GBT382362019航天光学遥感器实验室辐射定标方法

书书书犐犆犛３３．２００犞８０!#$%&’’()*犌犅／犜３８２３６—２０１９!#$%&’()*+,-./0犚犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱犳狅狉狊狆犪犮犲犫狅狉狀犲狅狆狋犻犮犪犾狉犲犿狅狋犲狊犲狀狊狅狉狊犻狀犾犪犫狅狉犪狋狅狉狔２０１９１０１８12２０２００５０１(3’(+,-./012!’’()*3/045612书书书前　　言　　本标准按照ＧＢ／Ｔ１．１—２００９给出的规则起草。本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ４２５）提出并归口。本标准起草单位：北京空间机电研究所、中国航天标准化研究所。本标准主要起草人：李永强、李云飞、崔程光、王静怡、郭永祥、杨伟涛、吴永亮、晋利兵。Ⅰ犌犅／犜３８２３６—２０１９航天光学遥感器实验室辐射定标方法１　范围本标准规定了工作波段在０．３５μｍ～１４μｍ内的航天光学遥感器实验室辐射定标的定标环境、定标设备和定标方法及不确定度分析。本标准适用于工作波段在０．３５μｍ～１４μｍ内的航天光学遥感器的实验室辐射定标。其他波段航天光学遥感器的实验室辐射定标可参照执行。２　规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ＧＢ／Ｔ３１０２．６　光及有关电磁辐射的量和单位ＧＢ／Ｔ２６１７９　光源的光谱辐射度测量ＧＢ／Ｔ３０１１４．１　空间科学及其应用术语　第１部分：基础通用ＧＢ／Ｔ３４５０９（所有部分）　陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法３　术语和定义ＧＢ／Ｔ３１０２．６、ＧＢ／Ｔ２６１７９、ＧＢ／Ｔ３０１１４．１和ＧＢ／Ｔ３４５０９界定的以及下列术语和定义适用于本文件。３．１光学遥感器　狅狆狋犻犮犪犾狉犲犿狅狋犲狊犲狀狊狅狉用光学方法远距离测量目标反射或辐射的紫外、可见光和红外波段能量，以获取目标特性的遥感器。３．２实验室辐射定标　狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀犻狀犾犪犫狅狉犪狋狅狉狔在实验室条件下，确定遥感器输出信号与入射辐射量之间定量关系，或确定各探测器单元或探测器通道之间的输出响应不一致性的过程。３．３绝对辐射定标　犪犫狊狅犾狌狋犲狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀确定遥感器输出信号与入射辐射量之间定量关系的过程。３．４相对辐射定标　狉犲犾犪狋犻狏犲狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀确定各探测器单元或探测器通道之间的输出响应不一致性的过程。３．５光谱辐亮度　狊狆犲犮狋狉犪犾狉犪犱犻犪狀犮犲辐射源在单位投影面积上、单位立体角内和单位波长间隔内的辐射（通）量。１犌犅／犜３８２３６—２０１９３．６相对光谱响应函数　狉犲犾犪狋犻狏犲狊狆犲犮狋狉犪犾狉犲狊狆狅狀狊犲犳狌狀犮狋犻狅狀遥感器各波长处的光谱响应与光谱响应峰值之比。３．７参考辐射源　狉犲犳犲狉犲狀犮犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀狊狅狌狉犮犲可用于对遥感器定标并进行量值溯源的具有已知光谱辐射特性的辐射源。３．８绝对定标系数　犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狅犳犪犫狊狅犾狌狋犲犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀遥感器的输出信号与入射辐射亮度的比例值。４　定标环境要求实验室环境应满足被测航天光学遥感器及其他参试设备对使用环境的要求。要求如下：ａ）　温度：２０℃±５℃；ｂ）　相对湿度：３５％～６５％；ｃ）　洁净度：满足航天光学遥感器对洁净度的要求；ｄ）　避免环境杂光对定标的影响；ｅ）　振动环境、电磁环境、静电防护和接地措施等符合航天光学遥感器使用要求。５　定标设备要求５．