星载太阳紫外光谱监视器辐射定标的研究
【摘要】：
随着我国遥感事业的不断发展，越来越多的光谱仪和成像光谱仪被送入太空，广泛地应用于军事、民用以及科学研究领域，具有重要意义。在自然界中有许多现象都反映在紫外-真空紫外波段，如太阳的紫外光谱反映着太阳的物理构成及其变化规律，地球的大气气辉和极光等也是太阳辐射和地球大气相互作用的表现，宇宙中的许多恒星，其温度都很高，辐射峰值多在紫外-真空紫外谱区。因此，紫外-真空紫外波段的空间遥感探测对认识太阳和地球大气以及宇宙空间具有重要的应用价值。本论文第一章介绍了国外太阳和地球大气的紫外遥感现状以及国内紫外遥感的发展。我国紫外光谱遥感仪器研制经历了从地面样机到气球搭载，再到星载的过程，已研制成星载太阳紫外光谱监视器，并成功地搭载神州三号飞船进行了飞行试验。本论文第二章简要讨论了太阳紫外光谱监视器的结构、性能、主要技术指标、工作方式及在轨工作状态。通过太阳紫外光谱在大气中的传输及后向散射的计算，对太阳紫外光谱及太阳后向散射紫外光谱的变化范围有了了解。通过进一步光谱辐射在仪器中的传输的计算，估算仪器的输出信号电流，从而对整个测量过程进行了描述和估算。星载太阳紫外光谱监视器没有内定标系统，需要在发射前进行地面辐射定标，标准光源和漫反射板是定标装置中重要的组成部件，本论文第三章介绍了紫外-真空紫外辐射标准，壁稳氩弧及同步辐射辐射标准。给出了作为传递标准光源的氘灯的光谱分布及影响精度的因素。研究了漫反射板的制作及其性能，引入了描述材料漫反射的物理量和理想漫反射板-朗伯表面，然后从朗伯特性出发，研究了自制的硫酸钡漫反射板的定向-半球反射率和双向反射分布函数，给出了它与朗伯漫反射板的比较结果。铝漫反射板作为一个漫反射光学元件安装在太阳紫外光谱监视器的入射狭缝前，太阳紫外光谱监视器在轨测量时，太阳辐射入射到铝漫反射板后进入入射狭缝，光谱辐照度的角度是变化的，本章测量了铝漫反射的相对双向反射分布函数，研究了镀膜(Al+MgF_2)前后光谱反射率的变化，漫反射的光谱特性及漫反射板表面粗糙度对相对双向反射分布函数的影响，使得测量数据反演成为可能。第四章在对标准光源和漫反射板的研究基础上，建立了定标装置，对太阳紫外光谱监视器进行了地面辐射定标。地面辐射定标分为光谱辐照度定标和光谱辐亮度定标。光谱辐照度定标中选用了卤钨灯作为250nm～400nm标准光源，氘灯作为200nm～300nm的传递光源。采用漫反射板方法标定了太阳紫外光谱监视器的光谱辐亮度。通过积分的方法分析了光谱辐亮度标定装置中标准灯、朗伯漫反射板以及光谱仪的入射狭缝等对定标结果的影响，得出了最佳标定条件。实验中采用微积分方法解决了点光源照明漫反射板的光谱辐照度不均匀的问题，
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文
获得了较精确的光谱辐亮度响应度。根据太阳紫外光谱监视器的地面标定结果，对从神
舟三号上下载的测量数据进行处理获得了地外太阳紫外光谱辐照度和地球大气后向散
射光谱辐亮度，与国际上的测量结果对比相对误差在10%以内。
第五章对空间成像光谱技术进行了初步研究。在成像光谱技术发展过程中，阿达
码变换成像光谱技术是一种调制成像的光谱技术，它采用单个分立的探测器通过编码和
解码，可以对被测物体成光谱图像。介绍了阿达码变换成像光谱仪的结构和工作原理。
阿达码变换成像光谱仪的关键元件是编码模板，给出了应用计算机技术、光刻技术等先
进技术制作编码模板的方法，并应用该方法制作了31 x33码元二维移动方式下的空间
编码模板，31 x33码元一维移动方式下的空间编码模板，以及63码元的光谱编码模板
等。模拟分析了编码模板的误差对光谱图像及像元光谱的影响，发现若码元有5%的误
