用于光譜基準定標傳遞技術的傳遞輻射計研究綜述

趙維寧，方 偉，姜 明，駱 楊，王玉鵬*

1.中國科學院大學，北京 100049 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033

用于光譜基準定標傳遞技術的傳遞輻射計研究綜述

趙維寧1, 2，方 偉2，姜 明2，駱 楊2，王玉鵬2*

1.中國科學院大學，北京 100049 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033

傳遞輻射計是實現衛星遙感儀器在軌光譜輻射定標傳遞的核心設備，也是地面實驗室高精度光譜定標系統的關鍵。介紹了不同機構研制的覆蓋350～700, 700～2 500 nm譜段的多個傳遞輻射計的結構組成、工作原理及輻射定標基準傳遞方式，及其異同點的比對，再通過它們在不同譜段的定標過程中所應用的關鍵技術的分析，說明每種技術的優缺點和所能達到的精度，及其應用條件。文中通過對國際上標準計量機構采用的光譜輻亮度基準定標傳遞過程的介紹，突出了傳遞輻射計系統的重要作用，再結合其對光譜儀等遙感器定標光源的定標監測應用，說明了傳遞輻射計在航天輻射定標領域的不可或缺性。最后，通過國內設計的新型傳遞輻射計的介紹，對傳遞輻射計未來研究的發展方向和關鍵問題進行了展望，并對傳遞輻射計搭配低溫輻射計組成的未來實現可溯源國際單位制在軌基準定標傳遞系統所存在的研究難點予以預測分析。

傳遞輻射計；光譜輻射基準傳遞鏈；光源定標監測；可溯源SI在軌定標

引 言

對于衛星遙感器而言，光學方面的輻射定標是重要環節，輻射定標的精度直接決定了遙感器獲得數據的使用價值。各國的宇航部門對所有研制應用的遙感器的定標工作都非常重視，美國NASA對SeaWiFS和MODIS等項目的儀器載荷要求獲得15年的良好定標數據[1]，而中國風云系列氣象衛星的輻射定標要求是至少穩定監測8年。嚴格的定標要求使得探測器-對-探測器的定標方式得到關注，其中可見到短波紅外波段(350～2 500 nm)的光譜定標應用廣泛，涉及用積分球和鹵鎢燈做發射前定標；用積分球、鹵鎢燈和太陽能漫反射板做在軌定標；通過地面或飛行器測量數據的飛行替代定標[1]。在這些應用中，傳遞輻射計在多個方面起到了重要作用。

傳遞輻射計的概念由NASA在SeaWiFS(the Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)項目中提出，它可以用來檢查衛星遙感器發射前定標用的積分球及其再定標[2]，SeaWiFS傳遞輻射計(SXR)的研發目的是實現SeaWiFS項目的循環定標。SXR的成功研制，使得在其他地球觀測系統(EOS)設備中陸續啟用了以此為參考原型的傳遞輻射計來進行相關的光譜輻射定標應用。傳遞輻射計應用于遙感器校準領域時，有著多方面的優勢：它可以提供獨立的發射前定標源，也可以對實驗室光源性能進行隨時監測以得到置信度高的定標結果，并用來對光源自身進行光譜輻照度和輻亮度的絕對定標；由于傳遞輻射計所具備的便攜性還可以允許其在各種遙感器和輻射計之間進行交叉定標，交叉定標有助于從發射前測試中確定遙感器的地面和在軌定標補償，傳遞輻射計可持續10年交叉定標多個遙感器。此外，傳遞輻射計可以確定衛星下傳數據的輻射量尺度，減少甚至消除定標誤差。

通過介紹不同機構開發研制的覆蓋可見及短波紅外譜段的多個傳遞輻射計的結構組成、工作原理、儀器定標及定標傳遞和不確定度水平等方面的相關技術，對它們各自功能特性的異同點進行對比說明，并展望了未來傳遞輻射計的設計及應用發展方向。最后結合當前國際上對在軌輻射定標的高精度需求，配合可溯源國際基本單位制(SI)在軌基準源的研制及溯源傳遞鏈搭建的熱點問題，提出傳遞輻射計應用于在軌絕對定標的前景趨勢和需要重點研究的難點問題。

