一种真空红外定标辐射响应一致性方法
阅读说明：本技术 一种真空红外定标辐射响应一致性方法 (Vacuum infrared calibration radiation response consistency method ) 是由 王阳 钮新华 张锷 陈帅帅 胡秀清 张冬冬 王向华 熊千千 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种真空红外定标辐射响应一致性方法。针对真空红外定标过程中镜片污染及探测头部温度非一致性等,导致红外辐射计各通道定标系数及铂电阻转换系数获取不准确的问题,利用红外定标中获得的面源黑体及星上黑体变温数据,将红外辐射计真空红外定标过程中定标状态的响应度进行辐射一致性处理,以保证空间辐射基准到星上黑体辐射传递过程的辐射准确性。真空红外定标辐射响应一致性方法基于红外辐射计线性响应系统、红外辐射计单一系统状态响应稳定性以及空间辐射基准源辐射稳定性,建立了红外通道辐射定标响应一致性模型,实现对红外辐射计辐射定标数据再处理,有效提高了真空红外辐射定标精度。(The invention relates to a vacuum infrared calibration radiation response consistency method. Aiming at the problem that the calibration coefficients of all channels and the platinum resistance conversion coefficient of the infrared radiometer are not accurately obtained due to lens pollution, non-uniformity of the temperature of a detection head and the like in the vacuum infrared calibration process, the radiation uniformity processing is carried out on the responsivity of the calibration state in the vacuum infrared calibration process of the infrared radiometer by utilizing the variable temperature data of the surface source black body and the satellite black body obtained in the infrared calibration so as to ensure the radiation accuracy in the radiation transfer process from the space radiation reference to the satellite black body. The vacuum infrared calibration radiation response consistency method establishes an infrared channel radiation calibration response consistency model based on an infrared radiometer linear response system, infrared radiometer single system state response stability and space radiation reference source radiation stability, so that the reprocessing of infrared radiometer radiation calibration data is realized, and the vacuum infrared radiation calibration precision is effectively improved.)
技术领域
本发明涉及真空红外辐射定标技术领域，特别是涉及一种真空红外定标辐射响应一致性方法。
背景技术
航天红外遥感技术正朝着高定量化的方向发展，特别是在数值天气预报、气候变化和环境监测等领域，对其定量化水平提出越来越高的要求。为满足红外遥感载荷在辐射定标方面的量值溯源需求，发射前真空红外定标是保证其量值准确的最重要途径之一，因此建立溯源到国际单位(SI)的计量标准方法，对于实现红外遥感载荷的高精度定标尤为关键。
目前，红外遥感载荷真空红外定标通常采用标准面源黑体辐射传递到星上黑体的定标方法，所标校的星上黑体与冷空间用于实现在轨红外定标，文献[1](Jack Xiong，MODIS Level 1B Algorithm Theoretical Basis Document，2013)、文献[2](龚律宇，真空低背景红外亮度温度校准方法研究，2017)以及文献[3](郭玲玲，星载干涉式红外高光谱探测仪发射前辐射定标装置及方法，2021)给出了典型星载红外辐射计的真空红外定标方法，该测量方法较为成熟，但在真空红外定标过程中，红外遥感载荷系统响应度易受到头部污染、头部变温、辐冷温度波动等系统温度因素影响，导致红外定标辐射溯源链中系统响应度的不一致，严重影响了红外遥感载荷定标精度和星上黑体溯源传递精度。因此，针对红外遥感载荷及星上黑体定标，真空红外定标中辐射响应一致性方法研究是实现高精度星载定标系统的关键。