差，则点单色图像的测量结果就会产生50%左右的误差。最后讨论了阿达码变换成像光
谱仪的应用局限性，其成像时间长;像元大小受编码模板的码元限制，空间分辨率不高。
论文第六章总结了本论文的所做工作，并提出了有待进一步研究的问题。为以后
的紫外一真空紫外光谱技术的研究提出了参考意见。
【关键词】：太阳紫外光谱监视器 紫外-真空紫外 漫反射板 光谱辐照度 光谱辐亮度 辐射定标 成像光谱技术 阿达码变换 编码模板 光谱辐射传输 【学位授予单位】：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：V443
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2004.044298
【目录】：
- 摘要3-5
- ABSTRACT5-7
- 目录7-9
- 图表索引9-12
- 第一章 引言12-29
- 1.1 国外太阳／大气紫外光谱的研究12-23
- 1.1.1 太阳紫外光谱的观测12-20
- 1.1.2 地球大气紫外光谱的探测20-23
- 1.2 我国太阳紫外光谱观测的发展23-27
- 1.2.1 地面观测23-25
- 1.2.2 气球探测25-26
- 1.2.3 星载太阳紫外光谱监视器的研制26-27
- 1.3 本论文的主要研究内容27-29
- 第二章 太阳紫外光谱监视器及辐射能量的传输29-45
- 2.1 太阳紫外光谱监视器及其在轨工作状态29-35
- 2.1.1 太阳紫外光谱监视器29-35
- 2.1.2 仪器的工作原理35
- 2.2 太阳紫外光谱监视器光谱辐射传输特性35-44
- 2.2.1 光谱辐照度测量模式36-41
- 2.2.2 光谱辐亮度测量模式41-43
- 2.2.3 探测器的信噪比43-44
- 2.3 本章小结44-45
- 第三章 紫外-真空紫外辐射标准和漫反射板的研究45-65
- 3.1 紫外-真空紫外光谱辐射标准45-49
- 3.2 漫反射板的研究49-63
- 3.2.1 漫反射特性的描述50-52
- 3.2.2 硫酸钡漫反射板的朗伯特性研究52-56
- 3.2.3 铝漫反射板的漫反射特性研究56-63
- 3.3 本章小结63-65
- 第四章 星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标和飞行试验数据处理65-91
- 4.1 太阳紫外光谱监视器的辐射定标65-84
- 4.1.1 光谱辐照度的定标65-71
- 4.1.2 光谱辐亮度定标的分析和计算71-81
- 4.1.3 光谱辐亮度的定标81-84
- 4.2 飞行试验数据处理84-89
- 4.2.1 仪器不同增益条件下的响应度变换和入射俯仰角的计算84-86
- 4.2.2 太阳紫外光谱辐照度的计算86-88
- 4.2.3 太阳后向散射紫外光谱辐亮度的计算88-89
- 4.3 本章小结89-91
- 第五章 紫外-真空紫外成像光谱仪的初步研究91-105
- 5.1 成像光谱技术的形成91
- 5.2 阿达玛变换成像光谱仪91-104
- 5.2.1 仪器结构及工作原理91-94
- 5.2.2 编码模板的设计与制作94-98
- 5.2.3 编码模板的误差对光谱图像的影响98-102
- 5.2.4 阿达玛变换成像光谱仪的应用局限性102-104
- 5.3 本章小结104-105
- 第六章 总结与展望105-107
- 参考文献107-113
- 作者简历113-114
- 攻读博士学位期间作者发表的文章114-115
- 致谢115
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