１　通则测试设备应在检定合格或校准的有效期内，测试量值可溯源至国家相关计量基准或传递标准。５．２　参考辐射源参考辐射源要求如下：ａ）　光谱范围应覆盖航天光学遥感器的工作波段；ｂ）　辐亮度调节范围宜覆盖航天光学遥感器的响应动态范围；ｃ）　发光面应充满航天光学遥感器的入瞳；ｄ）　发光面宜充满航天光学遥感器的视场；ｅ）　参考辐射源应为均匀漫射源，发光面辐射亮度的面均匀性和角均匀性一般要求优于９８％；ｆ）　参考辐射源具有辐射监测功能；定标工作时间段内，辐亮度不稳定性应小于１％。　　注１：参考辐射源发光面不能充满航天光学遥感器入瞳时，可使用平行光管作为扩束设备满足充满航天光学遥感器入瞳的定标要求，由参考辐射源加扩束设备组成的系统视为广义上的参考辐射源。　　注２：当参考辐射源不能充满航天光学遥感器视场时，可采用参考辐射源对航天光学遥感器不同视场分别进行辐射定标，实现全视场辐射定标。５．３　光谱辐射计用于对参考辐射源的光谱辐射量进行测量，光谱辐射计要求如下：ａ）　测量光谱范围应覆盖航天光学遥感器的工作波段；ｂ）　对参考辐射源输出辐亮度进行测量时，光谱辐亮度测量误差宜小于５％。２犌犅／犜３８２３６—２０１９５．４　地面检测设备地面检测设备要求如下：ａ）　地面检测台应满足航天光学遥感器专用地面检测设备的技术要求；ｂ）　航天光学遥感器定标数据采集设备应满足航天光学遥感器专用地面检测设备的技术要求。５．５　低温真空容器低温真空容器要求如下：ａ）　低温真空容器内压力应小于１×１０－３Ｐａ；ｂ）　低温真空容器热沉的温度满足航天光学遥感器辐射定标试验温度要求，通常热沉温度应低于１００Ｋ；ｃ）　定标期间，总污染量低于１×１０－６ｇ／ｃｍ２。６　定标方法６．１　波段范围０．３５μ犿～２．５μ犿内的辐射定标６．１．１　定标原理波段范围０．３５μｍ～２．５μｍ内的实验室辐射定标，除对大气吸收敏感的航天光学遥感器实验室辐射定标需在真空环境中进行外，一般在常温常压环境中进行。辐射定标原理如图１所示。图１　波段范围０．３５μ犿～２．５μ犿内的实验室辐射定标原理图采用光谱辐射计测量参考辐射源的光谱辐亮度，使参考辐射源充满航天光学遥感器的入瞳和视场，调整参考辐射源的输出辐亮度，采集航天光学遥感器在参考辐射源各输出辐亮度下的辐射定标数据，确认数据有效后，进行定标数据处理，给出定标结果。绝对辐射定标要求建立航天光学遥感器输出信号与等效辐亮度之间的关系，航天光学遥感器对应谱段的等效辐亮度犔ｅ计算见式（１）。犔ｅ＝∫λｍａｘλｍｉｎ犔λ犚λｄλ∫λｍａｘλｍｉｎ犚λｄλ…………………………（１）　　式中：犔ｅ———航天光学遥感器对应谱段辐亮度级次下的等效辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）；λｍａｘ———航天光学遥感器谱段光谱响应函数的最大波长，单位为微米（μｍ）；λｍｉｎ———航天光学遥感器谱段光谱响应函数的最小波长，单位为微米（μｍ）；犔λ———参考辐射源辐亮度级次下的光谱辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）；３犌犅／犜３８２３６—２０１９犚λ———航天光学遥感器的相对光谱响应函数。６．１．２　定标流程６．１．２．１　定标准备辐射定标准备工作如下：ａ）　完成定标大纲和定标细则编写；ｂ）　使用光谱辐射计测量参考辐射源各输出辐亮度级次的光谱辐亮度；ｃ）　将航天光学遥感器置于参考辐射源前，调整航天光学遥感器与参考辐射源的发光面对准；ｄ）　确认航天光学遥感器消杂光措施、温度控制措施、防静电措施、接地措施等状态符合定标环境要求；ｅ）　连接航天光学遥感器与地面检测设备，并通电检查，确保工作正常。６．１．２．２　定标步骤辐射定标步骤如下：ａ）　开启并稳定参考辐射源，航天光学遥感器加电，根据动态范围要求确定航天光学遥感器的探测器与电路状态，如积分时间、增益等参数，完成定标数据采集状态设置；ｂ）　对航天光学遥感器响应稳定性进行考核，考核时间根据实际需要确定，一般不小于３０ｍｉｎ；ｃ）　进行辐射定标数据采集，并记录参考辐射源的辐射监测值；定标数据重复采集次数一般不小于１００；ｄ）　依据定标细则改变参考辐射源辐射输出，重复ｃ）；ｅ）　采集存储无辐射输入时航天光学遥感器的输出；ｆ）　定标数据采集完成后，确认数据的有效性；ｇ）　开展辐射定标数据处理和分析，编写定标总结报告。