Experimental characteristics and measurement accuracy evaluation of space cryogenic absolute radiometric primary benchmark

Xiao-long YI; Wei FANG; Yan-dong LIN; Yu-peng WANG; Nan XU; Long SUI; Liu-biao CHEN; Zhi-wei XIA; Kai WANG; Xin YE

doi:10.37188/OPE.20212901.0010

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Experimental characteristics and measurement accuracy evaluation of space cryogenic absolute radiometric primary benchmark

Modern Applied Optics | 更新时间：2021-02-04

- Experimental characteristics and measurement accuracy evaluation of space cryogenic absolute radiometric primary benchmark
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 1, Pages: 10-20(2021)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国计量科学研究院，北京 100029
  3.中国科学院低温工程学重点实验室（理化技术研究所），北京 100190
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212901.0010
  CLC： O536;P414.5
- Received：18 September 2020，
  
  Revised：14 October 2020，
  
  Published：15 January 2021
- 稿件说明：
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衣小龙,方伟,林延东等.空间低温绝对辐射初级基准实验特性及测量精度评估[J].光学精密工程,2021,29(01):10-20.

YI Xiao-long,FANG Wei,LIN Yan-dong,et al.Experimental characteristics and measurement accuracy evaluation of space cryogenic absolute radiometric primary benchmark[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):10-20.
衣小龙,方伟,林延东等.空间低温绝对辐射初级基准实验特性及测量精度评估[J].光学精密工程,2021,29(01):10-20. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0010.

YI Xiao-long,FANG Wei,LIN Yan-dong,et al.Experimental characteristics and measurement accuracy evaluation of space cryogenic absolute radiometric primary benchmark[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):10-20. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0010.

摘要

高精度星上辐射基准的建立是提升在轨辐射定标精度的主要技术手段，本文开展了溯源至国际基本单位制（SI）的空间低温绝对辐射基准研究。自主研制高灵敏度低温绝对辐射探测器，设计高热阻的探测器与冷指连接结构以提升灵敏度，通过多级精密温控建立优于0.4 mK的高稳定热环境。采用大冷量两级脉冲管制冷机，通过压缩工质气体的斯特林循环获得20 K的深低温工作环境。建立低温绝对辐射测量链路，评估测量不确定度，并与国家计量科学研究院的基准低温辐射计进行对比。实验结果表明：空间低温绝对辐射计实验样机的灵敏度达到3 565 K/W，对0.4 mW量级激光功率的测量重复性达到0.017%，相对标准不确定度为0.029%；与基准低温辐射计的归一化偏差为0.4，验证了不确定度评估结果的有效性。该工作为研制空间低温绝对辐射计奠定关键技术基础，对基于绝对探测器的在轨辐射定标方法研究具有重要意义。

Abstract

The establishment of a high-precision onboard radiometric benchmark is the primary technical means to improve on-orbit radiometric calibration accuracy. The space cryogenic absolute radiometric benchmark traced to the SI has been researched. First， a high-sensitivity cryogenic absolute radiation detector was developed. A high-thermal-resistance heat transfer structure was designed to connect the detector and cold finger to improve sensitivity. A highly stable thermal environment， better than 0.4 mK， was established by multistage precise temperature control. Then， a two-stage pulse tube cooler with a large cooling capacity was used to obtain a working environment of 20 K through a Stirling cycle in which the working fluid gas was compressed. Second， an absolute radiation measurement link was built to evaluate the measurement uncertainty. Finally， an indirect comparison was carried out using the reference cryogenic radiometer of the National Institute of Metrology of China. The experimental results illustrate that the sensitivity of the space cryogenic absolute radiometer experimental prototype was 3 565 K/W， the repeatability of 0.4 mW laser power measurement was 0.017%， and the relative standard uncertainty was 0.029%. The normalized deviation of the benchmark cryogenic radiometer was 0.4， and the validity of the uncertainty evaluation results was verified. The research lays a key technical foundation for the development of space cryogenic absolute radiometers. It is important to examine on-orbit radiometric calibration methods based on absolute detectors.

