Основы теории, расчета и проектирования интегрирующих сфер для радиометрической калибровки широкоапертурной аппаратуры ДЗЗ в спектральном диапазоне 0,38–2,50 мкм

Одной из задач оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является определение эффективной энергетической яркости (ЭЭЯ) или радиационной температуры подстилающей поверхности Земли и атмосферы, то есть ОЭА ДЗЗ представляет собой радиометр с измерительными функциями. Для получения возможности использования ОЭА ДЗЗ в качестве радиометра проводится настройка и предполетная радиометрическая калибровка с целью формирования характеристики преобразования, как зависимости выходного сигнала аппаратуры от эффективной энергетической яркости на ее входном зрачке.
Для оценки качества данных космической съемки разработан международный руководящий документ системы обеспечения качества для наблюдения Земли QA4EO (Quality Assurance Framework for Earth Observation). Данный документ был создан и одобрен группой по наблюдениям Земли GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) [1].
Фундаментальный принцип системы обеспечения качества наблюдения Земли – «все данные и производные продукты должны сопровождаться документированным и полностью отслеживаемым индексом качества QI (Quality Index)». Один основных принципов для аппаратуры наблюдения Земли в соответствии с QA4EO является обеспечение прослеживаемости данных.
Для обеспечения принципа прослеживаемости радиометрических данных ОЭА в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне от 0,38 до 2,50 мкм во всем мире используется методика наземной калибровки с использованием протяженного диффузного излучателя в виде интегрирующей сферы (ИС) в качестве образцового излучателя.
Учитывая повышение требований по разрешающей способности ОЭА и соответствующее увеличение ее входных зрачков, возникает непростая научно-техническая задача создания ИС со световым диаметром до 1 м и более для полного заполнения апертуры ОЭА и минимизации погрешностей калибровки по эффективной энергетической яркости.
С точки зрения обеспечения точности калибровки ОЭА ДЗЗ с помощью ИС можно отметить следующие основные критерии:
1. При космической съемке, как правило используется солнечная модель - метод настройки аппаратуры на максимум сигнала, соответствующего засветке входного зрачка ОЭА отраженным излучением солнца от плотных облаков на верхней границе атмосферы (альбедо 0,8 – 0,9).
2. Диаметр выходного зрачка ИС должен быть не менее диаметра входного зрачка калибруемой ОЭА.
3. Покрытие внутренней поверхности ИС должно обеспечивать коэффициент диффузного отражения близкий к 1 во всем заданном спектральном диапазоне и сохранять свои свойства стабильными.
4. Комбинация источников излучения (галогенные и ксеноновые лампы, светодиоды различных типов и т.д.), выбранных при проектировании ИС, должна обеспечивать заданный абсолютный уровень СПЭЯ, а также по возможности равномерно распределенную спектральную характеристику со спектром близким к солнечному (включая синюю область).
5. ИС должна иметь равномерное воспроизводимое распределение СПЭЯ по световому диаметру с относительным отклонением не более 1 – 2 %, что напрямую связано с ее внутренним диаметром.
6. Изготовленная ИС должна пройти метрологическую аттестацию в спектральном диапазоне от 0,38 до 2,50 мкм в единицах спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) с прослеживаемостью к Государственному эталону для нескольких уровней абсолютных значений СПЭЯ [2].
7. Для задач ДЗЗ погрешность калибровки ИС по СПЭЯ должна быть не более 5% (желательно 1 – 3 %) во всем спектральном диапазоне. Кроме того, для настройки различных каналов аппаратуры, а также настройки на различные модели съемки требуется иметь несколько калибровочных характеристик ИС в зависимости от уровней абсолютных значений СПЭЯ.
8. Индикатриса отраженного излучения должна соответствовать диффузному ламбертовскому отражению, то есть ИС должна излучать в полусферу одинаково во всех направлениях.
В докладе приводятся как теоретические [3], так и практические сведения по существующим разработкам в области конструирования и применения ИС
[4, 5], а также перспективы развития рассматриваемых средств и методов в
АО «Российские космические системы».