摘要：以辐射度学为理论基础，推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式，分析了影响两种照射方法定标结果的因素。通过相关的测试实验，数值估算了采用发散光照射方法为仪器进行辐照度定标时所引入的定标方法误差。计算结果表明，在假设平行光辐照度值均匀及发散光源为朗伯光源的情况下，采用发散光照射方法定标时所引入的定标方法误差小于1.2%。数值估算结果对于采用发散光照射方法为空间紫外遥感仪器进行光谱辐照度定标具有一定的指导意义。
1 引 言
空间紫外遥感仪器为我国第二代极轨气象卫星风云三号上的有效载荷。在轨运行期间它可以探测得到太阳紫外光谱辐照度和大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度，并通过太阳后向散射光谱辐亮度和太阳光谱辐照度的比值来反演大气中臭氧的含量和垂直分布。空间紫外遥感仪器是一台小型化、高精度的紫外-真空紫外光谱辐射计，无内定标标准光源，需要在飞行实验前进行地面辐射定标，其定标分为光谱辐照度定标和光谱辐亮度定标[1-3]。在光谱辐照度定标方面，由于遥感仪器在轨进行太阳紫外光谱辐照度测量时，太阳辐射以近似平行光方式照射仪器漫反射板，所以定标时应采用与在轨观测方式一致的平行光照射方法。美国 SBUV 系列臭氧监测仪器光谱辐照度定标装置中，光谱辐照度标准灯位于球面反射镜焦点，通过球面反射镜形成平行光束，辐照仪器漫反射板，标定仪器光谱辐照度响应度[4]。但目前对于我们来说，要准确测定球面反射镜的光谱反射率比较困难，会为平行光辐照度定标装置中引入约 3%~5%的测量误差。为了尽量减小定标装置中引入附加误差，拟采用标准灯发散光直接照射仪器漫反射板的方法进行光谱辐照度定标，但此照射方法与平行光相比，会为仪器最后的定标结果引入多大的定标方法误差(以下简称方法误差)。
由于难以准确测定球面反射镜的光谱反射率，获得平行光定标单元的光谱辐照度值，所以不能通过两种照射方法定标结果的比对来直接获得发散光定标所引入的方法误差。针对以上情况，本文以辐射度学为理论基础，推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式，分析了影响两种照射方法定标结果的因素。通过相关的测试实验，数值估算了采用发散光照射方法为仪器定标时所引入的方法误差，估算结果对采用发散光照射方法为空间紫外遥感仪器进行光谱辐照度定标具有一定的指导意义。
2 发散光照射方法
图1为发散光照射方法标定仪器光谱辐照度响应度的示意图。定标光源为美国 NIST 的光谱辐照度标准石英卤钨灯F582，发光点尺寸约6 mm×20 mm;考虑到标准光源的辐射强度、仪器的响应度及信噪比，拟定光源发光中心与漫反射板视场中心的距离为500 mm。图2 为仪器漫反射板发散光照射示意图，其中α平面为漫反射板平面，面积为70 mm×52 mm。β平面为虚构平面，它与发散光的中心入射光线垂直并通过漫反射板的视场中心，α平面与β平面夹角为45°。浅色阴影区域Sα位于α平面内，为仪器孔径光阑在漫反射板上的投影，呈梯形，是仪器在轨进行太阳观测时的有效视场;深色阴影区域 Sfβ位于β平面内，为光源O 和平面 Sα周边的连线与β面交点所围成的平面，与Sα面具有相同的立体角。
发散光照射时，空间紫外遥感仪器的光谱辐照度响应度表示为：
3 平行光照射方法
图3 为平行光照射方法标定仪器光谱辐照度响应度的示意图。图4 为仪器漫反射板平行光照射示意图，物理意义与发散光情况相同。根据式(3)，平行光定标时，空间紫外遥感仪器的光谱辐照度响应度可表示为
4 影响定标结果的因素
根据式(3)、式(4)，两种照射方法定标结果的相对偏差可表示为
当发散光定标距离为500 mm 时，标准光源可近似按点光源处理，按文献[5]中的计算方法，这种近似引入的误差仅为0.03%，可忽略;平行光光源也可以看成是无限远处点光源，根据点光源对微面元的辐照度关系2E =Icos θ/l[5]，有
由式(7)可知，影响两种照射方法定标结果的因素有以下四点：1) 发散光在βfS 平面及有效视场αS 平面上的光谱辐照度值不均匀;2) 平行光在βpS 平面及有效视场αS 平面上的光谱辐照度值不均匀;3) 由于平行光平行入射，发散光倾斜入射，导致仪器有效视场αS 在 β 平面上的投影βfS 及βpS 的面积大小不同;4) 由于发散光和平行光照射方法的不同，仪器在有效视场内同一面元处的辐射通量响应度不同。
5 数值估算
假设平行光光源的辐照度值均匀，那么其在平面内的非均匀照射修正因子
