CN110702274A - 一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法。利用准确的数值模型，对微型相变固定点黑体熔点温度及内部携带的铂电阻温度计进行校准，以应对因实验条件变化而导致的黑体熔点温度变化。首先根据黑体与固定结构建立准确的数值模型。通过辐射温度光路调整，将固定点黑体熔点温度量值传递至微型相变固定点黑体，通过插值法获得微型相变固定点黑体在镓点处较为准确的相变温度数据。通过这一温度数据对模型完成修正，以消除粗糙接触面、空隙、不准确材料参数对模型的影响。最后，利用该修正模型计算获得不同固定点处熔点温度。本发明可应用于在轨卫星等无法进行标准温度测量的情况。

Description

一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法

技术领域

本发明涉及卫星对地观测技术领域，具体涉及一种基于精确微型相变固定点黑体模型 的太空校准方法。

背景技术

对地观测是卫星技术的最重要的应用方向之一，在气象预报、国土普查、作物估产、森 林调查、地质找矿、海洋预报、环境保护、灾害监测、城市规划、地图测绘以及军事侦察、 导弹预警和战场评估等一系列领域发挥着不可或缺的作用。

从太空测量长期、准确的检测地面信息是一项艰巨的任务。在太空环境中，卫星的测量 温度值会逐渐偏离实际温度，这一问题不仅严重影响使用卫星观测精度和有效观测寿命， 且难以建立一个无可争辩的气候记录来进行气候模型的长期趋势预测。此外，各个国家未 经精度校准的观测仪器存在着测量差异及其相关的不确定度，缺乏一致性的遥感卫星难以 满足对地观测系统的构建。对地观测全球化、(系统化)社区化的趋势。对此，联合国气候 组织发表了一份文件，其中明确了获得基本气候数据记录(即长期数据记录)的必要条件： 使用高质量的观测仪器，这些仪器具有足够的稳定性和准确性，可用于气候监测。

通常，辐射仪器的校准是通过黑体完成的。根据普朗克方程，黑体的光谱辐射亮度由黑 体温度和波长表示，而普朗克定律的修正Sakuma-Hattori插值方程给出了辐射计的校准方 案，利用一组发射率和温度可知的黑体即可以对辐射温度计进行标定。然而，在太空环境 中，黑体温度的准确获取是困难的，在长达数年的时间里，接触温度传感器会逐渐偏移真 实温度。因此，能够多温度点自动校准，溯源至ITS-90国际温标的微型相变固定点黑体获 得了越来越多的关注。在空间黑体辐射源的研究中，黑体腔将携带多枚灌注不同固定点材 料的微型坩埚，将ITS-90定义或者次级定义的固定点与辐射温度标准的黑体相结合，通过 已知的固定点熔点温度，对处于黑体内的温度传感器进行校准。建立了空间红外辐射基准 源亮度温度与国际温标量值传递链。美国地球观测计划(EOS)项目、气候绝对亮度和反射 观测计划“CLARREO”、俄罗斯的地球静止轨道气象卫星(GOMS)计划、中国的“风云”系 列对地观测卫星等项目以及中、美、日、德国家计量机构均开展了相关的研究，未来有望 成为红外遥感观测空间高精度定标的核心技术

黑体内通过热传导建立与固定点的联系，来对内部携带的铂电阻温度计进行标定。而 在众多实验表明，精密尺度上，黑体熔点温度还受装置结构和实验条件的影响。特别是， 在轨情况下，卫星中黑体的固定方式、环境温度、控温方式与地面实验条件下可能有极大 的区别，难以精确实现与实验室相同的条件。实验室测得结果将不再适用，而卫星中匮乏 的实验条件使测试难以进行。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法，其可以 应对微型相变固定点黑体在卫星中因实验条件变化而导致的校准不准确问题，以满足高精 度辐射定标的需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

构建微型相变固定点黑体数值模型，验证模型准确性，并保证模型精度。

鉴于模型使用的均为理想条件参数，缺乏真实的粗糙接触面、空隙与材料参数设置，获 得准确的实验温度曲线来对模型参数进行修正。

本发明提供了一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法，其包括：

步骤1：通过辐射温度计进行量值传递，辐射温度计获得固定点黑体的温度，通过转轴 镜调整光路，辐射温度计获得微型相变固定点黑体的温度；

步骤2：对传递过来的准确的固定点黑体在镓点的温度与微型相变固定点黑体本身拥有 的不准确的温度点做插值函数，通过辐射温度计测量电压信号与插值函数获得微型相变固定 点黑体在镓点附近的较为准确的相变温度曲线；

