出度分布自动测试系统[13]和绝对光谱响应率标准探测器[14]对积分球的光源性能特性进行了测试，测试项目包括积分球的光谱辐亮度、稳定性、角度均匀性和平面均匀性等。

3.1 光谱辐亮度和稳定性

利用溯源于标准灯和漫射板系统的光谱仪，对积分球参考光源的光谱辐亮度进行定标。外场辐射定标光源输出的光谱辐亮度超出标准传递辐射计的测量动态范围近1 个量级。采用定制的孔径光阑降低光谱仪输入光通量，增大测量动态范围。通过孔径光阑的光谱透过率实现外场辐射定标光源光谱辐亮度的定标[14]。外场辐射定标光源输出的光谱辐亮度定标曲线见图1（a），绝对辐亮度值为5.2×10-2W·cm-2·sr-1。

参考光源的稳定性是指其输出特性随时间变化的程度。参考光源开机预热完成后，使用标准探测器以5 s 间隔持续测量1 h，其输出相对于均值的起伏小于0.1%，检测结果如图1（b）所示。

图1 外场辐射定标光源辐亮度特性测试结果Fig.1 Radiance characteristics test results of in-site radiation calibration light source

3.2 角度均匀性和平面均匀性

参考光源的角度均匀性表征相对于其出光面法线一定角度范围内辐亮度的变化程度，通常以多个角度测量的测量值相对于法线测量值的相对偏差来表述。在出光面法线±30°的角度范围内，分别进行了水平平面和垂直平面内的角度均匀性测量，水平和垂直平面内测量结果如图2（a）所示。

参考光源的平面均匀性表征其出光口平面内、不同位置的辐亮度的相对偏差程度。通常以多个测点的测值之间相对偏差来表述。对光源开展了平面均匀性检测实验，检测区域350 mm×350 mm，完整覆盖积分球出光口，测点间距为25 mm，共采集144 个测点数据，检测结果如图2（b）所示。在250 mm×250 mm 的区域内，平面均匀性优于99.78%。

图2 外场辐射定标光源均匀性测试结果Fig.2 Uniformity measurement result of uniformity of in-site radiation calibration light source

3.3 外场测试验证与影响因素分析

外场测试验证场地选择位于甘肃省敦煌市的中国遥感卫星辐射校正场。该辐射校正场受城市灯光污染小，且反射率分布均匀。

NPP 卫星于每天01:50～04:20 之间过境，过境时间约为10 min，自西向东扫过辐射校正场[15]。NPP 卫星拍摄图像及光源的位置如图3 所示，卫星在轨测量的像元响应辐亮度值如表1 所示。

图3 外场测试卫星图像Fig.3 Filed test of in-site calibration reference light source satellite image

表1 外场定标光源位置及辐亮度Table 1 Position & radiant output of in-site calibration reference light source

从表1 可以看出极轨运行环境卫星NPP 可见光红外辐射仪VIIRS 传感器DNB 微光通道测量的辐亮度值为8.27×10-9W·cm-2·sr-1，初步验证了外场辐射定标光源可应用于微光遥感器的外场定标。采用辐射通量等效的方法，应用外场辐射定标光源定标方案，通过面积校正因子进行微光遥感器的外场定标还需要对卫星姿态、月球辐照度和地表反射率等影响因素进行分析。

4 结论

本文提出了辐射通量等效的微光遥感器在轨定标方法，并基于该方法设计了外场微光辐射定标光源，在敦煌中国遥感卫星校正场对该光源进行了外场实验。定标光源实验室实测辐亮度为5.2×10-2W·cm-2·sr-1，通过等效辐射通量面积校正后，能够达到10-9W·cm-2·sr-1量级。经实际测量，VIIRS微光通道的辐亮度响应达到了8.27×10-9W·cm-2·sr-1，与定标光源辐射量值面积校正后量级一致，证明了该光源设计的合理性。本文没有考虑夜间大气辐射传输和月光贡献，仅从光源辐射量级上验证了其适用性，未对在轨定标精度进行评估。该光源量值可溯源且具有优良的辐射特性，未来在微光遥感器的在轨定标、长期稳定性监视、夜间大气辐射传输算法的验证等方面具有潜在应用。