可作为在轨光谱辐射基准的空间低温辐射计研究

论文摘要

全球气候变暖、极端灾害预报等科学问题研究需要高质量的航天遥感数据作为支撑。光学遥感载荷受发射过程及空间环境等因素影响,基准溯源链路发生断裂,同时现有在轨辐射定标方法缺乏高精度可溯源的辐射定标基准,因此无法满足当前定量化遥感的迫切需求。借鉴地面辐射基准建立方法,提出以高精度可溯源的空间低温辐射计作为基准源,建立我国独立自主的空间绝对定标基准系统。本文分析未来空间应用需求,研究空间低温辐射计的设计需求及不确定度分配,开展空间低温辐射计的关键技术研究,并根据研究结果进行性能测试和评估。首先,分析了空间低温辐射计的基本工作原理,研究了低温辐射计探测器热传输结构特点,简化探测器的三维热传导模型,求解简化的导热微分方程,进而获得了表征低温辐射计探测器性能的响应度计算公式和时间常数计算模型。为实现探测器的光功率响应与电加热响应等效,总结空间低温辐射计的基本设计要求。建立包含漫反射、镜面反射、衰减关系的探测器吸收比计算模型,指导高吸收率腔体探测器的优化设计。考虑定标和冗余设计,为实现宽动态范围的光辐射功率定标,设计用于太阳总量标定的高功率腔和用于光谱辐射定标的高灵敏度低功率腔。基于测量影响量以及限制因素进行的分析结果,综合考虑时间常数、吸收率、灵敏度、制冷量、制冷温度、仪器尺寸、质量等限制因素,总结提出空间低温辐射计的基本设计需求。其次,给出了空间低温辐射计原理样机研制方案,开展了光学、结构、电子学的详细设计。采用斯特林型脉冲管制冷机实现20K温区的低温环境。研究了空间低温辐射计黑体腔探测器这一核心组件,分析了黑体腔探测器表面发黑特性,设计腔型长度与开口比使吸收比优于0.999,同时腔体吸收比的衰减比腔表面的衰减小两个数量级。优化黑体腔制备工艺,提高黑体腔一致性。对低温绝对辐射探测器结构进行分析,研究通过热连接组件的温控抑制斯特林型脉冲管制冷机噪声的方法,提高黑体腔的热环境稳定性。研究通过光阑组件降低杂散光和热辐射背景噪声的方法。通过热学结构分析和设计,将黑体腔灵敏度优化为0.4 K/mW。设计光阑组件,研究黑体腔与窗口和光阑系统的辐射交换。研究背景辐射交换分析及控制、电功率及温度精密测量、高稳定度低温热环境建立关键技术。最后,开展空间低温辐射计性能测试及评估实验,评定对光辐射功率测量的绝对精度,通过间接比对验证不确定度评定结果的有效性。测试空间低温辐射计的低温工作环境温度稳定性、热电重复性、灵敏度、激光功率测量重复性。根据《JJF 1059.1-2012测量不确定度评价与表示》,通过A类和B类标准不确定度合成得到:空间低温辐射计的合成相对标准不确定度为0.029%。通过与国家基准低温辐射计的间接比对验证不确定度评定结果。依据《JJF1117-2010计量比对》,归一化偏差En=0.4<1,验证了空间低温辐射计精度评定结果的有效性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 遥感技术发展现状
•     1.1.2 在轨辐射定标技术瓶颈
•     1.1.3 在轨辐射定标技术进展
•   1.2 低温辐射计研究现状
•     1.2.1 地基低温辐射计
•     1.2.2 空间低温辐射计
•   1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 空间低温辐射计原理及应用需求研究
•   2.1 空间低温辐射计原理
•     2.1.1 温度动态响应模型
•     2.1.2 辐射测量模型
•     2.1.3 不确定度分配
•   2.2 低温绝对辐射计核心器件需求分析
•     2.2.1 探测器组件
•     2.2.2 光阑组件
•     2.2.3 真空窗口
•     2.2.4 空间制冷机
•   2.3 关键需求及测量影响量
•   2.4 本章小结
• 第3章 空间低温辐射计关键技术研究
•   3.1 空间低温辐射计设计研究
•     3.2.1 光学设计与研究
•     3.2.2 结构设计与研究
•     3.2.3 电控系统设计
•   3.2 背景热交换分析及控制研究
•   3.3 电功率及温度精密测量方法研究
•   3.4 高稳定度低温热环境建立研究
•   3.5 本章小结
• 第4章 性能测试及评估
•   4.1 性能测试实验
•     4.1.1 低温工作环境温度稳定性
•     4.1.2 热电重复性
•     4.1.3 灵敏度
•     4.1.4 激光功率测量重复性
•   4.2 不确定度评估
•     4.2.1 A类不确定度评估
•     4.2.2 B类不确定度评估
•     4.2.3 不确定度合成
•   4.3 间接比对
•     4.3.1 符合判据及不确定度分析
•     4.3.2 比对方法
•     4.3.3 间接比对结果
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 具有创新意义的工作
•   5.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 叶新

导师: 方伟

关键词: 空间低温辐射计,辐射计量,不确定度,间接比对

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,仪器仪表工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TH765.2

总页数: 158

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