凝视型地球辐射探测仪的辐射标定技术研究

引言

地球辐射收支的探测是空间遥感探测的有机组成部分,在国际上相关的研究已经开展了很多年[1~4],其中文献[1]、[2]和[4]分别介绍了美国从1975年雨云卫星开始的ERB、1992年的ERBE仪器和目前应用的CERES的使用情况,文献[3]介绍了欧洲新一代地球同步轨道气象卫星MSG上使用的GERB的研究和使用情况.地球辐射探测仪是装载于我国新一代极轨气象卫星上的辐射收支测量仪器,包含了凝视型地球辐射探测仪和扫描型地球辐射探测仪.

凝视型地球辐射探测仪设有短波探测和全波探测两个通道,短波通道的光谱范围为0. 2~4. 3μm,用于测量地气系统对太阳入射辐射能量的反射情况,全波通道的光谱范围为0. 2~50μm,用于测量地气系统对外辐射的总量,全波通道和短波通道测量值之差反映了地气系统的净长波出射辐射.出于仪器的定量化应用需求,全波通道的定标精度需达到0. 8%,短波通道的定标精度需达到1%,本文对凝视型地球辐射探测仪的辐射标定办法进行了探讨,提出了使用全波通道传递黑体辐射基准至积分球的办法,探讨了这种标定方法在使用中碰到的问题和解决的方法.通过这些方法的应用为凝视型地球辐射探测仪提供了辐射标定途径.

1　凝视型地球辐射探测仪的工作模型

凝视型地球辐射探测仪采用电替代辐射加热腔体探测器接收地面目标的辐射信息,腔体探测器结构为双腔热阻方式.在轨对地凝视工作时,腔体的电加热功率Pe补偿地气系统的目标入射辐射加热功率PR,由此可以建立腔体探测器工作时的工作模型如下:

式中,KC表示腔体探测器与热沉之间的热导的大小,ΔTC表示主辅腔之间的温度偏差,CC表示腔体的热容大小,TC为腔体的温度,∑Pr是腔体探测器与外部的辐射交换部分能量,∑KiΔTi求和项表示引线传导能量.

地气系统目标辐射加热功率PR为:

式中,N(λ,T)是地气系统目标的辐亮度,它与光谱和温度相关,αC(λ)为腔体探测器的光谱吸收率,f(σ)是腔体探测器微小面元和光阑开口间相对位置的函数,A为探测器面积,dσ为探测器表面微小面元的积分因子.

2　凝视型地球辐射探测仪标定方法

空间遥感仪器的定标方法通常包括地面定标、在轨定标和交叉定标等[5~7],在地面定标中凝视型地球辐射探测仪全波通道采用黑体辐射源标定,黑体光谱辐射出射度由Planck公式给出,根据式(2),全波通道面对黑体接受的辐射功率为:

其中,n为标定时的采样点个数,AWC和BWC是通过黑体标定确定参数,KFOV为光阑温度影响因子,TFOV为光阑的瞬时温度,TFOVref为光阑的基准温度.短波探测通道定标中将积分球和仪器一起置于真空环境中,积分球辐亮度对波长的不确定度在2.0% ~2.6%之间,不能直接标定短波探测通道,由于全短波探测通道结构设计一致,因此在仪器定标中采用凝视型地球辐射探测仪全波通道传递黑体辐射标准至积分球,然后再用积分球标定仪器的短波通道.在积分球与仪器间设置滤光片,滤光片吸收处于仪器短波通道光谱透过区域中平顶部分外的光谱辐射能量,在此光谱范围内仪器的光谱吸收率的变化小于±0. 3%,对定标精度不产生影响.积分球系统的辐亮度NIS可以分为短波部分和长波部分: