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

1、󰀁第33卷󰀁第4期2006年4月中󰀁国󰀁激󰀁光CHINESEJOURNALOFLASERSVol.33,No.4󰀁May,2006󰀁07󰀁󰀁文章编号:0258󰀁7025(2006)04󰀁0509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121,2,王淑荣,李福田11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中国科学院研究生院,北京100039摘要

2、83041;应用基于spectralon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󰀁O432.1󰀁󰀁󰀁文献标识

3、码󰀁AComparisonofSpectralRadianceCalibrationsofSpectroradiometerforUltravioletSpaceRemoteSensingUsingThreeCalibrationTechniquesXINGJin1,2,WANGShu󰀁rong1,LIFu󰀁tian11StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,TheChineseAcademyofSciences,Ch

4、angchun,Jilin130031,China2GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing10039,ChinaAbstract󰀁Threetechniquesofspectralradiancecalibration,onebasedontheflatdiffuserandtheothertwobasedoninternallyilluminatedintegratingsphere,areapplied.Theradianceresponsivitiesofthespectroradiometerunderde

5、velopmentforultravioletremotesensinginspacehavebeenobtainedusingthesethreecalibrationtechniques.Apreliminaryanalysisofuncertaintiesofthesetechniquespointsoutthattheuncertaintiesinmeasurementsofthediffuserbidirectionalreflectancedistributiononfunction(BRDF)andthecalculationoftheradianceoftheflatdiffu

6、serarethemajorsourcesforthediscrepancyamongthecomparisonsofthesethreetechniques.Thecomparisonsofcalibrationdatashowthatradianceresponsivitiesofthespectroradiometerderivedusingthesethreetechniquesareconsistentwithintheuncertainties(3%)designatedtothem,respectively.Keywords󰀁measurement;radiome

7、try;spectralradiometriccalibration;spectroradiometerforultravioletremotesensinginspace;integratingsphere1󰀁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󰀁󰀁收稿日期:2005

8、󰀁07󰀁13;收到修改稿日期:2005󰀁10󰀁18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(NIST)对辐1󰀁󰀁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

9、方面的研究。E󰀁mail:xingjin980530510中 国 激 光 33卷亮度定标中使用的BaSO4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330nm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spectralon。在250400nm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300nm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。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

10、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。底为9 5cm,下底为11 5cm,高为16 8cm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1L( )=E( )cos 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( )为石英卤钨标准灯的光谱辐照度; 为照明漫反板的方向相对法线的夹角;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 角的变化;B-为spec

11、tralon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2L( )=Eh( )2B-,h+r2(2)2 spectralon漫反射板定标2.1 定标原理及方法spectralon漫反射板辐亮度定标的实验设置见图1。由中国计量院定标的1000W光谱辐照度标准石英卤钨灯(FEL),在h=50cm,100cm的距离沿法线方向照明30cm 30cm的spectralon漫反射板。光谱辐射计与漫反射板法线呈33!角观测spectralon漫反射板的中心区域。其中h为标准灯与s

12、pectralon漫反射板之间的距离;Eh( )=El( )(l2/h2)为标准灯在距离h处的光谱辐照度;El( )为标准灯在距离l(通常为100cm)处标定的光谱辐照度;r是将光谱辐射计在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 5cm),以下用r2表示。2.2 不确定度分析根据(2)式可以得到L=RL( )V( ) B-B-2+lEl( )+1/2+h+r,(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卤钨灯在250nm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

13、的不图1使用spectralon漫反射板进行仪器光谱辐亮度定标Fig.1Spectralradiancecalibrationofinstrumentusingspectralondiffuser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!,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

14、反射板的双向反射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 Fastie型光栅双单色仪结构,光谱带宽1nm,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表1使用spectralon漫反射板进行光谱辐亮度定标的不确定度511Table1UncertaintiesofspectralradiancecalibrationusingspectralondiffuserContributionst

15、otheuncertaintyIrradiancecalibrationuncertaintyofFELlamp(powersupplyunstabilityincluded)MeasurementuncertaintyofBRDFofspectralondiffuserNonlinearityofdetector,swiftofresponsivityandwavelengthdeviationStraylightandscatteredlightMeasurementuncertaintyofhandcalculatinguncertaintyofrEffectofneglectingco

16、rrectionfactorw(x,y)OveralluncertaintyRelativeuncertainty4%at250nm4%6%0.5%0.3%1.0%1.0%5.9%7.4%比因子(BRF),进行朗伯特性修正后再导出双向反射分布函数值。通常测试仪器只能进行小块样品的半球反射率测量,大面积反射板的半球反射率都是由同一批制作的小样品得来的。第一种方法的测试手段简单但是相对不确定度较大(4%6%);第二种方法可以得到较为准确的双向反射分布函数值(2%3%)。本实验所使用的spectralon漫反射板是Labsphere公司的产品,半球反射率(同一批次)也是该公司提供的,由此导出的双向反

