专利名称：机载多波段双向大气辐射探测仪的探头的制作方法
技术领域：
本发明属于光学电子测量，具体是一种机载多波段双向大气辐射探测仪。
背景技术：
在定量化遥感初期，人们试图通过植被指数(NDVI)绕开大气校正问题(Tucker，1979)，尽管事实上它也确实明显减小了大气的影响(Kaufman and Tanré，1992)，但它所能提供的遥感产品是单一的，且作用受到地域和季节的限制。
要提高卫星数据的应用效果，绕开大气校正问题是不可能的，于是，利用辐射传输计算直接进行大气校正的研究得到普遍的发展(Moran et al.，1992)。这种方法从根本上解决了各种遥感产品大气校正的问题。然而，这种方法应用是有条件的，这就是校正效果强烈依赖于反演模型中输入大气参数的精度，这些参数包括气溶胶光学厚度、谱分布、折射指数以及水汽含量、臭氧含量等，因此能够提供实时的大气参数，是取得较高的校正精度的关键(Holm et al.，1989)。
气溶胶具有时空上的高度变化的特点，为了研究气溶胶空间和时间上的变化，国际上已经建立了多个基于太阳辐射计的气溶胶观测网，其中规模最大的AERONET是一个联盟式的地面观测网络，最初由NASA建立，后来吸收了许多政府组织、大学和研究机构参加，在联合了PHOTON网和加拿大的AEROCAN网后，现已在全球范围内拥有超过百个观测站点。
这些气溶胶观测站，在关于气溶胶的生成和迁移等方面的观测发挥着重要的作用，对于构建全球模型提供着基本参数，但是还不可能准确反映全球各地气溶胶的时空分布，这是由于气溶胶观测站不可能在设置用于图像大气校正所需的足够密度。因此面对大气参量高度时空变化特性，对卫星图像进行大气校正只能作某些大气条件上的假设，这就不可避免的降低了校正精度，难以达到大气校正的目的，较好的办法是从遥感数据本身获得辐射传输计算所需的大气参数(Holben etal.，1992；Kaufamn et al.，1996)。尽管目前有些卫星(如MODIS)设有一些通道对一些特定地区(清洁水体或浓郁植被)进行大气参数反演，然而通常的卫星是不具备高精度反演大气参数的，如陆地卫星TM等高空间分辨成像仪(Ouaidrariand Vermote，1999)，尽管人们试图用其不同通道进行反演，但精度总是不高。为解决这一问题，各航天先进国家都在进行着积极探索。
利用光谱进行空间对地大气反演，由于研究较早，方法上相对较为成熟，目前大多数情况下暗目标法是普遍使用的方法。暗目标本身具有其天然的缺陷首先，地面为水体或浓郁植被是能够进行反演的前提，这就限制了所能反演的区域；其次，暗目标反演方法是建立在假设和统计的基础上，这决定了误差源是难以克服的，这些误差源在某些情况下甚至是很大的，如遭受污染的近海等情况下。鉴于暗目标的限制，人们正在探索利用大气辐射的其他特性进行观测，以提高反演精度和扩大可反演的地域范围，主要表现在利用光谱特性的基础上，同时进行大气的多角度特性的观测和反演上。如美国1999年12月成功发射的地球观测系统(EOS)极轨环境卫星Terra(EOS-AM1)上搭载的多角度成像光谱辐射计(MISR)，采用四个通道九个方向对地观测，以此对大气进行反演。
大气辐射参数的获取，是遥感对地观测中解决遥感数据大气辐射分离，进行大气校正，提高对地遥感观测精度，实现定量化遥感的不可回避的关键问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种机载多波段双向大气辐射探测仪的探头。
机载多波段双向大气辐射探测仪的探头，其特征在于在一块刚性件上有三个互相平行的垂直通道，和三个互相平行的斜视通道，每个垂直通道与一个斜视通道相邻并成55°夹角且构成一组光谱通道；每个通道的光路中依次安装有透镜、滤光片、光栏、光电二极管探测器；二组大气光谱通道的滤光片的光谱波段分别为550nm和670nm，光谱带宽均为20nm；另一组地面背景光谱通道的滤光片的光谱波段为1640nm，光谱带宽为40nm。
