针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求, 基于近距离扩展源照明方法设计了400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m2·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm, 出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计, 利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布, CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为22262 W/(m2·sr), 通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试, 分析了定标光源的测量不确定度为357%。实验结果表明: 该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要, 并可实现智能程控化控制, 提高了定标测试精度。

对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求.进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量.辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标.星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正.定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正.

为了定量评估影响时间延迟积分(TDI)CCD空间相机信噪比的因素,研究了TDICCD空间相机成像机理和噪声来源,建立了相机的信噪比模型.分析了辐射亮度、积分级数、行频和系统增益(模拟增益)对信噪比的影响.搭建了实验室辐射定标系统,模拟了相机在轨工作时的辐射亮度条件.通过辐射定标对不同工作参数与相机信噪比的关系进行了验证.结果表明:对于TDICCD相机来说,光子散粒噪声、暗电流噪声和固定图形噪声在诸多噪声中起主导作用.相机的输出信号和信噪比均随着辐射亮度、积分级数和系统增益的增加而增大,随着行频的增加而减小.辐射亮度、积分级数、行频和系统增益对信噪比的影响量不同.具体来说,即当辐射亮度、积分级数和行频变化量分别为L倍、M倍、τ倍时,其导致的信噪比变化量略大于L1/2倍、M1/2倍、τ-1/2倍.系统增益只能在相对较小的范围内影响信噪比,且信噪比变化幅度随着增益的提高逐渐减小.

介绍了一种以半导体发光二极管(LED)和溴钨灯为光源的光谱可调谐地面景物光谱辐射源, 及其系统结构和控制系统设计。利用地物光谱辐射源模拟了大量不同地物光谱, 在控制系统中建立了地物光谱数据库, 引进了改进型遗传算法匹配出了光谱数据库中的500余种地物光谱。进而详细分析了几种典型地物的光谱匹配相似度, 平均光谱匹配误差以及全波段, 红, 绿, 蓝和近红外波段光谱匹配相似度。目标辐亮度为50W·(m2·sr)-1时, 地物光谱辐射源平均光谱匹配误差在10%以内, 最低可达6.0%;全波段光谱匹配相似度高于0.895, 最高可达0.983;对于同一景物光谱红、绿、蓝和近红外波段(特别是绿光和近红外波段)光谱匹配相似度低于全波段, 绿光和近红外波段光谱匹配相似度与红光和蓝光波段相比, 最大低幅为50%。地物光谱辐射源能够用于光学遥感器的辐射定标, 能有效解决光学遥感器的工作目标与定标光源光谱不匹配造成的定标误差。

为解决反射式拼接 CCD相机成像渐晕问题, 依据辐射定标理论采用多亮度点渐晕图像校正算法处理渐晕图像。首先, 针对典型的反射镜拼接方式, 分析了成像时产生渐晕的原因; 然后, 根据实验室多亮度等级下成像结果, 得出拼接 CCD渐晕区各像元数码输出值与入瞳处辐射亮度成线性关系的结论; 最后, 应用多亮度点校正算法, 计算出渐晕区各像元的渐晕校正因子, 校正渐晕图像。实验结果表明: 对非均匀性大于 10%的多幅原始渐晕拼接图像, 校正后, 图像的非均匀性下降到 0.5%以内, 可满足反射镜拼接 CCD相机非均匀性指标要求。

针对星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响，设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器，采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标，大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理；根据设计指标确定了星模拟器的设计方案，主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题；对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试：0等星4000K和3等星7000 K 星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%，星等等级分别为0.03和2.93；光源稳定后，多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ 100 mm 口径内的照度非均匀度为6.5%，均满足设计指标。

为现场测量大型透明件的透光率和雾度，提出了基于双积分球结构的测量和系统参数标定方案，并设计研制了相应的透光率和雾度测量装置。该装置通过六维机械调整装置完成光路调整，基于LED光源的照明准直系统产生调制平行光，最后采用双积分球结构的探测接收装置并结合锁相放大技术，实现光电信号的解调。测试结果表明，该装置对透光率测量的绝对误差不超过1%，对雾度测量的绝对误差不超过0.3%，符合工程应用对系统测量精度提出的要求。另一方面，装置具有很好的重复性，其对透光率和雾度测量的相对标准差分别为0.06 %和0.05%。

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响, 设计了一种基于发光二极管(LED)和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱, 用于遥感器的实验室绝对辐射定标, 大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先, 从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理; 然后, 根据设计指标确定了光源的设计方案, 解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题; 最后, 对光源进行了性能测试。测试结果显示: 等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%, 出光口的辐照度非均匀度为053%, 30 min内的辐照度不稳定度为0.03%, 水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%, 各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/(m2·sr·nm), 410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/(m2·sr), 均满足设计指标。

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求, 基于琼斯法设计了一种在400～900 nm波段积分辐亮度为6 800 W/(m2·sr)的高亮度积分球定标光源。对该光源的热设计表明: 采用水冷散热的方式能够满足高亮度积分球定标光源的散热需求。实验表明, 该定标光源在400～900 nm波段范围内积分辐亮度达到6 714 W/(m2·sr), 经过散热后积分球球体温度场分布满足定标要求, 可应用于工程实践。

针对空间光学相机重要组成部分的CCD成像电子学单元的光电参量测试需求，介绍了CCD成像电子学单元光电参量测试必要性，提出了对CCD成像电子学单元光电参量进行系统测试的试验方案，并设计、研制了测试装置。对于该装置进行了系统调试与标定，得到单色仪波长定标系数为1.003 29，并对CCD成像电子学单元辐射性能测试中积分球的稳定性及均匀性进行了测试，测试结果满足要求。通过标准探测器标定待测探测器，得到待测探测器的相对光谱响应度。整套装置满足测试要求。