17、射分布函数值的相对不确定度为4%6%。石英卤钨标准灯在250400nm照度值变化约两个量级,若要在探测器的同一高压状态测量就会引起300nm以下探测系统信噪比较低,影响探测信号的准确性。为此在250340nm(一般比较关心同时也难以准确测量的也是这个波长范围)选择十二个波长,采用定波长多次测量平均(50次)的办法,有效地消除了随机误差而且极大地缩短了测量时间,使噪声和探测系统线性及响应度漂移的影响最小化。经验表明杂散光是不可忽视的定标误差来源,如果不采取限制措施将引起约10%的测量误差。为此将积分球、仪器、光学平台等可能反射光的表面均进行表面发黑处理,表面发射率约0 8%,再经过适当的黑布遮光

18、处理,就可以使杂散光的影响最小化(约0 3%)。石英卤钨标准灯与spectralon漫反射板之间的距离h,光谱辐射计到漫反射板之间距离的测量不确定度为12mm,导致视场等效圆半径r的计算不确定度约为3mm。经(3)式最后一项计算可得:距离的测量不确定度对定标的影响为1 0%。在计算光谱辐亮度L( )时省略了修正因子w(x,y),并假设石英卤钨标准灯为均匀亮度源。,板50cm,100cm的石英卤钨标准灯进行观测。在250340nm所选择的十二个波长两次观测的比值为3 921(十二个比值平均),标准偏差为0 41%。计算比值为3 934,比观测值大了0 33%。从中可以看出省略w(x,y)给定标带

19、来的影响很小,估计为1 0%。3 积分球定标3.1 积分球+spectralon漫反射板定标Walker等2提出了一种改善光谱辐亮度定标精度的技术,这种基于内部照明积分球的技术在十年前就已经被NASA的Heath等1采纳用于定标SBUV 2仪器的光谱辐亮度响应度,并得到了较理想的结果。当时积分球的涂料是BaSO4,在<350nm处反射率有着明显的衰减;同时卤钨灯照明的积分球在紫外波段很难有较高的亮度输出,这些都给准确定标仪器带来了困难。基于上述原因,实验中选择Sphereoptics公司的TX 20Z UV积分球系统。该积分球直径为50 8cm,开口直径为20 32cm,其内部涂料为Ze

20、nith材料,这种材料与spectralon材料很相似,具有良好的朗伯余弦特性和抗紫外辐射特性。为了在250400nm提供高亮度输出和良好的均匀性(1%),该积分球系统除了内置卤钨灯之外还提供了外置氙灯光源用于照明。Heath4对类似积分球系统的研究表明,由氙灯照明的Zenith材料积分球用于空间紫外遥感光谱辐射计亮度定标是更佳的选择。利用积分球进行光谱辐亮度定标首先需要光谱辐照度传递,就是将中国计量院的石英卤钨标准灯的光谱辐照度传递到积分球上来,如图2所示。图2(a)的设置与图1完全相同,仪器和漫反射板实际上组成了新的光谱辐射计系统用于照度传递。接着512中 国 激 光 33卷反射板(图2(

21、b),与图2(a)唯一的不同就是石英卤钨标准灯的位置由积分球的开口代替了。利用上一步确定的光谱辐射计+漫反射板系统的照度响应度就可以得出积分球在70cm,120cm的照度。仪器分别对距spectralon漫反射板70cm,120cm的积分球进行观测。在250340nm所选择的十二个波长两次观测的比值为2 872(十二个比值平均),标准偏差为0 30%。计算比值为2 878,比观测值大了0 20%。图3辐射换热角系数示意图Fig.3Schematicdrawingoftheradiationheattransfergoniometricfactor实际上,(4)式就是利用两个共轴的圆形表面之间(

22、见图3)的辐射换热角系数公式来计算一定距离处的照度的一种近似。辐射换热角系数表示为5R1=1, R2=2, X=1+22,ddR1图2利用积分球+spectralon漫反射板进行仪器辐亮度定标(a)石英卤钨标准灯照度定标;(b)积分球照度定标;(c)积分球亮度定标2F1 2=X-22-4R12,(5)由于A1为一朗伯表面,故辐通量1=!L1A1,对任意表面A2而言入射辐通量2=E2A2。应用辐射换热角系数的定义,得到F1 2=2/1,因此有E2/L1=F1 2!A1/A2,将(5)式代入(6)式,得到E2=X-22-4R12Fig.2Spectralradiancecalibrationofi