发明内容
为了克服现有技术对红外辐射计这类仪器在真空红外定标过程中辐射传递的响应非一致性问题，本发明提供了一种真空红外定标辐射响应一致性方法。
本发明所采用的技术方案是：
1、一种真空红外定标辐射响应一致性方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
1)在红外定标阶段，红外辐射计信号响应函数的分解，
1-1)在红外定标阶段，冷空间信号扣除后的系统响应码值获取，
在星上黑体变温阶段以及面源黑体变温定标阶段下，获取冷空信号扣除后的星上黑体或者面源黑体系统响应码值
其中，CS表示红外定标中星上黑体变温定标阶段或面源黑体变温定标阶段，BB表示红外辐射计观测的星上黑体或面源黑体，Tm表示面源黑体物理温度，Tx表示星上黑体物理温度和探测头部温度，表示红外定标阶段CS、面源黑体物理温度Tm、星上黑体物理温度Tx以及探测头部温度Tx的BB黑体码值，表示红外定标阶段CS、面源黑体物理温度Tm、星上黑体物理温度Tx以及探测头部温度Tx的冷空码值；
1-2)在红外定标各阶段，红外辐射计信号响应函数的分解，
在红外定标中，红外辐射计探测头部和星上黑体同时变温，红外辐射计响应码值由三部分组成，包括基准工况码值、外部目标源辐射函数以及系统响应一致性函数，根据步骤1-1)，红外辐射计响应码值进行如下响应函数分解：
其中，面源黑体温度星上黑体温度以及探测头部温度作为红外辐射计红外定标的基准工况，是在基准工况下系统响应码值，H内(Tm,Tx)表示红外辐射计在面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx下系统响应一致性函数，H外(Tm,Tx)表示外部辐射源在面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx下的目标源辐射函数；
2)在星上黑体变温阶段，红外辐射计辐射响应一致性校正，
2-1)在星上黑体变温阶段，探测头部变温时系统响应一致性函数获取，
在星上黑体变温阶段，面源黑体控制在温度处，针对每一个探测头部温度点，红外辐射计都会对面源黑体进行辐射测量，根据步骤1-2)函数关系，面源黑体码值进行如下响应函数分解：
其中，在红外辐射计星上黑体变温定标阶段面源黑体温度条件下，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的面源黑体响应码值，是星上黑体温度及头部温度时的面源黑体响应码值，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的面源黑体辐射函数，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的系统响应一致性函数，面源黑体控制在温度处时，基于红外辐射计线性响应系统和高精度面源黑体控温系统，利用面源黑体温度处面源黑体响应码值，计算红外辐射计探测头部变温时系统响应一致性函数：
2-2)在星上黑体变温阶段，红外辐射计星上黑体辐射响应一致性校正，
在星上黑体变温阶段，红外辐射计探测头部和星上黑体同时变温，根据步骤1-2)函数关系，星上黑体码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在星上黑体变温定标阶段面源黑体温度时的变量，是星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时星上黑体响应码值，是星上黑体温度以及探测头部温度时的星上黑体基准工况码值，是星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体辐射函数，红外辐射计探测头部变温期间，在保证探测头部系统响应状态一致性的情况下，校正后的星上黑体响应码值表示为：
利用红外辐射计的系统响应一致性函数线性校正星上黑体变温定标阶段星上黑体响应码值，校正后的星上黑体响应码值是：
3)面源黑体变温阶段，红外辐射计辐射响应一致性校正，
3-1)面源黑体变温阶段，星上黑体辐射函数获取，
当探测头部和星上黑体控制在温度Tx时，面源黑体变温过程导致星上黑体温度和探测头部温度同时波动，其系统响应度发生变化，根据步骤1-2)函数关系，面源黑体变温阶段星上黑体响应码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在面源黑体变温定标阶段的变量，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体码值，是面源黑体温度星上黑体温度以及探测头部温度时的星上黑体基准工况码值，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的系统响应一致性函数，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体辐射函数，根据红外辐射计红外通道光谱响应函数、黑体能量光谱分布以及星上黑体发射率，计算不同星上黑体温度Tx对应的辐射能量N(Tx)，以扣除星上黑体温度波动对星上黑体测量的系统响应影响，具体的计算过程如下：
式中，νi为第i个波数，R(νi)为通道相对应的相对光谱响应，ε(vi)是星上黑体发射率，c1＝1.1910427×10-5mW/(m2sr1cm-4)，c2＝1.4387752cm1K1为辐射常数，在面源黑体变温阶段，星上黑体辐射函数计算如下：