中心处的归一化值(忽略归一化值随波长的变化)。由于仪器漫反射板并不是理想朗伯体，其通量反射比随通量入射角度的改变而改变，且有效视场内不同面元处可能存在通量响应的不均匀性，所以的值需根据实际测试结果得到。
以平行光照射方法为例，测试原理如图5 所示。首先利用滨松公司Φ4 mm 硅光电二极管探测器、静电计和中心波长365 nm 窄带滤光片(光谱带宽20 nm)构成滤光片型光谱辐射计，测量平行光定标单元不同位置处的辐射通量均匀性;然后在同一位置处，用Φ4 mm 圆孔光阑取代硅光电二极管(保证圆孔光阑处入射通量不变)，放置在仪器漫反射板前端，通过移动光阑位置，实现空间紫外遥感仪器对漫反射板有效视场内不同面元处辐射通量的读出值测量。利用辐射通量均匀性测试结果修正辐射通量读出值结果，再将读出值结果向( 0°, 0°)处作归一化，即可得到R( x,y)p′′α的值。发散光的测试过程与平行光相同。我们对分别进行了三次测量，任意面元处，重复性误差均小于三次测试结果的平均值如表3、表4所示。
6 结 论
以辐射度学为理论基础，推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式，分析了影响两种照射方法定标结果的因素。通过相关的测试实验，数值估算了采用发散光照射方法为仪器进行辐照度定标时所引入的定标方法误差。计算结果表明，在假设平行光辐照度值均匀及发散光源为朗伯光源的情况下，采用发散光照射方法定标时所引入的定标方法误差小于 1.2%。数值估算结果对于采用发散光照射方法为空间紫外遥感仪器进行光谱辐照度定标具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] Donald F Heath. Large aperture spectral radiance calibration source for ultraviolet remote sensing instruments [J]. SPIE，2003，4891：335-342.
[2] Heath D F，Wei Z. Comparability of spectral radiance calibrations of large aperture earth observing instruments based upondiffuse reflective panels and internally illuminated spherical integrator techniques [J]. SPIE，1994，2209：148-159.
[3] 邢进，王淑荣，李福田. 利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计 [J]. 光学 精密工程，2006，14(2)：185-190.XING Jin ， WANG Shu-rong ， LI Fu-tian. Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensingspectroradiometer in sPACe using integrating sphere[J]. Optics and Precision Engineering，2006，14(2)：185-190.
[4] WEI Zong-ying，Kevin Kelly，Jamie Prall-Kaliher. Specification Compliance and Calibration Data Book for SBUV/2 FlightUnit #8 (S/N 009) [R]. IN021-A-061.
[5] 金伟其，胡威捷. 辐射度、光度与色度及其测量 [M]. 北京：北京理工大学出版社，2006：30-34.JIN Wei-qi，HU Wei-jie. Radiometry、luminosity、colourometry and measurement [M]. Beijing：Beijing Institute ofTechnology Press，2006：30-34.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40675083)
作者简介：张振铎(1982-)，男(汉族)，吉林长春人，博士研究生，主要从事空间紫外遥感技术与辐射定标方面的研究。E-mail：zhenduo69@163.com