23、nstrumentusingintegratingsphere+spectralondiffuser(a)FELirradiancecalibration;(b)sphereirradiancecalibration;(c)sphereradiancecalibration(6)21!L1,r2根据朗伯辐射体的热传导理论,在假设积分球为朗伯辐射体的情况下,距离内部照明的积分球开口d处的照度Ed( )可以表示为2222Ed( )=!r21/(d+r1+r2)L( )=(7)(7)式的简化形式就是公式(4),在d=70cm,120cm,r1=10.16cm,r2=7 5cm时,使用公式(4)近似代

24、替(7)式的误差分别小于0 023%和G(d,r1,r2)L( ),(4)0 0027%。因此使用此公式引起的误差比起实验设置的重复性等其他误差要小得多。几何因子G(d,r1,r2)其实就相当于在(1)式中平面漫反射板双向反射分布函数的倒数。应该注意的是在确定光谱辐射计+漫反射板系统的照度响应度时,仍然要根据(1)式和(2)式做出照度修正。由于漫反射板和仪器组成了新的系统,其双向反射分布函数的影响就被完全地消除了。3.2 积分球+石英漫透射板定标alo其中L( )为积分球开口处的光谱辐亮度;r1为积分球开口半径;r2为探测器接收面的半径,或者在本文中指一个面积等于光谱辐射计在漫反射板上投影视场

25、面积的圆的半径;d为积分球孔径到漫反射板的距离。利用(4)式可以从积分球在距离d处的辐照度计算出积分球开口处的辐亮度,从而得到光谱辐射)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513影视场较大,定标中就需要对照度进行修正,虽然修正系数可以做到很精确但是也引入了额外的误差。若在靠近仪器的入瞳处放置漫透射板就可以将投影视场面积压缩得很小,这样修正系数的影响就微乎其微了。基于上述考虑,将一块双面磨毛的熔石英薄片放置在光谱辐射计2cm 3cm的入射孔径处用作漫透射板。同时应注意漫透射板只对较小的张角有较好的余弦响应。积分球+石英漫透射板进行仪器辐亮度定标的实验设置见图4。石英

26、卤钨标准灯在50cm,100cm的距离沿法线方向照明石英透射漫反射板(图4(a),以此确定出仪器+石英漫透射板系统的照度响应度。图4(b)的积分球以共轴方式在150cm,180cm,200cm的距离照明仪器+石英漫透射板系统,再根据(4)式计算出积分球开口处的亮度,得到光谱辐射计的辐亮度响应度(图4(c)。为了考察在150cm,180cm,200cm距离处经积分球照射的石英漫透射板是否具有朗伯体的特性,250340nm范围十二个波长三次观测的比值分别为1 439和1 234,标准偏差为0 21%和0 29%。根据(4)式的计算比值为1 440和1 235,比观测值分别增大了0 09%和0 11

27、%。可见在这样的距离处石英漫透射板的余弦响应较好,可看作朗伯辐射体。3.3 使用积分球进行仪器光谱辐亮度定标的不确定度分析使用积分球进行仪器光谱辐亮度定标实际上采用的是比较法,很多参数的不确定度如漫反射板双向反射分布函数测量的不确定度,实验设置中的位置重复性等都由于采用了比较法而消除了。根据(1),(4)式可得图4利用积分球+石英漫透射板进行仪器辐亮度定标(a)石英卤钨标准灯照度定标;(b)积分球照度定标;(c)积分球亮度定标Fig.4Spectralradiancecalibrationofinstrumentusingsphere+quartztransmissiondiffuser(a)

28、FELirradiancecalibration;(b)sphereirradiancecalibration;(c)sphereradiancecalibrationL=RL( )3V( )2+El( )El( )2+22h+r221/22+,(8)22112 r1+2d+r2+r1r1由(8)式可知积分球定标不确定度主要来自如表2所示的几个方面。表2使用积分球进行仪器光谱辐亮度定标的不确定度Table2UncertaintiesofspectralradiancecalibrationutilizingintegratingsphereContributionstotheuncertain

29、tyIrradiancecalibrationuncertaintyofFELlamp(powersupplyunstabilityincluded)Nonlinearityofdetector,swiftofresponsivityandwavelengthdeviationTemporalstabilityofsphereradianceMeasurementuncertaintyofh,d,r1andcalculatinguncertaintyofr2StraylightandscatteredlightErrorfromapplyingWalkertechniqueDifferenti

30、lluminatingwayofFELlampandsphereOveralluncertaintyRelativeuncertainty4%at250nm1.7%0.5%1.2%0.3%0.5%2%5%514中 国 激 光 33卷积分球定标中一个固有的缺点就是信号的动态范围较大,由公式(4)可知当d>170cm时动态范围超过了2个数量级。为了精确定标仪器,需要提高探测器(倍增管)的高压以改善信噪比。经实测高压电源的稳定性为0 02%h-1,倍增管10级倍增,对探测信号的影响为0 2%h。在250340nm所选择的12个波长5次测试高压换档比结果为9 340(平均值),标准偏差为0 18

31、%。高压电源的稳定性、高压换档比的准确性以及探测系统的线性等对读出信号带来的不确定度估计为1%,实验分别进行了照度传递和亮度标定,故式(8)中有3倍的关系。积分球亮度输出应保持相当的稳定性,才不会给辐射标定结果带来影响,经对积分球开口亮度的实际监测发现亮度输出会有轻微的衰减(0 5%1%h-1),将积分球冷却到室温再打开氙灯照明,亮度会恢复到原来的数值。这应该是氙灯系统本身的不稳定性(0 5%h)和由氙灯的强紫外辐射形成的臭氧的吸收所造成的。由于标定过程所耗费的时间较短约30min,故积分球亮度输出的稳定性对定标带来的不确定度约为0 5%。测量h,d的不确定度为2mm,r2的不确定度为3mm,

32、r1是用游标卡尺测量得到的,故不确定度较小,为0 02mm。通过公式(8)后三项的计算可知距离测量不确定度对辐亮度定标带来的不确定度为1 2%。正确地应用Walker技术的前提是积分球为朗-1-1伯辐射体,其开口处的亮度均匀性应在约1%水平。制作良好的积分球在小心操作的情况下通常是满足这一条件的2。如图2(c)和图4(c)所示仪器分别在15cm,30cm的距离观测积分球开口处亮度,在积分球开口处形成的投影视场分别为9 3cm 5 5cm和16 2cm 11 0cm。在这两个位置仪器对250340nm的十二个波长读出值的平均比值为1 0026,标准偏差为0 21%。另外使用近似公式带来的误差如3

33、 1所述最大为0 023%,因此应用Walker的技术产生的误差估计为0 5%。石英卤钨标准灯与积分球照明方式的不同是光谱辐照度传递过程中不确定度的重要原因。这里采用几何因子来校正两种光源的不同照明方式。对于面积较大的30cm 30cm的spectralon漫反射板,这种修正起到了一定作用,但同时要假设石英卤钨标准灯为均匀亮度的点光源。小面积的2cm 3cm石英漫透射板,对积分球的视场角只有6!7!,这种情况下光源的不同照明方式对定标的影响很小。估计对spectralon漫反射板的情况,光源的不同照明方式对最终定标的影响约2%。而对石英漫透射板的情况,光源的不同照明方式的影响为0 5%1%。4

34、 实验结果应用三种方法标定的紫外光谱辐射计的光谱辐亮度响应度数据如表3所示。表3应用三种方法获得的仪器光谱辐亮度响应度数据Table3SpectralradianceresponsivityvalueoftheinstrumentderivedusingthesethreecalibrationmethodsRadianceresponsivityRadianceresponsivityRadianceresponsivityRatioofRatioofderivedfromsphere+derivedfromderivedfromresponsivitiesWavelengthrespons

35、ivitiesquartztransmittancesphere+spectralonspectralonflat(averagevalue/nm(quartz/diffuserdiffuserdiffuserofspherespectralon)/V/#W/(cm2nmsr)/V/#W/(cm2nmsr)/V/#W/(cm2nmsr)/flatdiffuser)25025526026527028029030031032033034019.04819.14318.68318.24417.72816.66815.41214.18511.79010.60314.28912.34818.77718.

36、96018.53418.11317.58716.54815.32914.10211.75010.62214.21512.3201.01441.00971.00811.00721.00801.00731.00541.00591.00340.99821.00521.002218.48918.84418.47818.26217.90416.94215.71114.51012.10910.96414.70612.7281.02291.01101.00710.99540.98620.98030.97830.97470.97200.96790.96910.96914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515从表3可以看出,两种积分球定标方法获得的仪器辐亮度响应度在1%以内是相一致的;在使用同一支石英卤钨标准灯并且照明情况相同的前提下,这两种定标方法的偏差主要是由于在spectralon漫反射板照度传递时省略了修正因子,同时假设石英卤钨标准灯为均匀亮度源造成的,这也是这两种定标方法唯一的不同之