空間探測用真空紫外光譜輻射計的校準

孫紅勝，梁新剛，馬維剛，王加朋，林冠宇

（1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京100084；2.北京振興計量測試研究所，北京100074；3.中國科學(xué)院 長春精密光學(xué)機械與物理研究所，吉林 長春130033）

1 引 言

自然界中的許多現(xiàn)象反映在真空紫外譜段，如電離層擾動信息、太陽物理構(gòu)成及其變化規(guī)律、地球的大氣氣輝和極光等［1-2］。空間遙感領(lǐng)域，真空紫外光學(xué)遙感是除可見、紅外和微波遙感以外的一個具有突出優(yōu)勢的技術(shù)。真空紫外光譜輻射計是獲取大氣環(huán)境第一手資料的重要載荷，通過測量各波段經(jīng)大氣散射的光譜輻亮度和太陽直射的光譜輻照度，反演計算出大氣中各種微量氣體和氣溶膠的含量，以獲取電離層擾動信息，監(jiān)測全球溫室效應(yīng)、臭氧層厚度變化和各種有害氣體的排放等［3］，對國家安全、環(huán)境監(jiān)測、軍事探測等具有重要意義。發(fā)射前對真空紫外光譜輻射計進行校準是一個關(guān)鍵步驟，相應(yīng)地對校準精度有著更高的要求［4-5］。

真空紫外波段的輻射校準難度較大，難點在于要產(chǎn)生均勻且量值可溯源的真空紫外光譜輻射。國際上真空紫外光譜輻射標準的建立已較為完善，在美國SURF和德國BESSYⅡ上，均建立了基于同步輻射和低溫輻射計的真空紫外光譜輻射計校準實驗站［6-7］，該裝置投資巨大，較為復(fù)雜。我國國家計量院的紫外校準最低波段到200 nm［8］。真空紫外載荷研制單位主要利用經(jīng)過溯源的標準探測器開展相應(yīng)的校準工作，方法主要包括兩種［9-10］：一是單色準直光經(jīng)過紫外漫反射器形成空間均勻朗伯輻射后，通過測量出漫反射器各個方向的雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），開展光譜輻亮度校準，存在的問題是BRDF測量波段下限不夠、量值傳遞鏈條長，測量不確定度較大，校準光路的對準誤差較大；二是真空紫外單色光直接準直后對真空紫外光譜輻射計進行校準，標準輻亮度值由光束的輻照度值經(jīng)過立體角換算后得出，存在的問題是光束輻亮度均勻性難以保證。

本文提出了改進的真空紫外光譜輻射計校準方法，研制了真空紫外光譜輻射亮度傳遞標準、新型透射式標準漫射器及BRDF測量部件，并搭建了相應(yīng)的校準裝置，建立了測量不確定度評價模型，分析比較了兩種校準方法的測量不確定度，對典型的真空紫外光譜輻射計進行了校準實驗，得到了校準結(jié)果的測量不確定度。

2 原 理

2.1 基于標準漫反射器的校準原理

基于標準漫反射器的真空紫外光譜輻射計校準原理如圖1所示。

圖1 基于標準漫反射器的校準原理Fig.1 Schematic of calibration devices based on standard diffuse reflector

標準探測器的絕對光譜響應(yīng)度為φ(λ)，經(jīng)過德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）溯源可得；光敏面面積為ΔA，通過幾何量精密測量方法可得。校準前，先將標準探測器旋轉(zhuǎn)到漫反射板位置，測量得到信號值SE，光線垂直入射后經(jīng)反射與漫反射板法線成θ0角（待校真空紫外光譜輻射計接收輻射的方向），設(shè)標準漫反射板的BRDF為FBRD(0，θ0)，則待校真空紫外光譜輻射計接收到的標準光譜輻亮度為：

此時待校真空紫外光譜輻射計的輸出信號值為S0，光譜輻射亮度響應(yīng)度為：

2.2 基于標準真空紫外輻射亮度計的校準原理

基于標準真空紫外輻射亮度計和漫透射器的真空紫外光譜輻射計校準原理如圖2所示。

圖2 基于標準真空紫外輻射亮度計的校準原理Fig.2 Schematic of calibration devices based on VUV standard radiometer

真空紫外單色光照射到漫透射板上，在一定角度范圍內(nèi)形成均勻的朗伯均勻輻射，通過切換標準真空紫外輻射亮度計和待校真空紫外光譜輻射計的方法完成校準。設(shè)標準真空紫外輻射亮度計接收漫透射板輻射的信號輸出值為SL，標準真空紫外輻射亮度計的光譜輻射亮度響應(yīng)度為R0(λ)，待校真空紫外光譜輻射計的輸出信號值為S＇0，則待校真空紫外光譜輻射計的光譜輻射亮度響應(yīng)度為：

3 實 驗

3.1 標準真空紫外輻射亮度計

真空紫外輻射亮度校準的關(guān)鍵是要具備一個真空紫外輻射亮度的標準。本文設(shè)計了一種無光學(xué)系統(tǒng)的標準真空紫外輻射亮度計，其標準視場角為2°，作為真空紫外輻射亮度校準的傳遞標準。其原理如圖3所示。