1 應用于NASA的EOS項目的傳遞輻射計

1.1 EOS項目使用的傳遞輻射計

美國NASA的EOS項目于1991年開始實施，意在通過不同系統平臺的衛星載荷實現對地球表面、大氣、環境和資源等領域進行詳細深入的系統化科學探測，加深人們對所生存的地球及其周遭變化的理解認知。目前NASA已成功發射了種類眾多的相關衛星儀器，它們都需要進行完善的發射前和在軌定標監測，美國國家標準技術研究所(NIST)受NASA委托，根據每個項目各自的特殊需求設計了多個原理類似但功能細節不盡相同的傳遞輻射計，包括為SeaWiFS系列衛星循環定標而研制的SXR、為SIMBIOS項目制造的SXRII，為MODIS，ASTER和MISR等成像光譜儀可見波段光譜定標設計的VXR以及為Landsat ETM+儀器各譜段對應開發的LXR等[3-4]。這些傳遞輻射計都采用通道式濾光片配合光電探測器的測量原理，覆蓋400～900 nm譜段范圍，它們自身的光譜輻射定標也利用NIST的相關基準及定標傳遞系統完成。上述各傳遞輻射計大多以SXR為原型設計，下文以SXR為例對其測量原理、結構設計以及性能表現的定標方法進行概述。

1.2 SXR測量原理及結構設計

SXR是多通道成像輻射計，用來校驗和測量比對SeaWiFS中的多個標定源所產生的可見和近紅外范圍內的六個離散波段的光譜輻亮度[5]。同時，SXR也用來將NIST的光譜輻亮度標準傳遞到這些標定源上。SXR的六個獨立光路采用獨特的光學設計，利用干涉濾光片進行光譜篩選，具有穩定可便攜的特點，覆蓋412～775 nm光譜范圍，光輻射來自積分球和被照亮的漫反射板，依據測量方程將直流電壓與光源的光譜輻亮度相關聯。該設計使SXR多通道公用一個光源，測量觀測光源的同一區域，每個通道可以對SXR視場范圍內對應該通道的唯一立體角的光線進行采樣，從而利于對空間均勻的朗伯光源進行測量，實現所有通道同時采樣，但會導致各通道的光通量有所減少，SXR的結構設計如圖1所示。

圖1 SXR剖視圖

1: 三腳架安裝點；2: 焦距物鏡；3: 精密視場孔徑光闌；4: 楔形折疊鏡；5: 干涉濾光片和探測器；6: 準直調整目鏡；7: 轉像透鏡組；8: 電路板

Fig.1 Cut away schematic of the SXR

1: Mounting point for the tripod; 2: Focal length objective lens; 3: Precision field stop aperture; 4: Wedge-shaped fold mirrors; 5: Interference filter and detector; 6: Alignment eyepiece; 7: Alig nment relay lens; 8: Circuit boards

1.3 SXR定標方法介紹

SXR可以用來對積分球光源做輻亮度定標，使用前，需要對其自身性能進行一系列的標定測試。NIST采用兩種不同的方法對SXR進行定標，一種使用典型白熾燈照明積分球，一種使用激光照明積分球。白熾燈照明積分球光源的光譜輻亮度定標在NIST的FASCAL上完成[6]，該設備可溯源至金點黑體的可變溫黑體基準。NIST利用(spectral comparator facility, SCF)對SXR的相對光譜響應進行測量[7]，利用定標過的積分球光源對SXR的絕對光譜輻射亮度響應靈敏度進行標定，最終由定標測量方程得到總響應函數，此方法得出的SXR測量定標不確定度在0.5%左右。激光照明積分球光源可以覆蓋0.2～20 μm的光譜范圍，這種光源被應用在NIST的(the spectral irradiance and radiance response calibrations with a uniform source, SIRCUS)設備上[8]。一系列激光被導入積分球，用作均勻單色的朗伯光源來對輻照度和輻亮度響應定標。SIRCUS裝置的定標方法是基于探測器的直接替代法，其精度可溯源至NIST的HACR基準，由此獲得的最終標準不確定度是0.25%。影響SXR定標測量不確定度的因素主要包括，各部分測量精度對整體的亮度響應度的貢獻，以及測量的重復性、再現性和熱效應及任何探測器的老化引起的額外不確定度。