步骤3：通过上述较为准确的相变温度曲线对模型进行修正，以消除材料、间隙、接触 等未知的导热参数与理想模型的差异，以获得精确的数值模型。

步骤4：通过精确的数值模型计算获得微型相变固定点黑体在不同固定点处在不同实验 条件下熔点温度，来对其内部的铂电阻温度计进行修正。

其中，所述步骤3包括通过一组温度曲线对模型进行修正，以消除材料、间隙、接触等 未知的导热参数与理想模型的差异。

其中，所述步骤1中通过辐射温度计进行量值传递，通过转轴镜调整光路，将固定点黑 体的量值传递至微型相变固定点黑体。

其中，步骤4中的数值模型是将微型相变固定点黑体与外部固定结构作为分析对象，构 建微型相变固定点黑体与外部固定结构的数值模型。

在轨情况下，卫星中黑体的固定方式、环境温度、控温方式与实验条件下可能有极大 的区别，难以精确实现与实验室相同的条件，黑体的熔点温度可能发生较大变化。而精确 数值模型的优势则在于在不同固定点处均可计算得到较为准确的相变温度曲线。要获得精 确的数值模型，则需要一组准确的测量实验结果对模型进行修正，以消除材料、间隙、接 触等未知的导热参数与理想模型的差异。然而，在在轨辐射定标系统中，微型相变固定点 黑体测量温度因实验条件的变化而存在较大误差，仅固定点黑体的测量温度是较为准确的。 为获得一组准确的测量结果。可通过辐射温度计进行量值传递，通过转轴镜调整光路，将 固定点黑体的量值传递至微型相变固定点黑体，对传递过来的准确的镓点温度与微型相变 固定点黑体本身拥有的不准确的温度进行插值计算，以获得微型相变固定点黑体在镓点附 近的较为准确的相变温度曲线。插值法和选取微型相变固定点黑体在镓点的熔点温度是为 了减少插值端点数据的误差对结果的影响。根据获得的较为准确的温度曲线对模型进行修 正。然后获得微型相变固定点黑体在不同固定点处不同实验条件下较为准确的熔点温度， 来对其内部的铂电阻温度计进行修正。

附图说明

图1为本发明的基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法流程示意图；

图2.在轨辐射校准装置示意图；

图3.基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法示意图示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应 当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

太空观测卫星通常使用红外辐射计对地面进行观测，并通过大气辐射模型获得高精度、 高空间分辨率的地面信息。红外辐射温度计的工作过程中，需要将亮度信号转换为电信号， 再使用插值法建立探测器电压与目标温度的对应关系。为了便于说明，辐射计参数以 Miami2001型红外辐射计为例，当然也可以采用其他类型的红外辐射计。

图1所示为本发明的基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法流程示意图。

首先，根据分析对象，构建有限元仿真模型。具体而言，将微型相变固定点黑体与外部 固定结构作为分析对象，构建微型相变固定点黑体与外部固定结构的数值模型。在该数值 模型的构建过程包括，根据对象结构建立几何模型；根据对象使用材料物性设置有限元仿 真模型构件材料参数。设置物理场与边界条件，其中可能包括的有边界热源、边界温度源、 边界热损耗、热通量、热接触、边界辐射等。对有限元仿真模型进行网格划分。设置求解 器并进行求解计算。精确数值模型的优势则在于在不同固定点处均可计算得到较为准确的 相变温度曲线。

然而，在在轨辐射定标系统中，微型相变固定点黑体测量温度因实验条件的变化，熔点 温度可能会产生变化，从而存在较大误差，仅固定点黑体的测量温度是较为准确的。要获 得精确的数值模型，则需要一组准确的测量实验结果对模型进行修正，以消除材料、间隙、 接触等未知的导热参数与理想模型的差异。与微型相变固定点的实验室结果进行比对，验 证模型准确性，并保证模型精度。

为获得一组准确的测量结果。可通过辐射温度计进行量值传递，通过转轴镜调整光路， 将固定点黑体的量值传递至微型相变固定点黑体，对传递过来的准确的镓点温度与微型相 变固定点黑体本身拥有的不准确的温度进行插值计算，以获得微型相变固定点黑体在镓点 附近的较为准确的相变温度曲线。插值法和选取微型相变固定点黑体在镓点的熔点温度是 为了减少插值端点数据的误差对结果的影响。根据获得的较为准确的温度曲线对模型进行 修正。然后获得微型相变固定点黑体在不同固定点处不同实验条件下较为准确的熔点温度， 来对其内部的铂电阻温度计进行修正。

鉴于模型使用的均为理想条件参数，缺乏真实的粗糙接触面、空隙与材料参数设置，需 要通过一组准确的实验温度曲线来对模型参数进行修正，下面对如何获取一组准确的测量 结果进行进一步的说明：

如图2所示，观测卫星校准系统包括固定点黑体与微型相变固定点黑体两枚空间基准辐 射源，可以通过内部携带的相变物质在镓点以及多固定点处对黑体内携带的铂电阻温度计 进行校准。通过转轴镜进行光路切换，使辐射计获得不同目标的光学信息。所述固定点黑 体优选为镓固定点黑体。

步骤A.调整转轴镜，切换光路至镓固定点黑体。通过辐射温度计获得镓固定点黑体标 定镓固定点处信号电压与对应的熔点温度T_Ga，T_Ga可认为等于真值302.9146K。

步骤B.调整转轴镜，切换光路至微型相变固定点黑体。通过辐射温度计获得非镓点处 (如水杨酸苯酯固定点)熔点温度的信号电压V₁。此处黑体真实温度T₁未知，仅知实验室测 量结果T₁′，T₁′在315K附近，由条件变化导致的误差为ΔT₁′。

步骤C.测量微型相变固定点黑体在镓固定点处相变曲线，测得熔点温度对应电压值V₂。 黑体真实温度T₂未知，实验室结果为T₂′，T₂′在304K附近，由条件变化导致的误差为ΔT₂′。 由V_Ga-T_Ga与V₁-T₁′做两点间插值函数对区间内进行校准。测量微型相变固定点黑体在镓固 定点处相变曲线，测得相变温度对应电压值V₂。由电压值V₂和上插值函数可获得相变温度 T₂”，由条件变化导致的误差为ΔT₂”，

由上述步骤A-C可获得微型相变固定点黑体在镓点处较为准确的温度值T₂”；根据这一 实验温度对模型进行修正，以消粗糙接触面、空隙与不准确材料参数对模型的影响。

由步骤A-C可获得微型相变固定点黑体在镓点附近的较准确相变温度值，根据这一实 验温度对模型进行修正，以消粗糙接触面、空隙与不准确材料参数对模型的影响。通过数 值模型获得其他材料固定点处拐点温度，如水杨酸苯酯固定点处温度拐点T₁”。若修正前由 条件变化导致的误差为ΔT₁′＝50mk，则修正后总误差

包含了模型本身存在 的误差和修正选取的参考实验数据参在在的误差ΔT₂”。ΔT₂”为模型使用参数存在的误 差，约为0.8mk，

为模型本身存在的误差，若为3.5mk时，则修正后总误差ΔT₁”为4.3mk。

运用仿真模型获得微型相变固定点黑体在其他固定点处熔点温度，通过精确的模型获得 不同固定点在不同实验条件下(如环境温度、加热功率)的相变温度值。

通过获得温度对黑体内铂电阻温度计进行修正。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定 本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都 可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同 变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。

以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的 范围内。

Claims (4)

1.一种基于精确微型相变固定点黑体模型的太空校准方法，其包括：

步骤1：通过辐射温度计进行量值传递，辐射温度计获得固定点黑体的温度，通过转轴镜调整光路，辐射温度计获得微型相变固定点黑体的温度；

步骤2：对传递过来的准确的固定点黑体在镓点的温度与微型相变固定点黑体本身拥有的不准确的温度点做插值函数，通过辐射温度计测量电压信号与插值函数获得微型相变固定点黑体在镓点附近的较为准确的相变温度曲线；

步骤3：通过上述较为准确的相变温度曲线对所述模型进行修正，以消除材料、间隙、接触等未知的导热参数与理想模型的差异，以获得精确的数值模型；

步骤4：通过精确的数值模型计算获得微型相变固定点黑体在不同固定点处在不同实验条件下熔点温度，来对其内部的铂电阻温度计进行修正。

2.如权利要求1所述的太空校正方法，其特征在于：所述步骤3包括通过一组温度曲线对模型进行修正，以消除材料、间隙、接触等未知的导热参数与理想模型的差异。

3.如权利要求1所述的太空校正方法，其特征在于：所述步骤1中通过辐射温度计进行量值传递，通过转轴镜调整光路，将固定点黑体的量值传递至微型相变固定点黑体。

4.如权利要求1所述的太空校正方法，其特征在于：步骤4中的数值模型是将微型相变固定点黑体与外部固定结构作为分析对象，构建微型相变固定点黑体与外部固定结构的数值模型。

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