基于间接法对一种日盲型光电管探测系统进行了非线性测量，将线性度已知的硅光电二极管探测器作为参考标准，以外置氙灯光源积分球作为线性定标辐射源，通过大动态范围电动光阑来调节辐射输出，将待测探测器与参考探测器在同一条件下进行同步测量，以消除光源波动的影响。实验结果表明，该日盲型光电管探测系统的线性误差最大可达5.2%，有必要通过非线性修正因子对测量值进行修正，其数值范围为0.948~1.006。分析了系统合成测量不确定度，在光电管响应光电流为2.97×10^-10~6.61×10^-8 A范围内，扩展不确定度为3.59%（k=2）。

高精度双向反射分布函数 (BRDF) 绝对测量装置可用于星上定标漫反射板等漫反射参照体 BRDF 的绝对测量, 其转角的不确定度是整个装置不确定度的主要来源之一。通过对各部件几何位置的标校降低 BRDF 绝对测量装置转角的不确定度, 可有效降低BRDF 绝对测量的不确定度, 具有重要的意义。根据 BRDF 绝对测量装置的特点, 以串联式六轴机器人为测量工具, 以固定于中空分度盘的积分球光源出射的光束作为指示, 开发了一整套 BRDF 绝对测量装置各部件几何位置的标校方法, 最后基于镜反射实验验证了转角的精度优于 0.05°, 满足应用需求。该方法不仅测量精度高,而且大大简化了装调过程, 实现了无接触式标校, 为类似装置的标校提供了参考。

传统滤光片辐射计在测量紫外(UV)波段时带外泄漏影响严重。将日盲型光电管作为UV滤光片辐射计的探测单元,采用搭建的比对测量装置对日盲型UV滤光片辐射计各通道进行系统级相对光谱辐射功率响应度测量,再利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的光谱辐射照度标准灯对UV滤光片辐射计进行绝对光谱辐射照度响应度定标。采用单色仪系统完成UV滤光片辐射计与溯源至美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准探测器的对比,两者结果最大相差2.09%,验证了辐射标准传递的准确性。最后,通过立体角构建,将232~400 nm辐射标准传递到了大口径大动态范围UV积分球辐射源中。

基于反射率基法的大面积均匀场替代定标是目前常见的在轨定标方法,国内均匀场数量少,反射率偏低,定标频次与精度都受到限制。灰阶靶标法已经实现了在均匀场环境下的高精度辐射定标,但如何突破大面积均匀场单一环境背景限制实现高频次定标,依然是当前的难题。在经典辐照度基法的基础上,提出了适用于灰阶靶标的改进辐照度基法,分析讨论了复杂环境下的在轨辐射定标方法,并对某光学卫星开展了实验验证。结果表明,提出的改进辐照度基法与反射率基法的最大差别小于3.5%,可实现复杂背景环境下的在轨辐射定标,为我国光学卫星高频次、高精度在轨辐射定标提供了技术途径。

为了满足航天载荷对大口径、高亮度紫外积分球辐射源的定标需求,采用全新工艺研制了内径为2200 mm、出光口径为800 mm且采用全压制聚四氟乙烯(PTFE)涂层的大型积分球辐射源,聚四氟乙烯涂层厚度为25 mm。积分球内置10 kW卤钨灯光源并外置两台带有电动光阑的总功率为14 kW的氙灯光源,可实现4个量级的大动态范围调节。经测试,该积分球在250 nm处的辐亮度为0.54 μW·cm ^-2·nm ^-1·sr ^-1,在279~400 nm紫外波段处的辐亮度大于1个太阳常数,辐亮度定标扩展不确定度为5.28%。对紫外积分球辐射源的各项性能进行了测试,结果表明,紫外辐射源的面非均匀性在380 nm处为0.65%;在扫描夹角为-20°≤θ≤+20°时,水平和垂直方向上的角非均匀性优于0.49%,±45°方向上的角非均匀性优于0.69%。对光谱反射率对面均匀性及角均匀性的影响开展了研究,研究结果表明,随着光谱反射率的提高,面非均匀性下降0.17个百分点,角非均匀性下降0.15个百分点。对辐射源稳定性、荧光效应及系统热平衡展开了测试研究,所研制的紫外积分球辐射源具有紫外波段(250~400 nm)亮度高、口径大、均匀性好及可靠性高等特点,是理想的大面积郎伯面源,可满足紫外波段航天载荷辐射定标需求。