每个通道内通过车床车削有台阶，透镜、光栏、滤光片、光电二极管探测器均安装在通道内的台阶上。
所述的每组光谱通道的视场角均为2°。
刚性件上安装有两个视场角均为20°的CCD摄像头，CCD摄像头方向分别与垂直通道和斜视通道平行。
本发明的CCD摄像头的信号接入视频切换器，视频切换器后接入监视器。从单元探测器采集的信号接入到放大电路后，CCD摄像头的信号也接入放大电路，放大电路输出放大的电信号到计算机内的数据采集卡采集和处理。
本发明的主要内容为利用大气辐射传输的光谱和方向特性，使用三个光谱通道和两个角度(垂直、倾斜方向)的测量，获取大气参数。
本发明利用了大气辐射的光谱特性和角度散射特性，通过三个波段、两个角度的辐射测量，可在空间或机载平台直线移动的过程中实时获取大气参数，以时间关系获取同一地面背景下的三个光谱通道的辐射数据，从而实现对遥感观测数据的同步大气校正。该方法解决了暗目标法对暗目标的依赖和缺陷，同时解决了大气校正的实时和同步问题。同时，仅仅三个通道、两个角度的非成像测量使得装置简单小巧，符合航天、航空应用的需要。
本发明的光谱波段选择上采用了两个大气散射通道和一个地面背景通道结合测量的方法。气溶胶模型是影响空间对地气溶胶反演结果精度的重要因素，在探测仪中采用两个大气散射光谱通道是为了实现在反演过程中对气溶胶模型进行调整，这两个光谱通道均对大气散射敏感；地面背景通道的则需要选择大气散射微弱的光谱波段，且与大气散射测量通道在地面背景具有反射率的相关性。
空间对地观测得到的是大气和地面联合的综合反射率，即表观反射率，在地面背景通道波段，大气散射非常微弱，此时的表观反射率基本上就是地面反射率，而通过该波段与大气散射波段地面背景的反射率相关性，可以推出大气散射通道波段的辐射背景贡献成分，从而得到大气散射辐射。
本发明用于双角度观测，目的是为得到大气传输两个角度的辐射量，该两辐射量的联合使用可以摆脱空间反演气溶胶对地面反射率知识的依赖，使空间对地大气反演技术的地域适用性大大增加。双向探测的角度的选择是考虑增大两个方向辐射量的差值，提高反演精度，并在考虑大气辐射传输模型中大角度误差。


图1是本发明的整机系统原理框图。
图2是本发明的系统光路结构示意图。
图3是探头俯视结构图。
图4是探头垂直通道剖视结构示意图。
图5是探头斜视通道剖视结构示意图。
具体实施例方式如图1、3所示，本发明两方向三光谱六通道辐射探头3上安装有两个视场角均为20°的CCD摄像头1、2、，CCD摄像头方向分别与探头3的垂直通道和斜视通道平行，探头3是在一块刚性件上有三个互相平行的垂直通道8、9、10，和三个互相平行的斜视通道11、12、13，通道8与通道11，通道9与通道12，通道10与通道13，均形成55°夹角并构成一组光谱通道；每个通道内通过车床车削有台阶，透镜14、滤光片15、光栏16、光电二极管探测器17依次安装在通道内的台阶上；通道8与通道11，通道9与通道12为大气光谱通道，其滤光片15的光谱波段分别为550nm和670nm，光谱带宽均为20nm；通道10与通道13为地面背景光谱通道，其滤光片的光谱波段为1640nm，光谱带宽为40nm。
探头3后的信号输出接到放大控制电路6、计算机7，为测量工作时的需要，同时CCD摄像头的信号接入到视频切换器4和监视器5。工作时，六通道辐射探头3安装于飞机窗口，其三个垂直观测通道垂直向下实现对地观测，三个斜视通道向前或向后观测，与垂直通道的夹角为55°。两个观测方向在地面的观测点均在飞机飞行轨迹的地面投影上。六个探测通道的探测信号经放大控制电路6进行程控放大后，由计算机7内的数据采集卡采集和处理。
因为飞机平台是一种不稳定的平台，其速度和姿态的变化会影响到两个观测方向地面观测目标的的重合性，从而对测试结果产生不利影响。所以本具体实施方式