圖3 標準真空紫外輻射亮度計原理Fig.3 Schematic of VUV standard radiometer

標準真空紫外輻射亮度計中，探測器采用硅光電二極管，經(jīng)過PTB校準的光譜響應(yīng)度φ(λ)如圖4所示；光闌立體角為ω0，ω0=π·d2/r2，面積為ΔA，經(jīng)過精密測量計算可得，則標準真空紫外輻射亮度計的光譜輻亮度響應(yīng)度為：

圖4 探測器的光譜響應(yīng)度Fig.4 Spectral response of detector

在真空條件下對標準真空紫外輻射亮度計進行了原理驗證。理想積分球出口的輻射出射度和輻射亮度值具有E=π×L關(guān)系，通過在積分球出口分別測量其輻射照度值和輻射亮度值，驗證標準真空紫外輻射亮度計的測量原理和數(shù)據(jù)是否準確，測試現(xiàn)場如圖5所示。其中，氘燈的穩(wěn)定度為0.5%（10 min），驗證的數(shù)據(jù)表見表1。由測試數(shù)據(jù)可知，利用標準真空紫外輻射亮度計測得的輻射亮度值與積分球出口處的輻射照度值符合π的比例關(guān)系，標準真空紫外輻射亮度計的原理正確。

表1 標準真空紫外輻射亮度計驗證數(shù)據(jù)Tab.1 Standard radiometer verification data

圖5 標準真空紫外輻射亮度計測試現(xiàn)場Fig.5 Test field of standard radiometer verification test using VUV integrating sphere

3.2 標準漫反射器及漫透射器

在真空紫外波段，性能穩(wěn)定的漫反射涂層材料難以制備。比如可反射真空紫外波段的鋁涂層，長期在空氣中會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，氧化后其真空紫外波段的反射率會大幅下降。通過在基底材料上噴涂鋁粉，并在表面蒸鍍氟化鎂保護層，防止鋁粉的氧化，減少對真空紫外輻射的吸收。該方法可保證漫反射器的工作波段及反射率滿足使用要求，其設(shè)計形式及實物如圖6所示。

圖6 標準漫反射器設(shè)計及實物Fig.6 Design and object of standard diffuse reflector

真空紫外漫透射器采用氟化鎂作為基底材料，第一面為球面，第二面為漫透射面，表面磨砂處理，制備口徑Ф約為100 mm。真空紫外漫透射器的設(shè)計及實物如圖7所示。為掌握真空紫外漫透射器的空間方向輻射特性，利用標準真空紫外輻射亮度計對漫透射器光源方向的輻射特性相對分布進行了測量，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，真空紫外漫透射器在±10°的范圍內(nèi)具有良好的朗伯特性，滿足大部分真空紫外光譜輻射計的校準需求。

圖7 標準漫透射器設(shè)計及實物Fig.7 Design and object of standard diffuse transmitter

圖8 真空紫外漫透射器方向輻射特性Fig.8 Directional radiation characteristics of VUV diffuse transmitter

3.3 真空紫外BRDF測量標準部件

標準漫反射器的BRDF特性是影響校準準確度的關(guān)鍵因素，目前一般的BRDF測量精度只能到140 nm。這里研制了一套基于光電倍增管的真空紫外漫反器BRDF測量標準部件，最低可測波長為115 nm，測量角度范圍為±60°，如圖9所示。標準部件包括測量模塊和采集控制模塊，測量模塊用于被測目標反射信號的探測，控制模塊用于實現(xiàn)運動控制，由真空倉壁上的真空法蘭實現(xiàn)二者的聯(lián)通。

圖9 真空紫外BRDF測量標準部件Fig.9 Standard components for vacuum ultraviolet BRDF measurement

垂直入射時BRDF測量的數(shù)學(xué)模型為：

對標準漫反射器在典型波長點入射角度為0°時的BRDF進行了測量，反射角為（θ，φ），結(jié)果如表2和圖10所示。從圖中可以看出，入射角為0°時，一定立體角區(qū)域內(nèi)的反射朗伯特性較好，反射率與其平均值的最大偏差不超過2%，可作為校準區(qū)域。

表2 標準漫反射器BRDF的測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of BRDF of standard diffuse reflector

圖10 標準漫反射器BRDF的測試結(jié)果Fig.10 Test result of BRDF of standard diffuse reflector

4 測量不確定度評價模型與分析

4.1 標準真空紫外輻射亮度計測量不確定度

根據(jù)式（4），標準真空紫外輻射亮度計輻射亮度響應(yīng)度測量不確定度評價的數(shù)學(xué)模型為：

式中：uφ(λ)為標準真空紫外輻射亮度計中的探測器溯源引入的不確定度分量（由計量證書確定），uΔA為探測器光敏面面積測量引入的不確定度分量（由計量證書確定），uω0為標準真空紫外輻射亮度計中的光闌立體角測量引入的不確定度分量（由計量證書確定），u4為測量重復(fù)性引入的不確定度分量（由前期數(shù)據(jù)確定），其具體數(shù)值見表3。

