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风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

2020.10.06

摘要：综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案, 描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190 K~340 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50 mK@300 K/10 μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2 cm^-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。

关键词：风云气象卫星红外遥感亮度温度定标黑体国家计量标准

Vacuum radiance temperature national standard facility for Infrared remote sensors of Chinese Fengyun meteorological satellites

HAO Xiao-peng¹, SONG Jian¹, SUN Jian-ping¹, XU Min², YUAN Zun-dong¹, LIU Zeng-lin¹

Abstract:The state-of-the art of the typical national standard vacuum radiance temperature facilities for infrared remote sensing in America, Germany, and Russia were introduced. Especially, the Vacuum Radiance Temperature National Standard Facility (VRTSF) developed by National Institute of Metrology of China for calibrating the radiance temperature of Chinese Fengyun meteorological satellite was described in detail. The design scheme of the VRTSF was given and its structure and optical path were introduced. The vacuum reduced background chamber for the big aperture blackbody was built to calibrate the infrared remote sensor, and the standard value of the radiance temperature was transmitted from the standard blackbody to the customer blackbody by a Fourer Transform Infrared Radiometer(FTIR). The temperature range of the standard blackbody is from 190 K to 340 K with a diameter of 30 mm and emissivity of 0.9999 in a cavity. The uncertainty of this blackbody is 5 050 mK@300 K/10 μm. The wavelength range of the VRTSF is 1 μm to 1 000 μm and its resolution is 0.2 cm^-1,which supports the requirements of lots of infrared remote sensing. The VRTSF built at the NIM China is characterized by higher uncertainty, higher spectral resolution and stronger expansibility. The temperature range of the VRTSF will expand to 100 K-500 K in future, which can meet the requirements for calibration of the most of infrared remote sensing instruments.

Key words: FY meteorological satellite infrared remote sensing radiance temperature calibration blackbody national standard

1 序言

风云气象卫星的研制工作始于20世纪70年代，经历了三十多年的发展，目前实现了4个系列9颗卫星的发射和正常工作，成为了世界气象卫星观测系统的重要组成部分。随着全球气候变化的加剧，天气预报、环境监测对气象卫星观测系统的测量精度的要求越来越高。例如，目前对于光谱辐亮度和海洋表面温度监测的不确定度要求为0.1 K和每10年0.04 K的稳定性，相对于对地观测系统红外谱段的稳定性优于0.01 K^[1]。

目前，对风云气象卫星红外谱段的亮度温度不确定度要求也在不断提高，已经由1 K提高到现在的0.7 K，未来10年将会提高到0.1 K。随着我国对地观测卫星的不断发展和风云系列卫星数据质量的大幅提升，我国的对地观测系统的发展趋势由定性测量到定量测量，由局部观测到全球观测，由单参量观测到复杂参量协同观测，对地观测数据系统的各载荷的量值需统一单位，即国际单位(SI)，因此建立红外遥感亮度温度国家标准装置，实现我国红外遥感亮度温度的有效溯源具有重要意义。

国际上在红外遥感亮度温度标准方面做了大量的研究工作。美国标准技术研究院为红外遥感载荷的定标研制了中温背景红外亮度温度标准装置^[2]、低温背景红外亮度温度标准^[3]和红外传递辐射计等标准装置等^[4]，并且为了满足气候变化监测计划项目CLARREO高精度的定标需求，研发了新一代红外亮度温度标准^[5]。德国物理技术研究院作为欧洲对地观测项目红外定标标准的研究单位，研制了真空低背景红外亮度温度标准装置^[6]，并完成了欧洲局地观测项目传感器的标定工作^[7, 8]。俄罗斯全俄光学计量院研制了真空红外标定装置和真空标准黑体辐射源^{[9, 10, 11, 12]}。

中国计量科学研究院作为国家最高计量科学研究中心和国家量值体系的源头，于2013年开始了红外遥感亮度温度标准装置的研制工作，提出了围绕国产遥感卫星红外亮度温度标准的研究方案，规划了红外亮度温度量值传递体系，目的是为我国红外遥感卫星亮度温度提供计量标准器。

本文在系统地介绍国际上红外遥感亮度温度标准装置研究进展的基础上，详细阐述了中国计量科学研究院研制的红外遥感亮度温度国家标准的系统组成、工作原理、标准黑体的设计和技术指标，以及高光谱分辨的量值传递方法等。