其中，是星上黑体温度时的辐射能量，以上公式中的星上黑体发射率ε(vi)可以忽略不计；
3-2)面源黑体变温过程中，红外辐射计辐射响应一致性函数获取，
根据步骤3-1)中星上黑体响应函数分解公式以及星上黑体辐射函数扣除面源黑体变温阶段的星上黑体温度波动对星上黑体系统响应的影响，基于红外辐射计线性响应系统，获取红外辐射计辐射响应一致性函数
3-3)在面源黑体变温阶段，红外辐射计面源黑体辐射响应一致性校正，
根据步骤1-2)函数关系，在面源黑体变温阶段，面源黑体响应码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在面源黑体变温定标阶段的变量，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的面源黑体码值，是面源黑体温度星上黑体温度以及探测头部温度时的面源黑体基准工况码值，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的面源黑体辐射函数，针对面源黑体变温定标阶段的面源黑体码值，利用红外辐射计的系统响应一致性函数线性校正面源黑体码值，其校正后的面源黑体码值为：
4)在面源黑体辐射基准到星上黑体辐射传递过程中，红外辐射计定标状态辐射响应一致性校正，
根据步骤2-1)和步骤3-3)基准工况码值，以面源黑体变温阶段面源黑体码值为基准，计算面源黑体辐射标准传递到星上黑体过程中的定标状态一致性系数Υ：
利用定标状态一致性系数Υ对星上黑体变温阶段星上黑体码值进行线性校正，其校正后的星上黑体码值是：
通过以上红外定标数据处理方法，保证红外辐射计星上黑体变温和面源黑体变温阶段的系统响应度的一致性，以获取校正后的面源黑体码值和星上黑体码值
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的真空红外定标辐射响应一致性方法，基于红外辐射计线性响应系统、红外辐射计单一系统状态响应稳定性以及空间辐射基准源辐射稳定性，建立红外遥感载荷真空红外定标辐射传递过程中的辐射响应度一致性模型，保证红外定标各阶段数据的辐射响应一致性和准确性。针对红外遥感载荷及其星上黑体定标，本发明的真空红外定标辐射响应一致性方法，有效提高红外遥感载荷在轨红外辐射定标精度。
附图说明
以下结合附图和
具体实施方式
来进一步说明本发明。
图1为本发明中红外辐射计扫描顺序及位置示意图；
图2为本发明中红外辐射计真空红外定标方法原理图；
图3为本发明中真空红外定标辐射响应一致性方法原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对照附图并结合实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，在真空红外定标时，红外辐射计通过扫描镜依次接收冷空间、面源黑体以及星上黑体的辐射，光学接收孔径对准面源黑体，探测头部进行恒温控制，利用深冷黑体作为空间零辐射基准，标准面源黑体为目标。
如图2所示，通过改变面源黑体温度(辐射量)得到对应的系统输出信号码值，获取探测头部的定标系数，通过得到系统的定标系数、星上黑体信号码值、星上黑体测温铂电阻码值获取星上黑体测温铂电阻码值与其等效黑体温度之间的转换系数，这通过探测头部把面源黑体辐射标准引渡到星上黑体上。
在红外定标试验过程中，红外辐射计探测头部与星上黑体同时变温，具有相同的温度。获取的试验数据包括温度数据与信号数据，温度数据包括面源黑体温度、辐冷温度、星上黑体测温铂电阻码值以及头部温度，信号数据包括面源黑体、星上黑体和深冷空间。
如图3所示，该方法包括以下内容，
1)在红外定标阶段，红外辐射计信号响应函数的分解，
1-1)在红外定标阶段，冷空间信号扣除后的系统响应码值获取，
在星上黑体变温阶段以及面源黑体变温定标阶段下，获取冷空信号扣除后的星上黑体或者面源黑体系统响应码值
其中，CS表示红外定标中星上黑体变温定标阶段或面源黑体变温定标阶段，BB表示红外辐射计观测的星上黑体或面源黑体，Tm表示面源黑体物理温度，Tx表示星上黑体物理温度和探测头部温度，表示红外定标阶段CS、面源黑体物理温度Tm、星上黑体物理温度Tx以及探测头部温度Tx的BB黑体码值，表示红外定标阶段CS、面源黑体物理温度Tm、星上黑体物理温度Tx以及探测头部温度Tx的冷空码值。
1-2)在红外定标各阶段，红外辐射计信号响应函数的分解，
在红外定标中，红外辐射计响应码值由三部分组成，包括基准工况码值、外部目标源辐射函数以及系统响应一致性函数，根据步骤1-1)，红外辐射计响应码值进行如下响应函数分解：
其中，面源黑体温度300K、星上黑体温度10℃以及探测头部温度10℃作为红外辐射计红外定标的基准工况，是在基准工况下系统响应码值，H内(Tm,Tx)表示红外辐射计在面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx下系统响应一致性函数，系统头部污染、头部变温以及辐冷温度波动等因素影响将导致系统响应度发生变化，H外(Tm,Tx)表示外部辐射源在面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx下的目标源辐射函数，红外定标试验中该函数与面源黑体及星上黑体温度变化有关。
2)在星上黑体变温阶段，红外辐射计辐射响应一致性校正，
2-1)在星上黑体变温阶段，探测头部变温时系统响应一致性函数获取，
在星上黑体变温阶段，面源黑体控制在温度300K处，针对每一个探测头部温度点，红外辐射计都会对面源黑体进行辐射测量，根据步骤1-2)函数关系，面源黑体码值进行如下响应函数分解：