表3 標準真空紫外輻射亮度計的測量不確定度及分量Tab.3 Uncertainty and subscale of standard VUV radiometer （%）

4.2 標準漫反射器BRDF測量不確定度

根據(jù)計量證書以及前期實驗數(shù)據(jù)可得，標準漫反射器BRDF測量不確定度的主要來源由式（5）計算得到，見表4。

表4 標準漫反射器BRDF測量不確定度分量Tab.4 Uncertainty subscale of standard diffuser BRDF （%）

由于反射輻射亮度和入射輻射照度用同一探測器測量，則u L(θ0)與u E0具有相關(guān)性，估計其相關(guān)系數(shù)為0.8，則BRDF測量不確定度評價的數(shù)學(xué)模型為：

經(jīng) 計 算，在115～130 nm，uBRDF(0，θ)=4.8%；在130～200 nm，uBRDF(0，θ)=3.9%。

4.3 系統(tǒng)測量不確定度評價模型

根據(jù)式（2），基于標準漫反射器的真空紫外光譜輻射計校準結(jié)果的測量不確定度評價數(shù)學(xué)模型為：

式中：uφ(λ)為標準真空紫外輻射亮度計中探測器溯源引入的不確定度分量，uΔA為探測器光敏面面積測量引入的不確定度分量，u S0為待校真空紫外光譜輻射計中輸出信號測量引入的不確定度分量，u SE為入射輻射照度測量時探測器輸出信號測量引入的不確定度分量，uBRDF為標準漫反射器BRDF系數(shù)測量引入的不確定度分量，u6為測量重復(fù)性引入的不確定度分量。

根據(jù)式（3），基于標準漫透射器和標準真空紫外輻射亮度計的真空紫外光譜輻射計校準結(jié)果的測量不確定度評價數(shù)學(xué)模型為：

式中：u R0(λ)為標準真空紫外輻射亮度計輻射亮度響應(yīng)度引入的不確定度分量，u S＇0為待校真空紫外光譜輻射計中輸出信號測量引入的不確定度分量，u SL為標準真空紫外輻射亮度計輸出信號測量引入的不確定度分量，u＇4為測量重復(fù)性引入的不確定度分量。

4.4 比較分析

由4.1，4.2節(jié)可知，標準真空紫外輻射亮度計和標準探測器引入的測量不確定度相差不大，而BRDF測量引入的測量不確定度值較大。由4.3節(jié)可知，基于標準漫透射器和標準真空紫外輻射亮度計的校準，與基于標準漫反射器的校準相比，系統(tǒng)的測量不確定度評價模型中減少了BRDF測量引入的不確定度分量（3.9%～4.8%），量值傳遞鏈條較短，測量不確定度更優(yōu)。對視場角在±10°以內(nèi)的真空紫外光譜輻射計，基于標準真空紫外輻射亮度計的校準方法能獲得更優(yōu)的校準結(jié)果，同時校準時的光路對準更方便，操作過程更簡單。

5 真空紫外光譜輻射計校準實驗

實驗搭建了一套真空紫外光譜輻射計校準裝置，如圖11所示?；跇藴收婵兆贤廨椛淞炼扔嫞棉D(zhuǎn)臺對標準真空紫外輻射亮度計和待測真空紫外光譜輻射計同位互換，對風(fēng)云衛(wèi)星上的空間探測用真空紫外光譜輻射計（真空紫外電離層光度計）進行了校準，校準結(jié)果見圖12。

圖11 真空紫外光譜輻射計載荷校準現(xiàn)場Fig.11 Load calibration site of VUV spectroradiometer

圖12 真空紫外光譜輻射計校準結(jié)果Fig.12 Calibration results of VUV spectroradiometers

6 結(jié) 論

本文提出了一種校準光束均勻、量值傳遞鏈條短的校準方法，校準方法中去掉了BRDF測量引入的不確定度分量，研建了相應(yīng)的校準裝置，波長最低到115 nm，校準光束在±10°以內(nèi)具有很好的朗伯均勻輻射特性；對測量不確定度評價模型進行了分析，結(jié)果表明基于標準真空紫外輻射亮度計和漫透射器的校準方法的測量不確定度更優(yōu)。對風(fēng)云衛(wèi)星上的真空紫外光譜輻射計開展了校準實驗，得到了它在典型波長點的光譜輻射亮度響應(yīng)度值，最終的校準結(jié)果不確定度為12%，目前真空紫外光譜輻射計在軌運行良好。研制的真空紫外光譜輻射計校準裝置填補了國內(nèi)的空白，在空間探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。后續(xù)擬利用國內(nèi)的同步輻射實驗室，擴展同步輻射光束線的最小波長到10 nm，實現(xiàn)10～200 nm波段真空紫外光譜輻射計的校準。