發(fā)布時間：2020-04-21 04:59

【摘要】：紅外遙感的發(fā)展方向是高光譜分辨和高定量化。特別是,在氣候變化觀測和數(shù)值天氣預報等領域對紅外遙感數(shù)據(jù)的定量化水平要求越來越高。比如,氣候變化監(jiān)測要求來自紅外遙感載荷的測量數(shù)據(jù)滿足不確定度水平優(yōu)于0.1 K和10年間的穩(wěn)定性優(yōu)于0.04 K。如此高的定量化水平對紅外遙感載荷的研制提出了前所未有的重大挑戰(zhàn),要實現(xiàn)此目標不僅需要穩(wěn)定的紅外探測儀器,還需要高精度的在軌輻射定標黑體源。同時如此高的長期穩(wěn)定性指標還要求紅外遙感儀器在軌運行期間能夠始終保證其量值的有效性。基于上述重大應用需求,設計和研制了空間基準黑體輻射源。使其達到溫度穩(wěn)定度優(yōu)于0.01 K,不確定度優(yōu)于0.15 K的技術指標。設計了微型相變固定點裝置安裝在黑體腔上,利用國際溫標定義的溫度基準點-相變固定點在黑體腔上獲得相變坪臺實現(xiàn)對黑體上的溫度計進行在軌的校準,從而將黑體溫度溯源到國際溫標。微型鎵相變固定點長達3年的穩(wěn)定性實驗結果優(yōu)于3 mK,微型水,鎵,鎵-銦,鎵-錫,鎵-鋅,水楊酸苯酯和丁二腈等7種固定點的不確定度優(yōu)于10 mK(k=2)。在空間黑體輻射源的核心指標發(fā)射率的測量方面提出了基于控制環(huán)境輻射的在軌發(fā)射率測量方法和基于黑體腔法向-半球反射特性的在軌發(fā)射率測量方法,兩種方法相互驗證用于在軌測量黑體腔的發(fā)射率。通過以上技術方案和實驗驗證,實現(xiàn)了空間基準黑體輻射源溫度和發(fā)射率兩個關鍵參數(shù)的在軌校準和測量。基于受控背景輻射的在軌發(fā)射率測量方法在黑體前部設置高發(fā)射率的熱輻射環(huán),實現(xiàn)照射到黑體的背景輻射大部分來自熱輻射環(huán)的輻射。通過改變熱輻射環(huán)的溫度控制照射到黑體的背景輻射,利用測量黑體腔反射的背景輻射的變化量計算黑體腔的反射率從而獲得黑體腔的發(fā)射率。利用該方法測量了Pyromark,811-21,JSC-3和碳納米陣列四種高發(fā)射率涂層的發(fā)射率,其結果分別為0.901,0.964,0.979和0.997。通過掃描電鏡獲得了涂層的表面微結構,并進一步分析了涂層表面微結構的差異對其發(fā)射率的影響,即涂層表面結構復雜蓬松多孔其發(fā)射率更高。利用該裝置分別測量了空間基準黑體輻射源的8μm~14μm譜段發(fā)射率和光譜發(fā)射率,其在相同光譜下的結果一致性優(yōu)于0.06%。系統(tǒng)的評價了該方法的不確定度貢獻,該方法的測量標準不確定度為0.145%。提出了基于黑體法向-半球反射特性的發(fā)射率測量方法。該方法充分考慮空間黑體輻射源工作環(huán)境,利用量子級聯(lián)激光器作為光源沿法向照射黑體腔。通過測量黑體腔法向反射的激光功率以及黑體腔法向-半球反射特性推算黑體腔半球方向反射的激光功率,再通過黑體腔半球方向反射的激光功率與激光出射功率的比值計算得到黑體腔的發(fā)射率。該方法測量的黑體發(fā)射率結果與基于受控背景輻射的發(fā)射率測量方法等在相同光譜下的結果差異小于0.06%。系統(tǒng)的評價了該方法的不確定度貢獻,該方法標準不確定度為0.19%。通過研究空間基準黑體輻射源實驗室量值比對方法驗證了空間基準黑體輻射源的輻射量值的精度。以真空低背景紅外高光譜亮溫計量標準裝置為基礎提出了實驗室量值溯源和比對方法,通過傅里葉光譜儀將高精度的實驗室標準黑體的光譜輻射量值與相同溫度下空間基準黑體輻射源的光譜輻射量值進行比對。真空低背景紅外高光譜亮溫計量標準裝置的不確定度為0.036 K@190 K(10μm),0.026 K@300 K(10μm),0.030 K@400 K(10μm)。在273 K~313 K溫度范圍內(nèi)對空間基準黑體輻射源的實驗驗證了其輻射量值有效性。在每個測試溫度點下800 cm~(-1)~1400 cm~(-1)光譜范圍內(nèi)大部分波數(shù)下理論計算值與實際測量結果差異小于10 mK�？臻g基準黑體輻射源的性能測試結果表明黑體源的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10 mK,在不同溫度下黑體腔底部的溫度均勻性優(yōu)于10 mK,其軸向溫度均勻性優(yōu)于38 mK�？臻g基準黑體輻射源的不確定度優(yōu)于50 mK。通過對黑體的溫度和發(fā)射率兩個關鍵參數(shù)在軌校準和測量技術和方法的研究,保證了空間黑體輻射源在軌運行期間量值的準確性和有效性。通過基于受控背景輻射的發(fā)射率測量方法和基于黑體法向-半球反射特性的黑體發(fā)射率測量方法研究為黑體輻射源發(fā)射率的在軌測量和驗證奠定了堅實的基礎。通過高精度黑體實驗室量值溯源和量值比對方法的研究對空間基準黑體輻射源的量值有效性進行了驗證。通過對空間基準黑體輻射源設計和在軌發(fā)射率測量方法的研究對提高紅外遙感載荷的定量化水平具有重要意義。
【圖文】：

圖 1.1 大氣層頂部在全球范圍一年內(nèi)的亮度信號變化Figure 1.1 The dynamic range of infrared radiance across the thermal infrared圖 1.2 2005 年到 2015 年地球紅外輻射信號變化Figure 1.2 Infrared radiance spectra differences over multiple decades

2圖 1.2 2005 年到 2015 年地球紅外輻射信號變化Figure 1.2 Infrared radiance spectra differences over multiple decades同時，通常氣候變化的測量周期都在數(shù)十年到一百年。氣候變化的反演模型都建立在數(shù)十年觀測數(shù)據(jù)的基礎上。而單顆衛(wèi)星的在軌工作壽命一般只有 5-10年時間，也就是說要開展氣候變化觀測就需要不同時間段的多個批次的衛(wèi)星能夠接續(xù)工作。而且要建立全球氣候變化觀測網(wǎng)需要同一時間在網(wǎng)運行多顆衛(wèi)星，，這些衛(wèi)星可能來自不同國家和地區(qū)或者同一國家不同的研究機構。所以要從太空開展氣候變化觀測就要求不同批次不同在軌工作時間以及來自不同組織的對地觀測衛(wèi)星能夠實現(xiàn)量值一致性[10,11]。隨著數(shù)值天氣預報模式的不斷完善，在大氣校正模型中對地球大氣系統(tǒng)的初值和邊值的種類、精度和時空分辨率等提出了更高的要求。紅外遙感載荷為大
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP722.5;P407

【參考文獻】

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本文編號：2635392