星上LED定标光源的可行性研究

　　1　引　言

　　空间相机是以数码形式采集和记录图像的,在使用前都会先对其进行辐射输入与数码输出绝对量化关系的标定,确定其响应度、动态范围等。但由于恶劣的空间环境影响,仪器的响应度难免会发生变化,严重的将达到20%的年变化量[1]。所以必须在卫星飞行期间进行星上定标,对仪器的响应度进行绝对校正以及相机像元间的相对校正。近年来,人们已经认识到星上定标对空间遥感仪器的重要性,欧洲MERIS成像光谱仪、印度的远距离探测卫星、我国"资源一号"卫星以及陆地卫星系列4、5和6号都使用了星载灯进行相对内定标[2]。

　　在卫星的整个运行期间,除了要求定标光源的机械稳定性、光学稳定性和电学稳定性外,对其寿命、体积、能耗、灵敏度和辐射强度等都有要求。过去定标所使用的光源为卤素灯(halogenlamps)[3]。卤素灯光谱丰富、色温稳定,而且卤素灯属于热光源,功耗大,大量开合后容易损坏,其发光光谱与大气顶部辐射(TOA)相比,蓝绿光部分辐射明显偏低。相比之下,发光二极管(LightEmitting Diode,LED)则具有更多的优点,其体积更小、发光效率更高、寿命更长(理论寿命为105h),而且LED属于冷光源,功耗极低,大量开合后依然保持稳定,并且发光光谱与TOA光谱相符,十分适合用作星上定标光源。尽管如此,业内对将其用于星上定标的可行性却存在疑虑,所以对LED进行研究是十分有必要的。

　　2　LED的工作稳定性研究

　　2.1　发光强度稳定性

　　根据卫星应用的实际需要,星载灯必须在外太空真空环境下工作3~5a,甚至更长的时间。星上定标灯长期工作状态下发光强度的稳定性是满足星上辐射定标要求的基本前提。面对如此苛刻的要求,LED的长寿命,高稳定输出等优点就突显出来了。LED的理论寿命为105h,大大优于传统光源,满足长时间空间工作的要求。为进一步获得LED长时间工作后的发光强度衰减情况,对LED进行了稳定性测试试验。测试结果发现,初期LED的发光强度变化呈剧烈的上升趋势,上升持续时间大概为250 h,之后变化趋于平稳。F.Manyakhin等利用电流加速寿命试验分析了GaN基LED,观察到了同样的现象,并对其老化机理进行了分析[4]。

　　表1列出了试验中LED的相对发光强度归一化后的变化情况。

　　由试验数据可以看出,试验前期的变化十分明显,其变化总量接近3%。如果在这段时间内使用LED作为定标光源,必然会引入不必要的误差。因此,对LED进行预老化,使其进入相对稳定的工作状态后再使用是十分有必要。从表1可以看出,经过老化后的LED相对发光强度变化不大,1 200 h以后衰减约为1.2%。根据定标灯的实际使用情况,使用1 200 h后衰减<1.5%。印度遥感卫星IRS-P3上的MOS-A要求其定标灯发光强度的变化量是<1.5%[5],证明实验所用的LED的稳定性是满足星上定标的使用要求的。通过充分的实验,掌握LED的长时间工作的衰减情况后[6],可以利用微调LED工作电流的方法对LED长时间工作所出现的衰减进行修正,从而保证定标的精度。