６．１．３　数据处理方法６．１．３．１　绝对定标系数根据航天光学遥感器输出信号与入射辐射亮度之间的关系，计算得到绝对定标系数。当航天光学遥感器响应为线性时，可采用两点法或多点最小二乘法进行线性拟合，按照式（２）所示的线性拟合方程解算航天光学遥感器谱段定标系数犃ｂａｎｄ（定标斜率）和犅ｂａｎｄ（定标截距）。犔ｅ＝犃ｂａｎｄ×ＤＮ＋犅ｂａｎｄ…………………………（２）　　式中：犃ｂａｎｄ———定标斜率，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）；ＤＮ———各像元输出信号的平均值；犅ｂａｎｄ———定标截距，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）。６．１．３．２　相对辐射定标相对辐射定标应根据航天光学遥感器的响应特性来确定。在航天光学遥感器线性响应区间内，相对辐射定标计算见式（３）。ＤＮ′犻＝犽犻×ＤＮ犻＋犫犻…………………………（３）　　式中：ＤＮ′犻———第犻个像元相对辐射定标后期望的输出信号值；犽犻———第犻个像元相对辐射定标的斜率值；４犌犅／犜３８２３６—２０１９ＤＮ犻———第犻个像元的实际输出信号值；犫犻———第犻个像元相对辐射定标的偏置校正值。各像元的相对定标系数犽犻可采用两点法或多点最小二乘法进行线性拟合得到。６．１．３．３　响应非线性度一般按照式（４）计算航天光学遥感器的响应非线性度。ＮＬ＝ＤＮａ－ＤＮ０ＤＮｂ－ＤＮ０×犔ｂ犔ａ－１（）×１００％…………………………（４）　　式中：ＮＬ———航天光学遥感器的响应非线性度；ＤＮａ———参考辐射源输出等效辐亮度犔ａ时，各像元输出信号的平均值；ＤＮｂ———参考辐射源输出等效辐亮度犔ｂ时，各像元输出信号的平均值；ＤＮ０———无辐射输入时，各像元输出信号的平均值；犔ｂ———响应非线性度测量选取的两个等效辐亮度中的较大值，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）；犔ａ———响应非线性度测量选取的两个等效辐亮度中的较小值，单位为瓦每平方米球面度微米（Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１）。在采用式（４）计算响应非线性度时，应同时给出相应的辐亮度范围犔ａ和犔ｂ。６．１．３．４　信噪比像元的信噪比一般可采用两种计算方法，第一种计算方法见式（５）。ＳＮＲ犻＝犛犻犖犻…………………………（５）　　式中：ＳＮＲ犻———第犻个像元的信噪比；Ｓ犻———第犻个像元多次采集输出信号的算术平均值；犖犻———第犻个像元多次采集输出信号的均方根值，即均方根噪声值。第二种计算方法见式（６）。ＳＮＲ犻，Ｌ＝２０ｌｇ犛犻犖犻（）…………………………（６）　　式中：ＳＮＲ犻，Ｌ———第犻个像元的信噪比，单位为分贝（ｄＢ）。航天光学遥感器的信噪比取各像元信噪比的算术平均值。６．１．３．５　动态范围通常调整参考辐射源输出辐亮度使航天光学遥感器输出临近饱和，此辐亮度即为航天光学遥感器动态范围的上限值；以航天光学遥感器满足指定信噪比条件时入射辐亮度的最小值作为动态范围的下限值。如果可用线性表征，则为线性动态范围。６．１．３．６　响应稳定性像元的响应稳定性计算见式（７）。ＲＳ犻＝１－ＤＮ犻，ｍａｘ－ＤＮ犻，ｍｉｎＤＮ犻，ｍｅａｎ（）×１００％…………………………（７）５犌犅／犜３８２３６—２０１９　　式中：ＲＳ犻　———稳定性测量周期内第犻个像元的响应稳定性；ＤＮ犻，ｍａｘ———稳定性测量周期内第犻个像元输出信号的最大值；ＤＮ犻，ｍｉｎ———稳定性测量周期内第犻个像元输出信号的最小值；ＤＮ犻，ｍｅａｎ———稳定性测量周期内第犻个像元输出信号的算术平均值。航天光学遥感器的稳定性可采用各像元输出信号算术平均值的稳定性来表征。６．２　波段范围２．５μ犿～１４μ犿内的辐射定标６．２．１　定标原理波段范围２．５μｍ～１４μｍ内的辐射定标一般在低温真空容器中进行，采用黑体作为参考辐射源。根据黑体的温度和发射率，采用普朗克公式计算黑体的光谱辐亮度，按照式（１）计算得到航天光学遥感器的等效辐亮度，建立航天光学遥感器输出信号与等效辐亮度之间的关系，建立航天光学遥感器星上定标装置和参考辐射源之间的转