关键词

Keywords

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LOEB N G ， WIELICKI B A ， DOELLING D R ， et al . . Toward optimal closure of the earth's top-of-atmosphere radiation budget ［J］. Journal of Climate ， 2009 ， 22 （ 3 ）： 748 - 766 .

SCHLIFKOWITZ U ， FINSTERLE W ， SCHMUTZ W . Development of a phase-sensitive absolute radiometer for space and ground-based use ［J］. Noordwijk ， 2005 ： 467 - 469 .

BAUM B A ， WIELICKI B A . Cirrus cloud retrieval using infrared sounding data： multilevel cloud errors ［J］. Journal of Applied Meteorology ， 1994 ， 33 （ 1 ）： 107 - 117 .

MCCLAIN C R ， SIGNORINI S R ， CHRISTIAN J R . Subtropical gyre variability observed by ocean-color satellites ［J］. Deep Sea Research Part II： Topical Studies in Oceanography ， 2004 ， 51 （ 1/2/3 ）： 281 - 301 .

孙林，鲍金河 . 航空成像光谱仪的发展和在侦察中的应用［J］. 遥感信息， 2010 ， 25 （ 6 ）： 115 - 119 .

SUN L ， BAO J H . Study on imaging spectrometer in the applications of aviation imaging reconnaissance ［J］. Remote Sensing Information ， 2010 ， 25 （ 6 ）： 115 - 119 . （in Chinese）

王跃明，郎均慰，王建宇 . 航天高光谱成像技术研究现状及展望［J］. 激光与光电子学进展， 2013 ， 50 （ 1 ）： 010008 .

WANG Y M ， LANG J W ， WANG J Y . Status and prospect of space-borne hyperspectral imaging technology ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2013 ， 50 （ 1 ）： 010008 . （in Chinese）

BARNES R A ， BARNES W L ， LYU C H ， et al . . An overview of the visible and infrared scanner radiometric calibration algorithm ［J］. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology ， 2000 ， 17 （ 4 ）： 395 - 405 .

王玉鹏，胡秀清，王红睿，等 . 可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 7 ）： 1807 - 1812 .

WANG Y P ， HU X Q ， WANG H R ， et al . . Standard transfer chain for radiometric calibration of optical sensing instruments with traceability in solar reflective bands ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2015 ， 23 （ 7 ）： 1807 - 1812 . （in Chinese）

庞伟伟，郑小兵，李健军，等 . 低温绝对辐射计不同定标光路的比对实验［J］. 红外与激光工程， 2016 ， 45 （ 3 ）： 0317004 .

PANG W W ， ZHENG X B ， LI J J ， et al . . Comparison experiment of cryogenic radiometer of different calibration optical path ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2016 ， 45 （ 3 ）： 0317004 . （in Chinese）

KOPP G ， HEUERMAN K ， HARBER D ， et al .. The TSI Radiometer Facility： absolute calibrations for total solar irradiance instruments ［C］. Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 6677 ， Earth Observing Systems XII ， San Diego ， California ， USA ， 2007 ， 6677 ： 667709 .

ZENG J ， YOON H W ， EPPELDAUER G P ， et al . Spectral irradiance responsivity calibration of InSb radiometers using the improved IR-SIRCUS at NIST ［J］. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering ， 2009 ， 7453 ： 74530 N- 74530N-12 .

SCHUSTER M ， NEVAS S ， SPERLING A . Validation of short-pulse-laser-based measurement setup for absolute spectral irradiance responsivity calibration ［J］. Applied Optics ， 2014 ， 53 （ 13 ）： 2815 - 2821 .

HU X Q ， XU N ， WENG F Z ， et al . . Long-term monitoring and correction of FY-2 infrared channel calibration using AIRS and IASI ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2013 ， 51 （ 10 ）： 5008 - 5018 .