2 短波紅外SWIR傳遞輻射計

2.1 亞利桑那大學RSG開發的傳遞輻射計

美國亞利桑那大學(UA)光學科學中心遙感組(RSG)是美國權威的定標機構之一，參與了NASA多個航天項目的輻射定標工作。RSG一直致力于高精度實驗室定標的工作，可重復使用的高精度傳遞輻射計作為定標的重要部分被開發，RSG主要利用VNIR和SWIR輻射計對實驗室光源進行性能監測，同時對光源進行光譜輻照度和輻亮度的絕對定標，并利用插值算法將多光譜測量轉變為超光譜水平光源定標[9]。RSG從1990年至今共開發設計了兩代傳遞輻射計，第一代包括VNIR和SWIR兩臺傳遞輻射計，其中VNIR覆蓋400～1 050 nm譜段，利用Si陷阱探測器，注重熱穩定性控制、低噪聲電子信號采集和高精度光機系統設計；而SWIR覆蓋700～2 500 nm譜段，采用InSb探測器，利用液氮杜瓦制冷技術配合低溫濾光片和斬光器的設計來獲得近紅外譜段輻射量的高精度測量。第二代傳遞輻射計是在第一代的基礎上，配合電子學、光學和機械設備最新的發展，在多方面進行了技術升級，使其具備了更強的自動化操控運行能力、更好的便攜性以及更合理的光譜通道選擇和更精確的超光譜輻射定標轉換插值算法，迎合了客戶更高的需求。

VNIR和SWIR傳遞輻射計之間許多相同的特性都被作為傳遞輻射計的設計標準，包括無動力FOV設計、光譜選擇的窄帶濾光片轉輪設計、多數敏感組分的熱控制和探測器信號放大電路設計等。VNIR傳遞輻射計在整體設計上與SXR類似，二代升級集中在各部件產品的直接換新上。而SWIR輻射計的升級過程中卻需要采用較多的技術革新[10-11]，下文對SWIR輻射計的測量原理、結構設計、性能表現及定標方法做概括介紹。

2.2 SWIR傳遞輻射計結構功能及定標方法

SWIR輻射計的整體設計如圖2所示，定標測量時，光線從左側入射，穿過前級孔徑盤的孔徑傳播到斬波器系統，斬波器可以將入射光接收頻率調制到一個常數，之后入射光經過濾光片轉輪的9個可調帶通濾光片之一，進入由液氮制冷的杜瓦瓶并照射在InSb探測器上[1]，最終輸出信號由CMOS放大器及數字鎖相放大器(LIA)配合斬光器的參考頻率，對所需電信號進行過濾、放大及編碼。由于定標波段的不同，SWIR傳遞輻射計與可見近紅外波段傳遞輻射計(如SXR和VNIR)的設計差別主要體現在：為低溫條件設計的三組濾波器和特殊為濾除背景信號而設計的斬光器。其中三組濾波器是指杜瓦窗口、低溫濾波器和帶通濾波器。杜瓦窗口利用增透膜對波長700～2 500 nm波段進行選擇，低溫濾波器主要通過5片濾波板光闌的設計減少雜散光、背景熱輻射和系統的水汽，帶通濾波器由于光譜帶寬很窄所以主要用來決定光譜響應度。

圖2 SWIR傳遞輻射計結構組成示意圖

在第二代SWIR傳遞輻射計的升級設計中，最核心的改變是利用封裝好的TE制冷的InGaAs探測器單元替換了整套杜瓦液氮制冷InSb探測器系統，提升了儀器的便攜性及自動化操作程度。但是由于采用上述方案，導致了儀器整體的制冷能力大幅下降，制冷溫度由77 K上升至258 K，并且只能對探測器制冷而不能對光闌和窗口等背景熱源制冷，所以信噪比下降嚴重，因此加入了聚光拋物面鏡來加強濾光片輸出在InGaAs探測器上的光功率，增強了測量信噪比。第二代輻射計基于對超光譜曲線重構的優化算法模型，選擇了10～12個濾光片波段，利用遺傳算法對1 nm分辨率超光譜曲線進行插值計算，得到了重構誤差0.22%～0.43%的擬合曲線[12]。不過若不考慮便攜性和自動化操控，第一代輻射計由于所用制冷系統的優勢，擁有更好的測量定標精度。

SWIR傳遞輻射計采用光譜輻亮度的定標方法，利用實驗室光譜標準石英鹵素燈，將輻射計放置在側向輻照系統中，用壓緊的Spectralon漫反射板作為定標反射基準，利用1 000 W基準輻射燈測定所有光譜范圍內的漫反射板的雙向反射系數，最終使反射光以45°角入射輻射計進行輻亮度定標。該輻射計定標基準傳遞過程中，不確定度來源主要包括輻射光源的定標、雙向反射率的測量、傳遞輻射計濾波器精度、光源輻照度從定標源傳遞到探測器的整體不確定性等，最終整體全譜段的定標不確定度均低于3.9%。

3 傳遞輻射計在遙感器光譜輻射定標中的應用

3.1 德國PTB定標傳遞鏈中傳遞輻射計作用

德國PTB作為世界最好的定標機構之一，具備完整的高精度可溯源SI基準的絕對輻射定標的傳遞鏈系統。PTB發展了基于光譜輻亮度、輻射強度和輻照度的空間儀器可溯源定標的專用設備和方法，包括SPICE，SRCF和RBCF三個大型精密的覆蓋0.2～45 μm光譜段的定標平臺[13]，在相關定標溯源傳遞過程中，傳遞輻射計都起到了對輻射光源的定標監測以及不同標準之間的傳遞作用，以基于光譜輻照度的溯源SI的定標傳遞為例，整體傳遞鏈如圖3所示。

圖3 PTB基于光譜輻照度定標傳遞鏈

基于光譜輻照度的絕對定標溯源到PTB的黑體輻射計初級基準，而黑體輻射計的溫度是通過濾光片傳遞輻射計系統測量可溯源至PTB的低溫輻射計基準。黑體輻射計配合基于雙級聯單色儀的分光傳遞輻射計系統對二級標準燈進行定標，二級標準燈被PTB用來定標用戶的標準燈，用戶使用這些被定標的標準燈作傳遞標準來定標自己的工作標準燈，最后這些工作標準燈被用來定標用戶自己的分光輻射計或輻射光源。該傳遞過程所構建的復雜傳遞鏈使得工作標準燈的定標能夠達到高要求的低傳遞不確定度水平，并具備必需的穩定性和可重復性。上述PTB利用黑體輻射計所完成的輻照度定標傳遞被公認為具有世界最低的拓展測量不確定度(在寬光譜范圍內遠低于1%)，甚至可以直接利用黑體輻射計和低溫輻射計對用戶的工作標準和輻射分光設備進行定標，這種做法在耗費更多精力和金錢的同時也帶來了縮短定標傳遞鏈的益處，可以降低傳遞過程引入的不確定度，提高最終測量精度[14]。

3.2 應用于RASAT定標設備的傳遞輻射計

用于航天項目遙感器載荷定標的光源都是要先經過諸如SRCF和RBCF這樣的大型精密平臺設備的嚴格定標后，才可以使用。但是，每個光源都有其使用穩定性，對它們在長時間使用過程中的性能監測就需要利用精確的傳遞輻射計系統。德國宇航中心DLR為了給類似APEX和ARES這樣的空基超光譜成像光譜儀進行定標[15-16]，建立了最新的光學實驗室作為遙感器輻射定標基地CHB使用[17]。CHB為了對遙感器的輻射學特性、光譜特性和幾何特性進行優化，開發了RASTA系統設備作為最新的輻亮度參考標準，并且委托PTB為它設計了專用的可溯源SI的定標技術[18]，以此提供了多次定標和高精度的監測特性，使其可以用作輻射光源和遙感器定標的可靠標準。CHB的光譜輻亮度絕對定標可溯源至被PTB良好標定的覆蓋350～2 500 nm譜段范圍的積分球光源和配合標準漫反射板使用的二級標準燈，為了滿足大量遙感器定標工作的高精度需求，在對遙感器所用的輻射光源(積分球和標準燈等)定標時，CHB專門設計了一套對其進行穩定性監測的傳遞輻射計系統，該系統由5個高度穩定的濾光片輻射計組成，其中每個濾光片輻射計由探測器、信號放大器和溫度控制器構成，利用工作光譜段各不相同的5個探測器實現了儀器整體覆蓋350～2 500 nm譜段范圍及108的動態測量范圍，它們均在NIST進行了溯源至SI的高精度定標[19]。利用該系統可以隨時發現定標光源出現的性能偏差，以便將其送回PTB進行重新標定，由此形成了一個基于傳遞輻射計二級標準的可反饋工作標準穩定性的定標傳遞系統，實現了可溯源SI的高精度定標實時測量的連續性和一致性，提高了對輻射光源輻亮度基準絕對定標的精度。CHB未來的絕對輻射定標精度就由該傳遞輻射計決定，因此對傳遞輻射計光譜輻亮度的測量不確定度進行定量研究是未來對RASTA這類定標設備升級改造的主要工作[20]。圖4展示了DLR作為PTB的用戶方所設計的基于上述輻亮度標準的光譜儀遙感器定標溯源傳遞系統。

3.3 傳遞輻射計在輻亮度定標傳遞中的拓展應用

與DLR在CHB輻亮度定標中所使用的傳遞輻射計系統類似，美國NASA的戈達德空間中心(GSFC)輻射定標實驗室(RCL)為了對其所使用的覆蓋可見到短波紅外譜段的大型積分球光源進行持續的定標監測，開發了濾光片傳遞輻射計監測系統(FRMS)[21]。FRMS主要對影響積分球性能表現并作為系統誤差源的瞬時穩定性和重復性進行覆蓋400～2 400 nm譜段范圍的實時定標監測，一旦發現積分球光源輸出發生偏差，就會將相關光源返送回NIST進行輻照度及輻亮度的重新定標。FRMS的整體結構與UA的第二代SWIR輻射計相似，由斬光器、TE制冷InGaAs探測器、鎖相放大器和包含11個光譜通道的濾光片轉輪組成，濾光片中心波長/帶寬(nm)分別為，410/10, 440/10, 460/10, 640/10, 840/10, 1 050/15, 1 240/20, 1 380/20, 1 640/20, 2 130/30和2 210/25，這種波長選擇針對照明燈衰減、積分球內表面涂層老化以及周圍環境濕度變化的監測，該傳遞輻射計具有噪聲控制水平高，信噪比高的特點，對光源輸出變化的監測可以達到0.008%～0.013%的水平。同時，FRMS配合小視場光闌使用可以用來定標測量積分球輻亮度的空間均勻性，配合偏振薄板可以用來測量光源輸出的偏振性以及平板起偏器的透射率。

圖4 CHB輻亮度光源絕對定標傳遞系統

對高空間分辨率(1 m以上)的地球觀測設備進行發射前的光譜輻亮度定標時，由于不可能直接利用現有可靠的定標平臺對開口直徑2m的積分球光源進行定標，所以需要便攜可移動的傳遞輻射計來將小口徑積分球標準傳遞給大口徑積分球，之后再利用它對遙感器進行大面積的輻亮度定標，白俄羅斯NII PFP BGU研究院設計了PVS-02便攜分光傳遞輻射計來完成上述標準傳遞過程[22]。為了適應遙感器光譜分辨率越來越高的趨勢，PVS-02采用了基于光柵分光而非濾光片分光的設計原理，提供了0.4～1.05 μm譜段范圍3 nm的光譜分辨率，1.05～2.5 μm譜段范圍10 nm的光譜分辨率。PVS-02以上兩通道的光學結構設計類似，整體組成包括入口物鏡、入口狹縫、凹面衍射光柵、可轉動平面反射鏡、衍射級次修正濾光片、探測器及其制冷系統。就全譜段定標精度來說，在低能量測量模式下，儀器的信噪比在50～100之間(隨波長不同而變化)；在高能量模式下，信噪比可以達到全譜段500以上。

4 未來傳遞輻射計發展趨勢及研究展望

從上述國際傳遞輻射計的發展來看，在可見及近紅外譜段，經典的濾光片式輻射計設計理念一直得到廣泛的應用，同時為了滿足更高分辨率及波長精度的要求，利用光柵分光以及傅里葉變換光強分光原理的傳遞輻射計設計也在最新研究中得到應用[22-23]。隨著光學、電子學、機械及自動化控制領域技術水平的不斷發展，傳遞輻射計的設計正在向著小型便攜以及集成系統化兩個方向發展，其應用的領域越來越廣，可實現功能越來越多。小型儀器適用于不同組織機構間進行相互比對定標的合作項目，微型緊湊的結構特點使得這種傳遞輻射計穩定便攜，從而使其更容易實現保持同一儀器在不同地點定標的連續性的要求。集成化的傳遞輻射計系統更適合應用于對標準計量實驗室使用的嚴格溯源初級基準定標的積分球等光源進行輻射特性監測，這種系統往往設計精密不易隨意移動，具有滿足更高測量定標精度需求的能力。雖然上述不同類型的傳遞輻射計應用領域有所不同，但是隨著相關器件加工和測量等技術水平的不斷提高，無論大型還是小型的傳遞輻射計都將具備更寬的光譜覆蓋范圍、更高的光譜分辨率、更高的信噪比以及更精確的超光譜擬合響應度曲線等特性，并達到可溯源至SI的滿足更高應用需求(例如環境監測)的低不確定度水平[24]。為適應這樣廣泛的應用需求，傳遞輻射計的研究應集中在以下幾個重點方面。

(1)從傳遞輻射計概念提出至今的20年間，傳遞輻射計所依據的測量理論已經相當成熟，當前對傳遞輻射計的研究重點已經從可實現功能的初級設計階段轉向了根據不同定標測量的應用要求進行優化定制的層面，并逐步向更成熟的商業化方向發展，不斷開發以傳遞輻射計為核心輔以其他設備共同進行多樣科學測量的更寬廣的應用領域。同時，未來會采用更先進的方法對傳遞輻射計性能進行高精度的定標，并對其使用系統級和分量級定標方法配合在一起的不確定度及性能表現的評價方式會成為研究焦點。

(2)目前的傳遞輻射計主要對星上定標光源進行定標，而星上諸如積分球光源等光源都是以高溫黑體輻射為基準的。由于衛星受到復雜的空間宇宙環境的影響，定標的不確定度很難突破5%的限制。為了使遙感器獲得更精確的光學電子學信息，國際上正在討論嘗試將低溫輻射計發射入太空，建立空間基于低溫輻射計的輻射定標計量實驗室?？臻g輻射定標基準傳遞鏈與當前地面基于低溫輻射計定標的基準傳遞裝置是有較大差別的，因此未來將會設計與積分球光源集成在一起的新型傳遞輻射計系統來配合空間低溫輻射計使用，由此建立的定標傳遞鏈及不確定度的分析研究將是重點方向。

(3)利用傳遞輻射計結合低溫定標技術，在太空搭配低溫輻射計作為功率基準使用，以太陽光作為恒定光源，由此完成衛星遙感器的在軌光譜定標，這是未來高精度可溯源SI(International System of Units)在軌輻射絕對定標傳遞系統的重點研究內容之一。同時利用離散多光譜波段傳遞輻射計光譜數據來插值計算光譜分辨率1 nm以下的超光譜太陽光譜輻射分布曲線的低誤差優化算法的研究，將是實現未來以太陽光源為基準的，利用低溫輻射計實現衛星遙感器可溯源SI高精度在軌絕對輻射定標的關鍵問題。

(4)在向紫外和紅外波段延展定標時，需要使用二級標準來拓展波長覆蓋性，而未來對于二級標準的研究及其與整體在軌光譜輻射定標傳遞鏈的配合以實現這些波段定標不確定度達到0.5%或更低的目標的研究，將成為重點方向。

(5)未來可以將便攜型單體專用定標的傳遞輻射計與靜止型系統級監測用傳遞輻射計配合使用，來完善不同機構間可溯源SI高精度輻亮度絕對定標的傳遞鏈及其定標結果的一致性比對。傳遞輻射計今后不僅可以用于為特定的遙感器定標其自帶的積分球光源或進行遙感器間相互交叉定標，它還可以用來確定發射前定標帶來的傳感器校準偏移和在軌定標校準偏移。

當前國內遙感器在軌輻射定標領域對傳遞輻射計的研究還是空白，隨著對遙感器輻射定標重要性認識的不斷加深[25]，國內研究機構開始表現出對高精度可溯源SI的在軌光譜輻射定標系統的需求[26]。中科院長春光機所在“可溯源至SI的高精度天基太陽光譜輻射基準源研制”的項目中提出了實現輻亮度基準傳遞的光譜定標積分球傳遞輻射計(ISTR)系統的設計，整體結構如圖5所示。ISTR主要由陷阱探測器、濾光片輻射計和積分球組成，由此將標準定標和測量傳遞的功能合二為一。首先利用可溯源至低溫輻射計基準的入射光來定標陷阱探測器，再將陷阱探測器作為二級標準來定標濾光片輻射計。當光經過積分球開口處的兩個精密光闌后，功率基準被轉化為輻亮度標準，由此定標后的ISTR將整體被作為輻亮度傳遞標準使用，最終配合漫射板對其他在軌地球成像光譜儀進行基于輻亮度標準的定標，實現低溫輻射計基準的傳遞。綜合考慮定標過程涉及的各環節的不確定度水平，包括太陽光譜輻射基準測量、精密光闌面積測量、探測器測量和濾光片透射率測量等，最終預期ISTR可達到的基準傳遞不確定度在1%水平。

