楊林華，許 杰，蔣山平

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

引言

反射率是物體表面反射波每秒從界面單位面積帶走的能量與每秒入射到界面單位面積上的能量之比［1］，光譜反射率則是由物體不同波長(zhǎng)反射率組成的一個(gè)序列，能夠提供各種物體、材料光學(xué)特性的重要信息，是物體固有的物理特征。鑒于光譜測(cè)量具有分辯物體真實(shí)特性的能力，越來(lái)越多的航天器攜帶可以測(cè)量光譜信息的遙感器。為了獲取遙感器輸入輻射量與輸出量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定量反演遙感目標(biāo)輻射信息，需要在遙感器發(fā)射前在模擬空間環(huán)境下進(jìn)行輻射定標(biāo)。在輻射定標(biāo)過(guò)程中，定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)光譜反射率是關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響定標(biāo)精度。目前，國(guó)內(nèi)外反射率原位測(cè)量普遍采用比對(duì)測(cè)量法，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)或切換光源位置的方式，利用輔助光學(xué)系統(tǒng)使得光源經(jīng)被測(cè)反射鏡、不經(jīng)過(guò)被測(cè)反射鏡，由光電探測(cè)器采集數(shù)據(jù)，2次數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，即可獲取被測(cè)反射鏡的反射率。

NASA紅外相機(jī)輻射定標(biāo)設(shè)備［2］，以NIST參考標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過(guò)輔助離軸光學(xué)系統(tǒng)建立反射率原位測(cè)量系統(tǒng)。采用精密轉(zhuǎn)臺(tái)控制黑體位置實(shí)現(xiàn)反射率的2次測(cè)量，獲得光學(xué)系統(tǒng)紅外譜段反射率，如圖1所示。該方法減少了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減小了測(cè)試的不確定度，在5μm～25μm譜段范圍內(nèi)的定標(biāo)精度達(dá)到1%。美國(guó)阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）建立的輻射定標(biāo)系統(tǒng)，具有對(duì)黑體等寬波段光源光學(xué)特性的原位測(cè)量功能［3］。

圖1 NASA定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)反射率原位測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 In－situ reflectivity measurement system of NASA calibration optical system

國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究也日漸開(kāi)展，中科院上海硅酸鹽研究所開(kāi)展了航天器熱控涂層的光譜反射率真空紫外原位測(cè)量，波長(zhǎng)范圍250nm～2 500nm，但其真空環(huán)境由封裝好的玻璃石英管提供，紫外輻照與數(shù)據(jù)測(cè)量并非同時(shí)進(jìn)行，不能稱為嚴(yán)格意義上的原位測(cè)量［4］。長(zhǎng)春光機(jī)所建立了一套球面鏡真空紫外光譜反射率的試驗(yàn)裝置，波長(zhǎng)范圍115nm～180nm，測(cè)量重復(fù)性±0.3%，不確定度優(yōu)于1.3%［5］。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用積分球系統(tǒng)，測(cè)量了1.319μm處45＃鋼反射率隨溫度的變化規(guī)律［6］。

中國(guó)空間技術(shù)研究院511所建立資源衛(wèi)星輻射定標(biāo)設(shè)備，并多次圓滿完成定標(biāo)試驗(yàn)。但是由于受技術(shù)限制，并沒(méi)有建立真空低溫環(huán)境下定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)反射率原位測(cè)量系統(tǒng)，將常溫常壓下測(cè)得的樣鏡反射率，作為光學(xué)系統(tǒng)的反射率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這種差異將影響定標(biāo)精度。隨著航天器分辨率、光譜測(cè)量精度的提高，地面輻射定標(biāo)精度也需要隨之提高，定標(biāo)系統(tