中红外大气背景辐射测量系统及误差分析

陈双远; 许方宇; 王飞翔; 袁晓伟; 罗志远; 陈骥; 罗永芳

doi:doi:10.3788/AOS201939.0301001

光学学报, 2019, 39 (3): 0301001, 网络出版: 2019-05-10

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析下载： 1323次

Measurement System and Error Analysis of Mid-Infrared Atmospheric Background Radiation

论文大纲

陈双远 ^1,2许方宇 ^1,*王飞翔 ³袁晓伟 ^1,2罗志远 ^1,2陈骥 ⁴罗永芳 ⁴

作者单位

¹ 中国科学院云南天文台天文光电实验室, 云南昆明 650216

² 中国科学院大学, 北京 100049

³ 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南昆明 650504

⁴ 云南北方驰宏光电有限公司, 云南昆明 650217

大气光学大气辐射辐射测量辐射定标误差分析 atmospheric optics atmospheric radiance radiation measurement radiation calibration error analysis

AI 词云图 AI一句话精读 AI短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

为研究大气背景辐射和仪器辐射规律、控制仪器热辐射和仪器精度,设计了一套大气背景辐射测量系统。分析了测量系统各组件和辐射定标等各类误差源对总测量误差的影响,还分析了定标精度的影响因素,确定了测量工作的改进方向。结果表明:该系统在定标区间内的测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%和0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气背景辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气辐射强度远低于定标时的辐射强度,因此需进行外推测量。对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较大的测量误差。为提高大气背景辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。研制了大气背景辐射测量系统,并进行了野外实测等工作,这为大口径红外天文望远镜系统的研制并将其实际应用于红外天文观测提供了基础。

Abstract

To investigate the laws of atmospheric background radiation and instrument radiation as well as control the instrument thermal radiation and instrument accuracy, a measurement system of atmospheric background radiation is designed. The effects of various error sources, such as each component of this measurement system and radiation calibration, on the total measurement error are analyzed. Meanwhile, the factors influencing the accuracy of calibration are also analyzed. Finally, the direction of improving the measurement work is determined. These results show that the measurement error of this system in the calibration region is mainly composed of the radiometric calibration error and random error, whose values are 2.4719% and 0.0790%, respectively. In addition, the composite error is 2.4732%. For most of excellent astronomy sites, the atmospheric radiation intensity is far lower than the calibration value, and thus the extrapolation measurement is unavoidable. The estimation results of the extrapolation measurement errors indicate that the extrapolation measurement can lead to relatively high measurement errors. Therefore, in order to improve the precision of atmospheric background radiation measurement, the standard radiation sources with low radiation intensity are indispensable. The development of the atmospheric background radiation measurement system and the measurement work in the field are helpful to experience accumulation for the further development of large aperture infrared astronomical telescope systems and their practical applications to infrared astronomical observations.

1 引言

地球大气系统是人类赖以生存的保护圈,也是空间目标探测和识别、红外遥感、红外天文研究等领域需着重考虑的一类背景红外辐射源,在测量信号时大气作为背景,降低了目标-背景对比度,给经过大气系统的目标探测和识别增加了难度^[1]。国内目前对于红外天文观测的需求是迫切的,但存在如仅因为红外探测器性能问题导致红外天文观测难以推进等误区。经研究发现,最主要的因素未必是探测器性能,而是存在另一个重要的因素——背景辐射(包括大气背景辐射和仪器自身热辐射)。为深入研究这两种背景辐射间的区别与联系、更好地服务于天文选址,在此搭建了一套便携式大气背景辐射测量系统。在云南昆明、云南澄江、四川稻城、西藏阿里、青海德令哈和北京怀柔等天文台站使用该系统对大气背景辐射进行了测量,以期通过设备研制和野外实测等工作,为大望远镜系统在红外天文观测中的应用提供基础。

目前关注大气背景辐射的研究人员包括大气物理工作者、红外系统与天文工作者、光谱研究工作者以及导弹红外拦截和天基预警等**应用研究者。大气物理工作者希望借助大气背景辐射来研究大气辐射理论及大气物理参量。在国内,蔡熠等^[2-3]研究了卷云对背景辐射的影响;在国外,Adler-Golden等^[4-7]研究了高层大气环境及辐射理论,建立高层大气红外辐射传输模式,并在卫星及航天飞机上搭载红外探测器以对高层大气背景辐射进行测量。红外系统与天文工作者关心的是大气对目标红外辐射的影响。Evans等^[8]在南极Dome C 站点采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量红外天空背景辐射亮度;戴聪明等^[9]为进行红外太阳望远镜选址,利用FTIR在西藏羊八井测量了大气背景红外辐射;赵志军等^[10]利用本文所述的辐射测量系统对丽江及澄江天文观测站的大气红外辐射与消光特性进行了实测。光谱研究工作者通过研究背景辐射光谱信息进行大气环境要素探测或大气组分反演。 Smith等^[11-12]提出高分辨率干涉仪可用于大气背景红外辐射光谱的测量,并通过遥感得到大气温、湿度廓线;孟雪琴^[13]研究了大气背景的光谱特性及其理论建模;张天舒等^[14-15]利用机载FTIR和地面FTIR测量了大气红外背景辐射光谱。在导弹红外拦截和天基预警等**应用方面,美国建立了天基大气背景红外遥感系统,并将其用于**预警。如Spiro^[16]提出辐射计系列卫星,在短中波红外谱段测量大气背景辐射统计特性;Dooling^[17]提出“米达斯”系列卫星,在短中波红外谱段获取大气以及临边背景的红外辐射图像数据;Kampf等^[18]提出红外背景特性测量实验卫星,专门用于测量导弹尾焰辐射特性及临边大气背景辐射特性;Barnhart等^[19]提出“微型传感器技术集成”卫星,对大气红外背景辐射也进行大量测量;Mill等^[20]提出“中段空间实验”卫星上搭载的空间红外图像望远镜,在中长波范围测量高层大气环境辐射特性。

对大气背景辐射特性研究的基础是对相应系统测量精度的分析,通常的做法是通过比较实测数据与模型仿真结果来说明实测精度,关于精确分析测量系统各组件自身热辐射对测量精度的影响和贡献的文献鲜有报道。本文简要介绍了该系统的结构设计和定标,详细分析了测量误差(包括随机误差、模型定标误差和外推测量误差)的来源,并对各误差进行了详细探讨;综合考虑了各部分主要影响因素对总测量误差的贡献;使用该系统在阿里天文台、德令哈观测站、怀柔观测站对大气辐射进行了实测,并给出了三个站点大气辐射的实测结果。

2 系统研制及定标

2.1 系统结构设计

所研究的中波红外大气背景辐射测量系统主要由数据采集与处理模块、制冷系统、主光学系统、地平式双轴机架等部分组成。其中主光学系统是一台折射式望远镜,其设计参数分别为:口径为7.5 cm,焦距为15 cm,f数为2。经研究发现,常温时测量系统自身红外辐射比大气背景辐射强1~2个量级,而且测量系统自身红外辐射还因受环境温度的影响而不断变化。进行大气背景辐射测量时,系统红外辐射将与大气背景辐射耦合,两者难以分离,因此需要探测系统具有很高的灵敏度;此外,很小的环境热干扰都会影响大气背景辐射的测量精度,因此要严格抑制测量系统自身的红外辐射。为此,在进行望远镜系统设计时采用两种关键手段。第一种手段是优化望远镜系统的光机结构,通过增加消光螺纹来提高系统关键表面的热辐射在传播过程中被吸收的概率,以达到降低望远镜系统整体发射率的目的。第二种手段是对整个望远镜系统进行低温制冷并稳定保温控温。保温部件采用双层碳纤维结构,两个碳纤维壳层之间填充隔热材料,以隔绝外部环境与内部低温系统之间的热交换;控温部件的核心是两个恒温密封腔(腔1和腔2),密封腔中充满干燥氮气以隔绝水汽,光机结构和探测器组件分别设置在这两个恒温密封腔中;制冷方案使用循环冷却液冷却结合两级半导体制冷的方案,半导体制冷片均匀分布在密封腔周围以对腔体制冷并使其保持恒温,制冷片的热端靠冷却液冷却。半导体控温主要技术指标有温度分辨率和温度稳定度,其中温度分辨率为0.01 ℃,温度稳定度为±0.02 ℃。通过采用循环冷却液结合两级半导体制冷的方式,可将整机制冷至-40 ℃。两密封腔中间放置带通滤光片,探测器采用深制冷型320 pixel×256 pixel面阵探测器,可探测光谱范围为3.7~4.8 μm,加带通滤光片后的工作波段为4.605~4.755 μm,对应于天文学家关心的M'波段。望远镜系统内部结构如图1所示。

图 1. 望远镜制冷组件结构设计图

Fig. 1. Structural design drawing of refrigeration module in telescope

下载图片查看所有图片

2.2 系统定标

利用该系统进行大气背景辐射测量时,首先需进行实验室定标,即以不同强度的标准辐射信号作用于系统,获得信号强度与仪器读数间的对应关系。测量时用仪器读数反算出信号强度。对于该定标工作,赵志军等^[21]提出了一种三元定标模型:

R = a \times t \times L_{signal} + b \times t \times L_{amb} + c \times t + R_{0}, (1)

式中:a、b、c、R₀为定标系数;t为积分时间;R为仪器读数值;L_signal为目标信号在工作波段内的积分亮度;L_amb为环境温度变化所引起的仪器辐射在工作波段内的积分辐射亮度。等式右边第一项表示系统对目标的响应项,第二项表示仪器辐射随时间和环境温度的累积,第三项表示不随环境温度变化的仪器辐射以及探测器暗电流等的时间积累。将定标实验数据用以上三元定标模型进行拟合,得到各定标系数,最终得到的定标公式为

\begin{array}{r} R = & 487546.1425 \times L_{signal} \times t + 8489.2848 \times L_{amb} \times t + 2.5492 \times t + 707.0047 。 (2) \end{array}

该系统有两个优点:1)定标模型的形式摒弃了传统一元线性模型,采用考虑仪器辐射和积分时间的三元定标模型;2)在对望远镜系统自身红外辐射的控制方面,该系统实现了对望远镜整体的制冷及稳定控温。

3 大气背景辐射测量误差分析

测量精度是测量工作的一项重要技术指标,首先需研究测量系统的测量精度及相关误差因素。利用该系统进行大气背景辐射特性测量时,可能的误差来源包括:1)测量器具,包括定标标准具误差,以及其他量具误差;2)定标模型与实际系统间的差异,简称模型误差;3)测量系统的不稳定性(如控温系统的不稳定性)导致测量结果随机起伏;4)环境影响,如测量过程中环境因素发生变化时会产生干扰等;5)被测目标自身变化,包括量子噪声等。根据对误差来源的认识,结合系统结构设计,对该系统的测量误差(即随机误差和系统误差)进行分析。随机误差包括系统自身的随机误差,以及测角、测温和目标变化所引起的测量误差;系统误差主要考虑定标区间的辐射定标模型误差。在外推测量时又有新的外推误差。

3.1 随机误差

红外系统随机误差比较复杂,如系统受自身和外部热源影响会引起输出信号的改变,产生测量误差,内外部杂散辐射也会引起测量误差。光学系统、机械结构、电子学系统的温度变化都会引起系统输出值的变化。系统采用的红外探测器基本参数如表1所示。

3.1.1 系统自身随机误差

为了综合评估系统的随机起伏,在实验室内环境温度基本恒定的条件下,给定稳恒输入信号,使系统持续测量,即可得到一个仪器读数序列。实验在探测器稳定后进行,探测器帧频为25 Hz,在某次实验中连续采集10 min,得到的样本容量为15000,样本时域分布图如图2所示。该读数序列的起伏基本表征了系统随机误差水平。测量过程都是以探测器全版面平均值作为输出,这样将大大抑制像元间不相关的随机噪声。需要注意的是,该结果大于系统实际随机误差水平,原因是标准辐射源产生的辐射并非完全稳定或者测量过程中环境并非完全恒温。

表 1. 中波红外探测器参数

Table 1. Parameters of mid-infrared detector

Detector type	Wavelength range /μm	Pixel number /(pixel×pixel)	Pixel size /(10^-5 m)	Cooling means	Noise equivalent temperature difference /℃
HgCdTe	3.7-4.8	320×256	3×10⁵	Stirling refrigeration	0.01

查看所有表

图 2. 抽样样本时域分布

Fig. 2. Time-domain distribution of samples

下载图片查看所有图片

设样本测量值服从N(μ,σ)的正态分布,由采集10 min的样本量计算得μ=3998.4,σ=0.5249。则系统随机误差α₁可表示为

α_{1} = \frac{3 σ}{μ} = \frac{3 \times 0.5249}{3998.4} = 0.0394 % 。 (3)

3.1.2 测量过程中其他因素导致的随机误差

1) 天顶角指向精度导致的误差

当实际进行大气背景辐射测量时,系统指向不同天顶角时,测量的是不同位置的大气红外辐射,天顶角指向精度将导致测量误差。用电子测角仪测量天顶角时的测角误差在±2°以内。假设目标大气满足平面平行大气模型,则理论上由测角误差所引起的误差为

α_{2} = \frac{\sec 2 ° - \sec 0 °}{\sec 0 °} = 0.0610 %, (4)

并且这一误差持续为正数,即无论天顶角是多少,均导致测量结果大于天顶角为0°时的结果。

2) 环境温度测量误差导致的修正不充分

由于定标模型中引入仪器辐射随环境温度变化的修正项,需要实时监测测量过程中的环境温度。使用经过校标的电子温度计测量环境温度时,其测温误差为±0.1 ℃。尽管该电子温度计具有±0.1 ℃的测温精度,但在野外实测时,太阳直射、风、雨、雪、扬尘等因素的影响,使得环境温度的测量精度难以达到量具的精度水平,需要对实测环境温度的不确定度进行估计。选取怀柔观测站连续测得的一组温度数据进行研究,结果如图3(a)所示。对该组温度数据进行低通滤波,取原始数据与滤波数据的差值来评价实测环境温度的随机偏差,结果如图3(b)所示,可以看出偏差基本都位于-0.1~0.1 ℃范围内;略大数据也位于-0.3~0.3 ℃范围内;这里选取±0.5 ℃作为环境温度不确定度的估计区间。该随机测温误差引起的随机测量误差(α₃)可由(2)式计算得到,环境温度从零下十几摄氏度到十几摄氏度不等,在此取代表性环境温度0 ℃和目标温度-25 ℃,则有

\begin{array}{r} α_{3} = & \frac{R (0.5 ℃, - 25 ℃) - R (0 ℃, - 25 ℃)}{R (0 ℃, - 25 ℃)} = 0.0311 %, (5) \end{array}

式中:R(0.5 ℃, -25 ℃)表示环境温度测量误差高达0.5 ℃且目标温度为-25 ℃时系统输出的仪器读数;R(0 ℃, -25 ℃)表示环境温度为0 ℃且目标温度为-25 ℃时系统输出的仪器读数。

计算结果表明,通过对测量系统严格精准的控温,外环境温度变化导致的仪器辐射起伏被限制在很小的区间;进一步地,通过三元模型对该项进行了剔除;经过这些修正,可以认为环境温度的测量误差对测量总误差贡献很小。

此外,所测目标大气本身存在高频光子噪声,大气背景辐射还随时间涨落,实测结果为在高频噪声基础上叠加低频涨落的辐射信号,这部分高频噪声和低频信号涨落也会引起测量误差。这种测量误差不受人为因素的影响,但会受到所测站点的影响,不过该部分误差相对较小,因此在之后的分析中忽略这部分误差的影响。以上随机误差的各组分均无相关性,其总体水平可以表述为

\begin{array}{r} α = & \sqrt[]{α_{1}^{2} + α_{2}^{2} + α_{3}^{2}} = \sqrt[]{{(0.0394 %)}^{2} + {(0.0610 %)}^{2} + {(0.0311 %)}^{2}} = 0.0790 % 。 (6) \end{array}

图 3. 怀柔观测站实测(a)环境温度数据和(b)温度差值

Fig. 3. (a) Ambient temperature data and (b) temperature difference measured at Huairou observatory

下载图片查看所有图片

(6)式结果表明,测量的随机误差主要来自于天顶角指向的不精准,而探测器随机噪声和环境温度测量误差带来的噪声影响都不大,以上因素导致的总误差小于0.08%。

3.2 辐射定标误差分析

该测量系统的系统误差主要体现在辐射定标模型上,可能影响系统定标精度的因素有:标准辐射源精度(包括正确度和起伏范围)、系统内部控温组件的控温稳定性、数据采集稳定性和系统测试噪声(随机噪声)等。其中一些因素是相对固定的,一些因素则体现为随机的。经定标得到固定模型,在使用同一模型进行多次测量的过程中,这些随机因素亦固化于系统误差之内。首先分析相对稳定的这部分因素;由于另外一些因素对系统误差的影响比较复杂,可采用验证的方法确定其大小。定标实验中采用常温黑体作为标准源,其性能参数如表2所示。标准源精度主要表现为4个参数:表面发射率、温度精度(或称温度正确度)、控温稳定性和温度分布非均匀性。

表 2. 常温黑体的性能参数

Table 2. Characteristic parameters of common temperature blackbody

Parameter	Temperature range /℃	Emissivity	Temperature stability /℃	Temperature inhomogeneity /℃	Temperature accuracy /℃	Effective radiation area /cm²
Value	0-125	0.97±0.02	±0.003	±0.01	±0.008	400

查看所有表

常温黑体的表面发射率为0.97±0.02;对于某一台黑体而言,表面发射率基本稳定不变。表面发射率的数值可表征其辐射能力与理论黑体辐射能力的差别,表面发射率不足将导致辐射信号强度小于理论值,其误差将稳定传递给测量系统。该标准源发射率导致的不确定性为±2.0619%;温度精度为±0.008 ℃,其误差同样导致标准辐射源偏离标准。与表面发射率一样,温度精度误差也将稳定传递给测量系统。计算得到0 ℃及(0±0.008) ℃时的黑体积分辐射亮度相对误差如表3所示。由表3可见,±0.008 ℃的温度不确定区间将导致0.0330%的辐射亮度不确定区间。

以上两误差间无相关性,所以由黑体导致的稳定系统误差为

ρ = \sqrt[]{{(2.0619 %)}^{2} + {(0.0330 %)}^{2}} = 2.0622 % 。 (7)

标准源黑体的这两个指标会导致测量系统产生稳定的系统误差,但可以在采用更高级别标准源时得到修正,因此以下讨论未计入这部分误差。

表 3. 黑体控温精度造成的相对误差

Table 3. Relative error resulting from temperature control precision of blackbody

Temperature /℃	Integrated radiance /(10^-6 W·cm^-2·sr^-1)	Relative error /%
-0.008	9.9944	-0.0330
0	9.9977	0
0.008	1.0001	0.0330

查看所有表

标准源黑体控温稳定性(±0.003 ℃)、标准源黑体温度分布非均匀性(±0.010 ℃)、系统内部控温组件的控温稳定性、系统测试噪声等都会对定标精度产生影响,它们在定标过程中表现为一种随机的涨落,这将导致定标结果[(2)式]在一个可能的范围内变动。为了准确地评估定标误差,文献[ 22-23]根据定标实验数据采集和处理过程,在估计定标误差时将辐射定标误差(ε)分为定标数据采集误差(ε₁)和定标数据处理误差(ε₂)两部分,具体表示为

ε^{2} = ε_{1}^{2} + ε_{2}^{2}, (8)

式中:ε₁表征定标实验数据采集过程中引入的误差,系统测试噪声、数据采集系统稳定性、控温组件的控温稳定性、黑体标定精度等都会导致定标数据采集误差;ε₂表征定标数据处理过程中引入的误差,它包括所选定标模型带来的误差及其他未知因素引起的误差。

实验室定标在环境实验箱中进行,环境实验箱可以设置不同的环境温度,实验时环境温度设定为-25.0,-10.0,5.0,15.0,21.0,28.5 ℃ 6个温度。在每一个环境温度条件下设置了5个黑体温度作为目标温度(对应5个目标强度),这5个黑体温度分别为0,5,10,15,20 ℃。在每个环境温度下得到5组实验数据,这样共得到30组实验数据,每组实验又用若干积分时间采集3000帧图像,对30组实验数据用以上三元定标模型进行拟合,得到各定标系数,最终所得的定标公式如(2)式所示。结合定标实验数据,分别建立ε₁模型和ε₂模型,其中ε₁模型可表示为

ε_{1} = {\{\frac{σ_{i}}{{\bar{R}}_{i}}\}}_{\max}, (9)

式中: ${\bar{R}}_{i}$ 和σ_i分别为各个定标温度下各自仪器读数的均值和标准差。计算这30个定标温度点的标准差系数并取其中的最大值作为定标数据采集误差ε₁,计算结果如表4所示。

表 4. 数据采集误差

Table 4. Data acquisition errors

Environmental temperature /℃	Target temperature /℃	Error /%	Environmental temperature /℃	Target temperature /℃	Error /%
	0	0.0163		0	0.0687
	5	0.0320		5	0.0304
-25.0	10	0.0260	15.0	10	0.0114
	15	0.0311		15	0.0073
	20	0.0378		20	0.0073
	0	0.0558		0	0.0542
	5	0.0511		5	0.0508
-10.0	10	0.0349	21.0	10	0.0192
	15	0.0366		15	0.0368
	20	0.0231		20	0.0075
	0	0.0672		0	0.0611
	5	0.0614		5	0.0586
5.0	10	0.0199	28.5	10	0.0172
	15	0.0256		15	0.0285
	20	0.0124		20	0.0118

查看所有表

表4中的误差最大值为0.0687%,故ε₁=0.0687%。采用信号项未参与定标的测量数据,考察该数据的拟合值与实测值的差异,得到ε₂模型为

ε_{2} = {\{\frac{| {\bar{L}}_{signa l_{1}} (T') - {\bar{L}}_{signa l_{2}} (T') |}{{\bar{L}}_{signa l_{2}} (T')}\}}_{\max}, (10)

式中: ${\bar{L}}_{signa l_{1}}$ (T')为某一校验温度点T'经定标公式[(2)式]反演计算得到的信号均值; ${\bar{L}}_{signa l_{2}}$ (T')为定标时校验温度点T'处的信号实测均值。分别在不同积分时间下随机抽取7个校验温度点计算定标数据处理误差,其中一部分数据是在环境温度为-40 ℃时测得,一部分数据是在20 ℃时测得。ε₂的计算结果如表5所示,表中最大误差为2.4709%,故ε₂=2.4709%。

由以上定标模型得定标误差为

\begin{array}{r} ε = & \sqrt[]{ε_{1}^{2} + ε_{2}^{2}} = \sqrt[]{{(0.0687 %)}^{2} + {(2.4709 %)}^{2}} = 2.4719 % 。 (11) \end{array}

以上计算结果表明,定标数据采集误差很小(远小于1%),可认为系统随机噪声小,这与系统噪声测试结果相一致,且各定标组件稳定性高,数据采集系统稳定性好;定标实验数据处理误差最大估计值为2.4709%,表明采用的高低温三元线性模型的置信度高;相比数据采集误差而言,对辐射定标起决定作用的是定标数据处理误差。最终辐射定标误差为2.4719%,说明辐射定标精度高。

表 5. 数据处理误差

Table 5. Data processing errors

No.	Environmental temperature /℃	Verification temperature /℃	Verification value /(10^-5W·cm^-2·sr^-1)	Measurement value /(10^-5W·cm^-2·sr^-1)	Error /%
1	-40	17	1.9787	1.9328	2.3754
2	-40	18	2.0539	2.0042	2.4709
3	-40	19	2.1241	2.0781	2.2134
4	-40	21	2.2784	2.2322	2.0709
5	20	0	9.9978	0.9998	0.0008
6	20	8	1.3796	1.3770	0.1873
7	20	15	1.8011	1.7958	0.2987

查看所有表

3.3 大气背景辐射实测

对于红外天文观测而言,地面接收的天体辐射信号中耦合有大气背景辐射,这将严重干扰天体信号的探测。为掌握大气背景辐射强度随时间的变化特性,分别于2017年10月18日—25日在西藏阿里天文台、2017年11月4日—8日在青海德令哈观测站、2017年11月17日—21日在北京怀柔观测站使用该系统实测了这三个站点的大气背景辐射,对正天顶区域进行连续凝视测量。取三地夜间相近观测时段,时长1~2 h的连续测量结果如图4所示,图5所示为德令哈观测站2017年11月4日22时39分起,时长超过5 h的大气背景辐射的测量结果。

图 4. 三个天文台站大气背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 4. Time sequences of atmospheric background radiation intensity in three astronomical observatories

下载图片查看所有图片

图 5. 德令哈观测站背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 5. Time sequence of atmospheric background radiation intensity in Delingha observatory

下载图片查看所有图片

根据图4可计算三个站点大气背景辐射亮度的均值、标准差及标准差系数。其中阿里天文台辐射亮度均值为1.2240×10^-6 W·cm^-2·sr^-1,标准差为7.4659×10^-9,标准差系数为0.61%;德令哈观测站辐射亮度均值为1.8023×10^-6 W·cm^-2·sr^-1,标准差为1.3298×10^-8,标准差系数为0.74%;怀柔观测站辐射亮度均值为2.1146×10^-6 W·cm^-2·sr^-1,标准差为2.2248×10^-8,标准差系数为1.05%。图4中出现的尖锐峰值并非数据处理过程导致的,可能是如飞鸟等目标进入观测视场所导致。辐射亮度均值可直观地反映三个站点大气背景辐射的相对强弱,在三站点的大气背景辐射亮度中怀柔站点最强,德令哈站点次之,阿里站点最弱。由辐射亮度标准差和标准差系数可以比较三站点在相近观测时段中辐射亮度的起伏情况,该起伏情况代表了大气的稳定水平;选择的这三地数据均是相对最稳定的夜间数据,可以看出阿里站点辐射亮度起伏最小,德令哈站点次之,怀柔站点最强。由图5可以看出,在这个时段内,总体而言大气背景辐射持续降低,但包含复杂的频率成分。

3.4 外推误差估计

微弱的大气背景辐射信号中还夹杂着其他目标以及仪器自身的红外辐射,这对于所探测目标辐射而言就是噪声。为真实反映大气背景辐射水平,扣除其他噪声干扰,需要对探测系统进行精确辐射定标。对于天文学家青睐的天文台站而言,大气背景辐射强度约为2.9812×10^-7~3.2188×10^-6 W·cm^-2·sr^-1。精确的定标方法应该是在与所测目标大气强度相对应的低温区进行,这是因为只有利用低温标准黑体对系统进行定标,才能获得与大气背景辐射相当的标准辐射信号。实验室定标所用黑体的工作温度范围为0~125 ℃,能提供亮度为9.9977×10^-6~3.4218×10^-4 W·cm^-2·sr^-1的标准辐射信号,信号亮度高于大气背景辐射最大值,实际定标时选用黑体的低温段,即亮度为9.9977×10^-6~2.1540×10^-5 W·cm^-2·sr^-1的信号进行,即便如此,在该低温段定标的系统对大气背景辐射的测量仍是外推测量。

对无法避免的外推过程,需分析可能的系统偏差,在此采用以下两种办法进行评估:

1) 向信号强方向外推,用30.00,62.75,82.75 ℃三个温度的黑体信号进行验证。

利用三元定标模型测量各地大气辐射强度,这是向信号小的方向外推的方法。而本验证工作是利用同一个模型向信号强的方向上(高温方向)外推,结果如表6所示。实验结果表明,三元模型在适当的区间内有着良好的稳定性。黑体温度为62.75 ℃时,信号强度是定标区间上限的3.8倍,误差为0.8631%;黑体温度为62.75 ℃时,信号强度是定标区间上限的6.4倍,误差为0.9348%。

2) 重新用黑体温度较高的区间进行定标,然后向信号弱的方向外推,用0 ℃黑体信号进行验证。

根据三个站点大气背景辐射的实测情况,阿里站辐射值最弱,均值为1.2240×10^-6 W·cm^-2·sr^-1。0 ℃黑体辐射亮度值为9.9977×10^-6 W·cm^-2·sr^-1,约为阿里站辐射亮度均值的8.2倍。采用类比的办法,将定标温度区间定为62.75~82.75 ℃,以0 ℃黑体为验证点。此时,定标区辐射亮度最低值也约为验证处辐射亮度的8.2倍。

由于不具备三元定标条件,在此采用相对传统且容易实现的一元线性定标,即保持环境温度和积分时间不变,此时仪器读数和输入信号退化为简单的一元线性关系。新实验中将黑体温度设置在62.75~82.75 ℃区间,每2.5 ℃采集一个数据点,共获得9组数据。对数据进行拟合,得到线性模型,以线性模型为基础外推0 ℃的黑体辐射亮度,并将该结果与仪器的实际测量结果进行比较,发现外推误差达到12.397%。

表 6. 外推误差估计结果

Table 6. Estimation results of extrapolation errors

Means	Calibration temperature /℃	Verification temperature /℃	Verification value /(W·cm^-2·sr^-1)	Measurement value /(W·cm^-2·sr^-1)	Error /%
1	0-20	30	3.0440×10^-5	3.0690×10^-5	0.8154
		62.75	8.1801×10^-5	8.2513×10^-5	0.8631
2	62.75-82.75	82.75	1.3681×10^-4	1.3810×10^-4	0.9348
		0	9.9977×10^-6	1.1237×10^-5	12.397

查看所有表

造成误差巨大的因素包括传统一元线性模型劣于三元定标模型以及外推造成系统响应偏离定标处太多。由于无法剥离二者的影响,不能分别讨论二者对误差的影响。这些实验结果表明,无论是向信号更强的方向还是向信号更弱的方向外推,误差均增大。可见,外推是导致测量不确定的重要因素,如果期望获得准确、可靠的大气背景辐射测量结果,需应用三元模型法定标,并采用低辐射的标准辐射源,二者不可或缺。

4 总测量误差

在定标区间内且不考虑标准具自身误差传入测量系统的条件下,总误差为

\begin{array}{r} β = & \sqrt[]{α^{2} + ε^{2}} = \sqrt[]{{(0.0790 %)}^{2} + {(2.4719 %)}^{2}} = 2.4732 %, (12) \end{array}

式中:β为系统总的测量误差。若待测信号远离定标区间,此时需要考虑外推误差,如果待测信号达到最大定标信号的6.4倍(上推),则总测量误差为

\begin{array}{r} β = & \sqrt[]{α^{2} + ε^{2} + η^{2}} = \sqrt[]{{(0.0790 %)}^{2} + {(0.9348 %)}^{2} + {(2.4719 %)}^{2}} = 2.6439 %, (13) \end{array}

式中:η为外推误差。如果待测信号小到最小定标信号的1/8.2时(下推),则总测量误差为

\begin{array}{r} β = & \sqrt[]{α^{2} + ε^{2} + η^{2}} = \sqrt[]{{(0.0790 %)}^{2} + {(12.397 %)}^{2} + {(2.4719 %)}^{2}} = 12.641 % 。 (14) \end{array}

5 结论

实验分析表明,红外大气背景辐射测量系统在定标区间内测量时,具有非常好的稳定性和较高的精度,测量误差不大于2.5%。野外天文站点的实测实验也证明,系统仅需一次定标,之后无论环境温度是-40 ℃的严寒还是20 ℃的常温,测量系统均稳定工作,这保证了该仪器在全国各地天文选址工作中具有好的适应性。系统测量误差由定标误差和随机误差组成,误差的主体是定标数据处理误差,下一步可以考虑改进定标数据处理的方法以提高系统精度。本质上来说,该测量系统用于测量大气背景红外辐射是严重的外推测量。验证实验表明,外推或将导致较大的测量误差。外推得较远时,外推导致的误差或许将高于之前系统的总误差。因此,需要获得辐射强度与待测大气辐射接近的标准辐射源,这样才能确保测量精度优于预期。需要注意的是,黑体自身的误差将传递给测量系统,多数情况下此误差足够大,因此需要根据测量精度的需求选择合适的标准黑体。在分析该小型红外辐射测量系统的过程中,确认了常温时的仪器辐射比大气背景辐射强1~2个量级。此研究为探索大口径红外望远镜仪器辐射规律、热控提供了基础。

参考文献

[1] 骆清铭, 曾绍群, 刘贤德. 地球大气系统红外辐射的仿真[J]. 光电工程, 1996, 23(1): 1-6.

骆清铭, 曾绍群, 刘贤德. 地球大气系统红外辐射的仿真[J]. 光电工程, 1996, 23(1): 1-6.

Luo Q M, Zeng S Q, Liu X D. Simulation of infrared radiation of earth atmosphere system[J]. Opto-Electronic Engineering, 1996, 23(1): 1-6.

[2] 蔡熠, 刘延利, 戴聪明, 等. 卷云大气条件下目标与背景对比度模拟分析[J]. 光学学报, 2017, 37(8): 0801001.

蔡熠, 刘延利, 戴聪明, 等. 卷云大气条件下目标与背景对比度模拟分析[J]. 光学学报, 2017, 37(8): 0801001.

Cai Y, Liu Y L, Dai C M, et al. Simulation analysis of target and background contrast in condition of cirrus atmosphere[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(8): 0801001.

[3] 赵燕杰, 魏合理, 陈秀红, 等. 卷云短波红外辐射特性[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(9): 1449-1453.

赵燕杰, 魏合理, 陈秀红, 等. 卷云短波红外辐射特性[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(9): 1449-1453.

Zhao Y J, Wei H L, Chen X H, et al. Infrared radiative properties of cirrus clouds in shortwave spectral region[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2007, 19(9): 1449-1453.

[4] Adler-Golden S, Smith D R, Vail J. et al. Simulations of mesospheric and thermospheric IR radiance measured in the CIRRIS-1A shuttle experiment[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 1999, 61(18): 1397-1410.

Adler-Golden S, Smith D R, Vail J. et al. Simulations of mesospheric and thermospheric IR radiance measured in the CIRRIS-1A shuttle experiment[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 1999, 61(18): 1397-1410.

[5] O'Neil R R. Gardiner H A B, Gibson J J. MSX: remotely sensed observations of atmospheric infrared radiance and spatial structure[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4539: 446-454.

O'Neil R R. Gardiner H A B, Gibson J J. MSX: remotely sensed observations of atmospheric infrared radiance and spatial structure[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4539: 446-454.

[6] O'Neil R R. Gardiner H A B, Gibson J J, et al. Midcourse Space Experiment (MSX): plans and capability for the measurement of infrared earthlimb and terrestrial backgrounds'[J]. Proceedings of SPIE, 1994, 2223: 264-274.

O'Neil R R. Gardiner H A B, Gibson J J, et al. Midcourse Space Experiment (MSX): plans and capability for the measurement of infrared earthlimb and terrestrial backgrounds'[J]. Proceedings of SPIE, 1994, 2223: 264-274.

[7] López-Puertas M, Funke B, Gil-López S. et al. Atmospheric non-local thermodynamic equilibrium emissions as observed by the Michelson interferometer for passive atmospheric sounding (MIPAS)[J]. Comptes Rendus Physique, 2005, 6(8): 848-863.

López-Puertas M, Funke B, Gil-López S. et al. Atmospheric non-local thermodynamic equilibrium emissions as observed by the Michelson interferometer for passive atmospheric sounding (MIPAS)[J]. Comptes Rendus Physique, 2005, 6(8): 848-863.

[8] Evans W F J, Puckrin E. Combined measurements of thermal emission and solar absorption of atmospheric carbon monoxide[J]. Atmospheric Environment, 1999, 33(13): 2081-2088.

Evans W F J, Puckrin E. Combined measurements of thermal emission and solar absorption of atmospheric carbon monoxide[J]. Atmospheric Environment, 1999, 33(13): 2081-2088.

[9] 戴聪明, 张志勇, 马力, 等. 红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(12): 32-38.

戴聪明, 张志勇, 马力, 等. 红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(12): 32-38.

Dai C M, Zhang Z Y, Ma L, et al. Measuring and analysis of atmospheric transfer and environment background character on infrared telescope site[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12): 32-38.

[10] 赵志军, 许方宇, 徐世春, 等. 大气红外辐射及消光特性实测研究[J]. 光学学报, 2018, 38(4): 0401004.

赵志军, 许方宇, 徐世春, 等. 大气红外辐射及消光特性实测研究[J]. 光学学报, 2018, 38(4): 0401004.

Zhao Z J, Xu F Y, Xu S C, et al. Measurement of atmospheric infrared radiance and extinction characteristics[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(4): 0401004.

[11] Smith W L, Howell H B, Woolf H M. The use of interferometric radiance measurements for sounding the atmosphere[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1979, 36(4): 566-575.

Smith W L, Howell H B, Woolf H M. The use of interferometric radiance measurements for sounding the atmosphere[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1979, 36(4): 566-575.

[12] Smith WL, Revercomb HE, Huang HL, et al. High resolution interferometer sounder: the retrieval of atmospheric temperature and water vapor profiles[C]. 3rd Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, 1988: 266- 271.

Smith WL, Revercomb HE, Huang HL, et al. High resolution interferometer sounder: the retrieval of atmospheric temperature and water vapor profiles[C]. 3rd Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, 1988: 266- 271.

[13] 孟雪琴. 地球大气背景光谱辐射特性的理论建模[D]. 成都: 电子科技大学, 2009.

孟雪琴. 地球大气背景光谱辐射特性的理论建模[D]. 成都: 电子科技大学, 2009.

Meng XQ. Theoretical modeling of the spectral radiation of the earth atmosphere[D]. Chengdu: University of Electric Science and Technology of China, 2009.

[14] 张天舒, 刘文清, 高闽光, 等. 机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(6): 1018-1021.

张天舒, 刘文清, 高闽光, 等. 机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(6): 1018-1021.

Zhang T S, Liu W Q, Gao M G, et al. The study of infrared background radiation of earth and atmosphere by airborne FTIR spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(6): 1018-1021.

[15] 魏合理, 陈秀红, 戴聪明, 等. 地基大气背景红外光谱辐射特性测量[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(2): 284-290.

魏合理, 陈秀红, 戴聪明, 等. 地基大气背景红外光谱辐射特性测量[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(2): 284-290.

Wei H L, Chen X H, Dai C M, et al. Ground-based measurements of infrared atmospheric background spectral radiances[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(2): 284-290.

[16] Spiro I J. Overview of infrared measurement programs[J]. Proceedings of SPIE, 1981, 0265: 214-220.