光学遥感器在轨绝对辐射定标精度决定着定量化应用的广度和深度,反射率法、辐照度法以及辐亮度法等基于大面积均匀场的在轨替代定标发挥着重要作用,但由于存在场地数量有限、定标频次低、场地反射率低以及单点定标无法实现全动态范围定标的问题,定标精度限制在5%~8%之间。光学遥感器空间分辨率的提高,使得基于光谱平坦性好、朗伯性好的灰阶靶标的绝对辐射定标成为可能。本文研究了基于灰阶靶标的定标方法的原理、定标流程及影响因素,并在此基础上提出了简化辐射传输计算的方法。考虑到高分辨多光谱相机响应线性及暗电流等的影响,本文采用带偏置的一次函数响应模型,对某多光谱相机进行了三次试验,求出了定标增益与偏置,定标不确定度优于5%。利用铺设的彩色靶标进行了反射率反演验证,结果显示,在5%~70%的反射率内,绝对差值不到0.01。所提绝对辐射定标方法可以实现光学卫星遥感器大动态范围的绝对辐射定标,解决了在响应低端定量化应用时定标精度普遍较低的问题。

介绍了高分五号全谱段光谱成像仪(VIMI)可见近红外波段星上定标组件的组成和工作方式,分析了VIMI发射后星上12次太阳漫反射板(SD)双向反射分布函数(BRDF)的量值衰减情况。对比SD反射率衰减监测仪(SDRDM)长期观测的太阳数据表明,不同监测波段探测器的衰减程度不同,其中900 nm监测波段的硅探测器衰减最大,约为4.3%。当入射角与观测方位夹角接近时,SD BRDF的衰减因子(H因子)变化很小。根据H因子的物理模型得到SDRDM实际监测的测量不确定度小于0.86%,满足小于1.5%的指标要求,且VIMI星上定标组件全寿命期输出光谱的辐亮度不确定度小于3.4%。

星上定标光谱仪(SCS)是HY-1C搭载的标准定标载荷,用于实现对同平台上其他多光谱载荷的辐射定标。基于星上定标光谱仪获得的星上定标结果,与MODIS的影像数据进行交叉定标,比较星上定标光谱仪与MODIS对相同地面区域的辐亮度数据和反射率数据,实现了对星上定标精度的评估与验证。通过对4次定标数据的处理和分析,结果表明,两者的最大相对偏差小于3%,满足同平台其他载荷的定标要求。

利用定标光谱仪(SCS)实际光学系统参数,分析了经太阳衰减屏(SAC)衰减后的太阳漫反射板(SD)的出射辐亮度非均匀性来源。基于星上定标时刻漫反射板光谱辐亮度物理模型,结合实验室部分实测参数计算得到整年星上定标时段的漫反射板出射辐亮度角度变化规律,并与以实验室小发散角太阳模拟器作为照明光源测得的SCS漫反射板出射辐亮度随照明角度变化的规律进行了比较,验证了星上漫反射板定标时刻光谱辐亮度物理模型的正确性,且光通过太阳衰减屏照明漫反射板得到的出射辐亮度在SCS焦平面的能量非均匀性可优于0.47%/(°),满足SCS相对辐射定标对辐射源工作区域在其焦平面均匀性优于99.5%的要求。最后,根据实际应用状态,分析得到太阳衰减屏+漫反射板方式形成的星上光谱辐亮度标准面源量值不确定度可优于2.13%。

为了拓展目前实验室辐射标准的动态范围, 提出了基于积分球光源的大动态范围辐射标准传递技术.即在等色温调节的前提下, 结合可调光阑和基于大动态范围响应线性硅探测器的监视辐射计将辐照度标准灯-漫射板系统的光谱辐亮度工作标准传递到大动态范围可调节积分球光源各个亮度等级, 从而实现辐射标准的动态范围拓展.通过研制大动态范围多级可调节光阑并分析探讨光谱匹配、硅探测器的响应线性对辐射标准传递精度的影响, 最终在400~2 500 nm范围内, 积分球光源在6个量级内的辐射标准不确定度有望达到4.3%~6.1%, 这对光辐射测量定量化发展具有重要的意义.