圖5 ISTR結構原理示意圖

5 結 論

主要介紹了依據濾光片分光原理設計的不同機構研制的多個傳遞輻射計的測量過程和自身性能的定標方法，強調了傳遞輻射計對積分球等光源輻亮度定標監測的重要作用。根據PTB光譜輻亮度基準傳遞過程的描述，說明最新發展的傳遞輻射計系統在定標過程中的作用，再結合DLR對光譜儀遙感器的定標方案設計和GSFC使用的積分球光源變化監測系統介紹，說明了傳遞輻射計維系了標準計量機構和用戶方對光源性能進行可溯源SI高精度定標的一致性及基準傳遞鏈連續性的特點。同時還介紹了基于光柵分光原理設計的新型傳遞輻射計，由此展望了未來傳遞輻射計的設計研究發展方向。隨著人類對全球氣候變暖、高分辨率對地觀測、極端災害預報等若干重大問題的持續深入研究，對可溯源至統一輻射基準的高質量航天遙感數據的需求越來越迫切，構建基于空間低溫輻射計的可溯源至SI的高精度空間在軌太陽光譜輻射基準系統，是未來實現這一高精度訴求的最佳方案路線。在這個方案中，系統整體的定標基準來自高精度在軌低溫輻射計，而傳遞輻射計需用作標準傳遞探測器，將高精度的絕對太陽光譜輻射基準測量傳遞到其他地球光譜成像儀等在軌遙感器上，實現絕對輻射定標。傳遞輻射計是連接在軌基準和遙感數據應用的紐帶，其所能實現的高精度基準傳遞技術是未來研究的重點問題。

致謝：感謝長春光機所空間一部太陽輻射定標課題組的楊振嶺博士在定標傳遞方面的指導，感謝夏志偉師兄在光學設計上的探討啟迪，感謝崔立紅同學在文獻整理方面的辛勤工作。

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(Received Apr.28, 2015; accepted Aug.6, 2015)

*Corresponding author

Overview of the Study for Transfer Radiometer with Spectral Standard Calibration and Transferring Technology

ZHAO Wei-ning1, 2, FANG Wei2, JIANG Ming2, LUO Yang2, WANG Yu-peng2*

1.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China

Transfer radiometer is the critical calibration facility of remote sensing instruments on satellites to achieve spectral radiometric calibration on-orbit.It’s also the core for spectral calibration with high accuracy in the laboratory on earth.This paper compares the similarities and differences between several transfer radiometers developed by various institutes covering 200～700, 700～2 000 nm spectrum bandwidth separately through describing their construction, design and operational principles and the method of transferring radiometric calibration benchmark.It shows the realizable accuracy of every transfer radiometers by introducing their central technology applied in the calibration procedures of different wavelength range.The advantages and shortcomings together with every transfer radiometer determine the application circumstance.According to the introduction of the process of the calibration traceability based on radiance standard in international institutes of standard technology，it emphasizes the importance of transfer radiometers in the procedure.It demonstrates the significance of transfer radiometer in radiometric calibration of aeronautics and space through its application of monitoring the calibration light source for spectrometers.Finally, it presents the prospect for the development and crucial issues of transfer radiometer’s technology in the future research through describing the new transfer radiometer designed in internal institute.Simultaneously, it predicts and summarizes difficult problems required to be solved in the future as to high-accuracy calibration transferring system on-orbit against SI-traceable primary standard, which consists of cryogenic radiometers and transfer radiometers.

Transfer radiometer; Traceability chain for spectral radiance standard; Monitoring calibration of source; SI-traceability calibration on-orbit

2015-04-28，

2015-08-06

國家自然科學基金項目(41474161), 國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2015AA123703)和中國科學院長春光學精密機械與物理研究所領域前沿創新項目(Y3CX1SS14A)資助

趙維寧, 1989年生，中國科學院大學博士研究生 e-mail：acgdream@126.com *通訊聯系人 e-mail: wangyp@ciomp.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2984-07