中采用了同步摄像的设计。即实用两个视场角为20 °的CCD摄像头，通过标定确定辐射计视场(目标范围)在CCD图象中的位置；图象数据由计算机(7)中的图象采集卡实现同步采集和保存，并进行后续处理。
六通道双向辐射探头的系统光路结构示意如图2所示。每个通道包括镜头、滤光片、光栏和探测器。工艺上以整体机械加工精度来保证同一方向上三个光谱通道的光轴平行，合理设计镜头、光栏确定每个通道的视场角。为保证两个观测方向地面探测范围的一致性，55°视场需要设计椭圆形光栏进行修正。
在本具体实施方式
中，每个通道的光谱波段和带宽是由选择的滤光片的特性所决定的，系统方案设计时就要选定合适的探测波段，设计加工滤光片。1640nm带宽增加是考虑该波段的辐射强度差异以及探测器响应率的差异。550nm和670nm两个波段的滤光片后安装采用了PIN硅光电二极管探测器，1640nm通道采用了InGaAs光电二极管探测器。两个角度的设置考虑双向差值、反演精度以及大气辐射传输模型中的大角度误差，采用了天顶和55°观测，即夹角55°的观测方式。三个波段两个方向共6个测量通道采用独立固定通道的测量模式，采用了相同的光学参数即系统焦距86mm(近红外波段系统焦距88mm)，各通道的通光孔径10mm(一般所指的是透镜前压圈的内径)，视场角2°(视场角决定测量物体大小的张角，在3000m的飞行高度上地面瞬时视场约为100m×100m)。
考虑到飞机平台的不稳定性，即受大气气流影响而产生的速度、俯仰、侧滚等不可控制的姿态变化，在本发明的机载样机实施中，特增加了两个方向的同步录像装置，这样即可根据数据的同步图象来判断两个方向上地面对应目标的一致性。若本发明实施于卫星平台，由于平台的稳定性，可根据平台的飞行速度有效地推算出地面目标对准的时间，而不需要通过两个方向的同步图像来进行判断。
权利要求
1.机载多波段双向大气辐射探测仪的探头，其特征在于在一块刚性件上有三个互相平行的垂直通道，和三个互相平行的斜视通道，每个垂直通道与一个斜视通道相邻并成55°夹角且构成一组光谱通道；每个通道的光路中依次安装有透镜、滤光片、光栏、光电二极管探测器；二组大气光谱通道的滤光片的光谱波段分别为550nm和670nm，光谱带宽均为20nm；另一组地面背景光谱通道的滤光片的光谱波段为1640nm，光谱带宽为40nm。
2.根据权利要求1所述的双向大气辐射探测仪探头，其特征在于每个通道内通过车床车削有台阶，透镜、光栏、滤光片、光电二极管探测器均安装在通道内的台阶上。
3.根据权利要求1所述的双向大气辐射探测仪探头，其特征在于所述的每组光谱通道的视场角均为2°。
4.根据权利要求1所述的双向大气辐射探测仪探头，其特征在于刚性件安装有两个视场角均为20°的CCD摄像头，CCD摄像头方向分别与垂直通道和斜视通道平行。
全文摘要
本发明公开了一种机载多波段双向大气辐射探测仪的探头，其特征在于在一块刚性件上有三个互相平行的垂直通道，和三个互相平行的斜视通道，每个垂直通道与一个斜视通道相邻并成55°夹角且构成一组光谱通道；每个通道的光路中依次安装有透镜、滤光片、光栏、光电二极管探测器；二组大气光谱通道的滤光片的光谱波段分别为550nm和670nm，光谱带宽均为20nm；另一组地面背景光谱通道的滤光片的光谱波段为1640nm，光谱带宽为40nm。本发明采用双角度观测，目的是为得到大气传输两个角度的辐射量，该两辐射量的联合使用可以摆脱空间反演气溶胶对地面反射率知识的依赖，使空间对地大气反演技术的地域适用性大大增加。
文档编号G01N21/27GK1619291SQ200410065798
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月16日 优先权日2004年11月16日
发明者王先华, 孟凡刚, 洪津, 张运杰, 龚平, 乔延利 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所