2 红外遥感亮度温度标准研究现状2.1 德国物理技术研究院(PTB)真空低背景红外亮度温度标准装置

德国PTB研制了真空低背景红外遥感亮度温度标准装置(RBCF)，建立了温度在100~703 K，波长为1~1 000 μm的红外亮度温度标准，其变温黑体的空腔开口直径为20 mm，发射率大于0.999 6，温度稳定性小于0.1 K，系统如图 1所示^[6, 7, 8]。

RBCF建立了以铟(429.748 5 K)和镓(302.914 6 K)固定点黑体作为参考黑体源，由低温变温黑体(100~ 450 K)和中温变温黑体(423~703 K)组成的温度覆盖100~703 K的真空红外亮度温度标准黑体，通过高分辨真空型傅里叶光谱仪和8~14 μm真空红外辐射温度计组成的传递仪器的量值传递体系，如图 2所示。其中傅里叶光谱仪采用德国布鲁克Vertex 80 V，其配备的近红外、中红外和远红外检测器分别为InSb、MCT和Si-辐射热测定器。低温变温黑体的合成不确定度为(k=1)0.029K@300 K/10 μm。

2.2 美国标准技术研究院(NIST)控制背景光谱辐射计和光谱光度计测量系统(CBS3)

美国NIST为气候绝对亮度和反射观测计划(CLARREO)研制了一套控制背景光谱辐射计和光谱光度计测量系统，如图 3所示^[5]。通过可控温的真空舱实现不同温度背景的控制，固定点黑体和变温黑体均采用可分离的方式，具有较好的扩展性。其固定点黑体由汞(234.315 6 K)、水(273.160 0 K)和镓(302.914 6 K)固定点黑体组成，口径均为25 mm。而变温黑体由液氮冷却黑体77~203 K、酒精浴槽黑体188~348 K、水浴槽黑体278~348 K和水热管黑体328~523 K等4个变温黑体辐射源组成，是温度覆盖77~523 K的标准黑体，其空腔口径为38 mm。该系统已经完成了所有的系统设计，由于经费原因推迟实施。

美国NIST的CBS3系统实现了以固定点黑体为参考辐射源，以变温黑体作为工作标准器，以傅里叶光谱仪和光谱传递辐射计作为传递仪器的量值传递体系，其量值传递链如图 4所示。

2.3 俄罗斯全俄光学计量研究所(VNIIOFI)低温红外亮度温度标准装置

俄罗斯VNIIOFI的真空红外亮度温度标准装置覆盖的温度为213~353 K，其采用波长为2.5~14 μm的滤光片辐射计作为传递仪器，其装置示意如图 5所示^[9]。变温黑体辐射源空腔开口直径为30 mm，空腔发射率为0.999 9，温度计分度不确定度为0.01 K。镓固定点黑体辐射源空腔开口直径为20 mm，发射率为0.999 9，温度复现性为0.2 mK。建立了由镓固定点黑体到变温黑体的量值传递链。

3 中国计量科学研究院(NIM)红外亮度温度标准装置(VRTSF)3.1 系统结构

中国NIM为我国风云气象卫星红外遥感载荷研究建立了红外亮度温度标准装置，如图 6所示。该装置采用液氮冷却真空实验舱和真空测量光路实现低温度背景的工作环境，标准黑体的温度覆盖190~340 K，满足我国风云气象卫星红外载荷定标黑体的量值溯源需求。我国在研和未来规划的红外遥感仪器覆盖的温度为100~500 K，某些特殊型号仪器上限达到700 K，为此VRTSF会进一步扩展温度至100~700 K，基本满足我国红外遥感载荷定标黑体的量值溯源的实际需求。该装置由被校黑体真空低温舱、光路切换舱、真空标准黑体辐射源、液氮冷却“零点”黑体、真空低温光路、傅里叶光谱仪测量系统和真空抽气系统等组成。系统的结构和参数如表 1所示。

3.2 被校黑体真空低温舱

用于放置被校黑体的真空低温舱的内部有效直径为850 mm，长度为1 000 mm，满足直径750 mm以内的大口径黑体的量值溯源需求。该舱具有液氮冷却的热沉，内表面喷高发射率黑漆涂层，以此来降低背景辐射。舱内还设置了可以推拉的平台，用于被校黑体的支撑和位置调节。

3.3 光路切换舱

光路切换舱主要作用是实现被校黑体真空低温舱、标准变温黑体、固定点黑体和液氮冷却零点黑体与红外光谱仪测量光路的连接，并通过旋转平面镜实现辐射源光路切换。该舱采用液氮浸泡热沉的方式保障内壁温度在液氮温度，光路切换如图 7所示。

3.4 真空标准变温黑体辐射源

标准黑体辐射源为真空红外亮度温度的量值标准器，结构如图 8所示。其覆盖的温度为190~340 K，采用德国劳达RP890C恒温循环器控制空腔温度，其黑体空腔开口直径为30 mm，空腔内径为40 mm，底部采用60°锥角，空腔深度为300 mm。空腔内部喷涂高发射率黑漆Nextel Velvet 811-21。通过蒙特卡罗软件STEEP3计算，当黑漆涂层发射率为0.95时，空腔发射率达0.999 9^[13]。空腔前、中和后部分别设置了9个测温点，采用高精度的铂电阻温度计来监测黑体空腔温度均匀性，腔底采用标准铂电阻温度计作为黑体的标准温度值。温度计的电阻由Fluke高分辨测温电桥1595A采集。利用内径为10 mm的铜管嵌入黑体空腔的外壁，并且采用金属锡固定，提高导热性。黑体空腔外部由喷金的防辐射屏和聚四氟乙烯构成，在提供支撑的同时，也降低了黑体温度与外壳温度的相互影响。

3.5 液氮冷却零点黑体辐射源

液氮冷却零点黑体辐射源利用真空内置杜瓦瓶，将黑体空腔浸泡在液氮中，并与真空隔离，使其保持液氮温度，以此作为傅里叶光谱仪的参考零点。其黑体空腔口径为30 mm，内径为40 mm，腔深为250 mm，腔底采用倒锥的形式，锥角为75°。通过蒙特卡罗软件STEEP3计算，当黑漆涂层发射率为0.95时，空腔发射率可达0.999 7^[13]。

3.6 真空低温光路

真空低温光路采用平面反射镜和离轴椭球镜组成的低温光路，离轴椭球镜采用口径为170 mm，厚度为10 mm的高纯度无氧铜，焦距分别为2 758 mm和1 400 mm，夹角为40°，离轴量为597.12 mm，顶点曲率半径R=-1 642 mm，表面镀金处理。该光路系统可收集黑体辐射源的光谱辐射信号，并将其反射汇聚进入真空傅里叶光谱仪中。光路切换舱和离轴镜舱之间的真空管路采用液氮冷却，并且设置多个液氮冷却的光阑来降低杂散光的影响。

3.7 真空傅里叶光谱仪

傅里叶光谱仪采用德国布鲁克Vertex 80V真空型傅里叶光谱仪，光谱分辨率为0.2 cm^-1，光谱为1~1 000 μm，主要的检测器有DTGS非制冷型检测器，InSb和MCT等液氮制冷型检测器，以及Si-辐射热测定器液氦制冷型远红外检测器。光谱仪与真空系统采用金刚石窗片隔离。

3.8 真空抽气系统

真空抽气系统采用德国莱宝的磁悬浮分子泵MAG2200和涡旋干泵SC60D，抽速分别为2 200 L/s和60 m³/h。可以满足真空舱无油污和1×10^-3 Pa真空度的要求。

3.9 量值传递体系

2015年底，中国计量科学研究院将建立由真空变温黑体作为标准器，由傅里叶光谱仪作为传递仪器的真空低背景红外遥感亮度温度标准传递体系。为满足我国在研和规划红外相机的定标需求，未来3年将进一步扩展标准黑体辐射源的温度至100~500 K，研制汞、镓和铟固定点黑体辐射源作为参考标准器，研制覆盖100~500 K的真空变温黑体辐射源和真空红外辐射温度计，形成我国红外亮度温度量值传递体系，如图 10所示。

2015年上半年装置整体安装和调试、标准黑体辐射源的性能测试、光谱仪的实验测试和不确定度评定等实验验证。2015年底将完成装置验收，并且为我国风云气象卫星红外遥感定标黑体和星上黑体提供量值校准服务。

4 结论

本文系统地介绍了国际上红外遥感亮度温度标准装置的研究进展，阐述了NIM研制的VRTSF红外遥感亮度温度标准装置的详细情况，其温度覆盖190~340 K，光谱为1~1 000 μm，不确定度为50 mK@300 K/10 μm(k=2)。该装置与其它国家计量院的标准装置相比，具有扩展性强，标定黑体口径大，不确定度水平高等特点，为我国红外遥感量值水平提高和国际等效提供了重要保障。

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