其中，在红外辐射计星上黑体变温定标阶段面源黑体温度300K条件下，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的面源黑体响应码值，是星上黑体温度10℃及头部温度10℃时的面源黑体响应码值，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的面源黑体辐射函数，是星上黑体温度Tx及头部温度Tx时的系统响应一致性函数，面源黑体控制在温度300K处时，基于红外辐射计线性响应系统和高精度面源黑体控温系统，利用面源黑体温度300K处面源黑体响应码值，计算红外辐射计探测头部变温时系统响应一致性函数：
2-2)在星上黑体变温阶段，红外辐射计星上黑体辐射响应一致性校正，
在星上黑体变温阶段，红外辐射计探测头部和星上黑体同时变温，根据步骤1-2)函数关系，星上黑体码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在星上黑体变温定标阶段面源黑体温度300K时的变量，是星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时星上黑体响应码值，是星上黑体温度10℃以及探测头部温度10℃时的星上黑体基准工况码值，是星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体辐射函数，红外辐射计探测头部变温期间，在保证探测头部系统响应状态一致性的情况下，校正后的星上黑体响应码值表示为：
利用红外辐射计的系统响应一致性函数线性校正星上黑体变温定标阶段星上黑体响应码值，校正后的星上黑体响应码值是：
3)面源黑体变温阶段，红外辐射计辐射响应一致性校正，
3-1)面源黑体变温阶段，星上黑体辐射函数获取，
当探测头部和星上黑体控制在温度Tx时，面源黑体变温过程导致星上黑体温度和探测头部温度同时波动，其系统响应度发生变化，根据步骤1-2)函数关系，面源黑体变温阶段星上黑体响应码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在面源黑体变温定标阶段的变量，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体码值，是面源黑体温度300K、星上黑体温度10℃以及探测头部温度10℃时的星上黑体基准工况码值，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的系统响应一致性函数，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的星上黑体辐射函数，根据红外辐射计红外通道光谱响应函数、黑体能量光谱分布以及星上黑体发射率，计算不同星上黑体温度Tx对应的辐射能量N(Tx)，以扣除星上黑体温度波动对星上黑体测量的系统响应影响，具体的计算过程如下：
式中，νi为第i个波数，R(νi)为通道相对应的相对光谱响应，ε(vi)是星上黑体发射率，c1＝1.1910427×10-5mW/(m2sr1cm-4)，c2＝1.4387752cm1K1为辐射常数，在面源黑体变温阶段，星上黑体辐射函数计算如下：
其中，N(10℃)是星上黑体温度10℃时的辐射能量，以上公式中的星上黑体发射率ε(vi)可以忽略不计。
3-2)面源黑体变温过程中，红外辐射计辐射响应一致性函数获取，
根据步骤3-1)中星上黑体响应函数分解公式以及星上黑体辐射函数扣除面源黑体变温阶段的星上黑体温度波动对星上黑体系统响应的影响，基于红外辐射计线性响应系统，获取红外辐射计辐射响应一致性函数
3-3)在面源黑体变温阶段，红外辐射计面源黑体辐射响应一致性校正，
根据步骤1-2)函数关系，在面源黑体变温阶段，面源黑体响应码值进行如下响应函数分解：
其中，以上变量是红外辐射计在面源黑体变温定标阶段的变量，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的面源黑体码值，是面源黑体温度300K、星上黑体温度10℃以及探测头部温度10℃时的面源黑体基准工况码值，是面源黑体温度Tm、星上黑体温度Tx以及探测头部温度Tx时的面源黑体辐射函数，针对面源黑体变温定标阶段的面源黑体码值，利用红外辐射计的系统响应一致性函数线性校正面源黑体码值，其校正后的面源黑体码值为：
4)在面源黑体辐射基准到星上黑体辐射传递过程中，红外辐射计定标状态辐射响应一致性校正，
基于红外辐射计固定工况下的辐射响应度不变性，利用面源黑体变温阶段与星上黑体变温阶段面源黑体300K温度处辐射测量数据，将辐射传递过程中的红外辐射计的响应度进行一致性校正。根据步骤2-1)和步骤3-3)基准工况码值，以面源黑体变温阶段面源黑体码值为基准，计算面源黑体辐射标准传递到星上黑体过程中的定标状态一致性系数Υ：
利用定标状态一致性系数Υ对星上黑体变温阶段星上黑体码值进行线性校正，其校正后的星上黑体码值是：
通过以上红外定标数据处理方法，如图3所示，保证红外辐射计星上黑体变温和面源黑体变温阶段的系统响应度的一致性，以获取校正后的面源黑体码值和星上黑体码值准确地计算红外辐射计在轨定标所需的辐射定标系数。
显然，上述实施例仅为了清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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