LEI N ， WANG Z P ， XIONG X X . On-orbit radiometric calibration of Suomi NPP VIIRS reflective solar bands through observations of a sunlit solar diffuser panel ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2015 ， 53 （ 11 ）： 5983 - 5990 .

MURAKAMI H ， TADONO T ， IMAI H ， et al . . Improvement of AVNIR-2 radiometric calibration by comparison of cross-calibration and onboard lamp calibration ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2009 ， 47 （ 12 ）： 4051 - 4059 .

漆成莉，周方，吴春强，等 . 风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 4 ）： 747 - 755 .

QI CH L ， ZHOU F ， WU CH Q ， et al . . Spectral calibration of Fengyun-3 satellite high-spectral resolution infrared sounder ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 747 - 755 . （in Chinese）

XIONG X ， BARNES W ， CHIANG K ， et al . . Status of Aqua MODIS on-orbit calibration and characterization ［J］. SPIE ， 2004 ， 5570 ： 317 - 327 .

XIONG X X ， BUTLER J ， CHIANG K ， et al . . VIIRS on-orbit calibration methodology and performance ［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres ， 2014 ， 119 （ 9 ）： 5065 - 5078 .

XU N ， CHEN L ， HU X Q ， et al . . Assessment and correction of on-orbit radiometric calibration for FY-3 VIRR thermal infrared channels ［J］. Remote Sensing ， 2014 ， 6 （ 4 ）： 2884 - 2897 .

FOX N P ， AIKEN J ， BARNETT J J ， et al .. Traceable radiometry underpinning terrestrial- and helio-studies （TRUTHS）［C］. International Symposium on Remote Sensing. Proc SPIE 4881 ， Sensors ， Systems ， and Next-Generation Satellites VI ， Crete ， Greece . 2003 ， 4881 ： 395 - 406 .

ROITHMAYR C M ， LUKASHIN C ， SPETH P W ， et al . . CLARREO approach for reference intercalibration of reflected solar sensors： on-orbit data matching and sampling ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2014 ， 52 （ 10 ）： 6762 - 6774 .

卢乃锰，丁雷，郑小兵，等 . 中国空间辐射测量基准技术［J］. 遥感学报， 2020 ， 24 （ 6 ）： 672 - 680 .

LU N M ， DING L ， ZHENG X B ， et al . . Introduction of the radiometric benchmark satellite being developed in China for remote sensing ［J］. Journal of Remote Sensing ， 2020 ， 24 （ 6 ）： 672 - 680 . （in Chinese）

YE X ， YI X L ， FANG W ， et al . . Design and investigation of absolute radiance calibration primary radiometer ［J］. IET Science ， Measurement & Technology ， 2018 ， 12 （ 8 ）： 994 - 1000 .

YI X L ， YANG Z L ， YE X ， et al . . Absorptance measurement for sloping bottom cavity of cryogenic radiometer ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2015 ， 23 （ 10 ）： 2733 .

陈六彪，周强，朱啸爽，等 . 轻量化20 K以下温区斯特林型脉管制冷机［J］. 工程热物理学报， 2014 ， 35 （ 5 ）： 858 - 861 .

CHEN L B ， ZHOU Q ， ZHU X SH ， et al . . Lightweight stirling-type pulse tube cryocooler with temperature below 20 K ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2014 ， 35 （ 5 ）： 858 - 861 . （in Chinese）

高鑫，王凯，方伟 . 太阳辐照度绝对辐射计吸收腔结构优化［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 3 ）： 624 - 631 .

GAO X ， WANG K ， FANG W . Optimization on the structure of the absorption cavity of solar irradiance absolute radiometer ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2018 ， 26 （ 3 ）： 624 - 631 . （in Chinese）

方茜茜 . 空间低温辐射计黑体腔与光电不等效性研究［D］. 北京：中国科学院， 2014 .

FANG Q Q . Research of the Blackbody Cavity and Nonequivalence of Spatial Cryogenic Radiometer ［D］. Beijing ： Chinese Academy of Sciences ， 2014 . （in Chinese）

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