多角度偏振辐射计星上定标光源

    0 引 言

    地球表面和大气中的任何目标在反射、 散射、透射、 吸收和发射电磁波的过程中会产生由其自身特性所决定的特殊偏振信息， 某些物质的偏振特性差异明显。 与常规方法相比，通过检测目标光辐射的偏振特性和光谱特性，可获得目标的更多细节，实现目标识别和分类^[1-2]；此外 ，还可用于大气遥感的研究^[3]和土壤含水量测量^[4]等，从而可以更准确地实现目标的识别和分类。多角度偏振辐射(以下简称辐射计)计是用来获取目标多角度偏振信息的遥感测量仪器。

    辐射计在发射前必须经过辐射定标才能保证该仪器运行时测量的数据真实可信。众所周知，仪器的性能通常随着光学元件和电子元件的老化以及空间环境的变化而变化，所以，发射前定标不是一劳永逸的。辐射计存在性能稳定问题，而且地面定标设备不能完全模拟空间环境的情况，所以星上定标，即在飞行中对辐射计的输出数据进行定量化校准是十分必要的。

    光学仪器的辐射定标需要有一个具有适当亮度的稳定光源。 光学仪器的定标技术分为绝对定标和相对定标。 前者是指利用太阳作为标准光源实现仪器的定标； 后者是指利用人造的适当亮度的稳定光源对仪器定标，包括辐照度标准灯定标、漫反射板定标和积分球定标 3 种。 近年来，利用内置卤钨灯的积分球进行辐亮度定标的新方法被提出，它消除了漫反射板的影响，极大地降低了定标的不确定度。 美国国家航空与航天管理局(NASA)发射的地球观测系统(EOS)中的地球观测扫描偏振计(EOSP)采用积分球定标技术^{[ 5 ]}将一个稳定性优于2%的灯放入积分球内 ，对该仪器定标 ，偏振定标的绝对精度优于 0.2%。 NASA 发射的其他偏振 计 ， 如气溶胶偏光传感器(APS)及其机载类型———研究型扫描偏光计(RSP)均采用积分球定标技术^{[ 6 ]}。 文中介绍的多角度偏振辐射计的定标也是基于该技术。

    1 原理与设计

    1.1 工作原理

    辐射计星上定标器由光机和电路两部分构成。光机部分由积分球及其附属部件构成，包括外壳、朗伯发射器、光源等结构；电路由电源、控制电路、恒流源电路和反馈电路 4 个部分构成。 星上定标器组成框图示见图 1。

    1.2 光机部分的设计

    星上定标器的光机部分由外壳、 朗伯发射器和光源构成。 外壳用于朗伯发射器和光源的固定与防护，朗伯发射器和光源是定标器的主要功能部件，光源安装在朗伯发射器内。 光源发光时，光线经过朗伯发射器内表面的多次反射，在出射口形成均匀的辐亮度面光源。 出射辐亮度为 0.2~0.3 太阳常数(550nm)，开口亮度均匀性达到 95%。朗伯发射器为内腔空心的球形结构， 球壁上开口，用于光源输出。 由于电光源含有一定的偏振光，这就要求朗伯发射器所使用的漫反射材料具有一定的解偏能力，使得出射光非偏振。 不同的材料解偏能力不同， 因此在设计时应选择解偏能力强的漫反射材料。 此设计中的朗伯发射器内壁选用聚四氟乙烯材料制作，其使用波段范围的反射率达到 97%。 聚四氟乙烯具有解偏能力好、反射率高、朗伯性好等特点，同时满足航空航天仪器的设计要求。 根据解偏及均匀性、一致性要求，积分球内直径设计为 138 mm，光源位于前半球的 45°位置，设计的朗伯发射器如图 2 所示。