Spiro I J. Overview of infrared measurement programs[J]. Proceedings of SPIE, 1981, 0265: 214-220.

[17] Dooling D. Space sentries[J]. IEEE Spectrum, 1997, 34(9): 50-59.

Dooling D. Space sentries[J]. IEEE Spectrum, 1997, 34(9): 50-59.

[18] Kampf D, Rippel H. Infrared background signature survey experiment (IBSS) test results of the optical subsystem[J]. Proceedings of SPIE, 1989, 1118: 113-120.

Kampf D, Rippel H. Infrared background signature survey experiment (IBSS) test results of the optical subsystem[J]. Proceedings of SPIE, 1989, 1118: 113-120.

[19] Barnhart D A, Feig J R, Grigsby E C. Miniaturesensor technology integration (MSTI): small space platform program[J]. Proceedings of SPIE, 1993, 1940: 174-184.

Barnhart D A, Feig J R, Grigsby E C. Miniaturesensor technology integration (MSTI): small space platform program[J]. Proceedings of SPIE, 1993, 1940: 174-184.

[20] Mill J D. O'Neil R R, Price S, et al. Midcourse space experiment: introduction to the spacecraft, instruments, and scientific objectives[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1994, 31(5): 900-907.

Mill J D. O'Neil R R, Price S, et al. Midcourse space experiment: introduction to the spacecraft, instruments, and scientific objectives[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1994, 31(5): 900-907.

[21] 赵志军, 许方宇, 高玲, 等. 3~5 μm红外天空亮度测量的多元定标模型[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004004.

赵志军, 许方宇, 高玲, 等. 3~5 μm红外天空亮度测量的多元定标模型[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004004.

Zhao Z J, Xu F Y, Gao L, et al. Multivariate calibration model for measurement of 3-5 μm infrared sky brightness[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(10): 1004004.

[22] 周宇星. 天基红外测量相机辐射定标及误差估计方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

周宇星. 天基红外测量相机辐射定标及误差估计方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

Zhou YX. The study of radiometric calibration and error estimation of space-based infrared camera[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014.

[23] 于鲲. 天基大气背景测量处理系统总体设计与数据挖掘方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

于鲲. 天基大气背景测量处理系统总体设计与数据挖掘方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

YuK. The overall design of processing system for space-based atmospheric background measurement and the study of data mining[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014.

陈双远, 许方宇, 王飞翔, 袁晓伟, 罗志远, 陈骥, 罗永芳. 中红外大气背景辐射测量系统及误差分析[J]. 光学学报, 2019, 39(3): 0301001. Shuangyuan Chen, Fangyu Xu, Feixiang Wang, Xiaowei Yuan, Zhiyuan Luo, Ji Chen, Yongfang Luo. Measurement System and Error Analysis of Mid-Infrared Atmospheric Background Radiation[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(3): 0301001.

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析下载： 1323次

1 引言

2 系统研制及定标

2.1 系统结构设计

图 1. 望远镜制冷组件结构设计图

Fig. 1. Structural design drawing of refrigeration module in telescope

2.2 系统定标

3 大气背景辐射测量误差分析

3.1 随机误差

表 1. 中波红外探测器参数

Table 1. Parameters of mid-infrared detector

图 2. 抽样样本时域分布

Fig. 2. Time-domain distribution of samples

图 3. 怀柔观测站实测(a)环境温度数据和(b)温度差值

Fig. 3. (a) Ambient temperature data and (b) temperature difference measured at Huairou observatory

3.2 辐射定标误差分析

表 2. 常温黑体的性能参数

Table 2. Characteristic parameters of common temperature blackbody

表 3. 黑体控温精度造成的相对误差

Table 3. Relative error resulting from temperature control precision of blackbody

表 4. 数据采集误差

Table 4. Data acquisition errors

表 5. 数据处理误差

Table 5. Data processing errors

3.3 大气背景辐射实测

图 4. 三个天文台站大气背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 4. Time sequences of atmospheric background radiation intensity in three astronomical observatories

图 5. 德令哈观测站背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 5. Time sequence of atmospheric background radiation intensity in Delingha observatory

3.4 外推误差估计

表 6. 外推误差估计结果

Table 6. Estimation results of extrapolation errors

4 总测量误差

5 结论

Article Outline

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析 下载： 1323次

1 引言

2 系统研制及定标

2.1 系统结构设计

图 1. 望远镜制冷组件结构设计图

Fig. 1. Structural design drawing of refrigeration module in telescope

2.2 系统定标

3 大气背景辐射测量误差分析

3.1 随机误差

表 1. 中波红外探测器参数

Table 1. Parameters of mid-infrared detector

图 2. 抽样样本时域分布

Fig. 2. Time-domain distribution of samples

图 3. 怀柔观测站实测(a)环境温度数据和(b)温度差值

Fig. 3. (a) Ambient temperature data and (b) temperature difference measured at Huairou observatory

3.2 辐射定标误差分析

表 2. 常温黑体的性能参数

Table 2. Characteristic parameters of common temperature blackbody

表 3. 黑体控温精度造成的相对误差

Table 3. Relative error resulting from temperature control precision of blackbody

表 4. 数据采集误差

Table 4. Data acquisition errors

表 5. 数据处理误差

Table 5. Data processing errors

3.3 大气背景辐射实测

图 4. 三个天文台站大气背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 4. Time sequences of atmospheric background radiation intensity in three astronomical observatories

图 5. 德令哈观测站背景辐射亮度的时间序列图

Fig. 5. Time sequence of atmospheric background radiation intensity in Delingha observatory

3.4 外推误差估计

表 6. 外推误差估计结果

Table 6. Estimation results of extrapolation errors

4 总测量误差

5 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析下载： 1323次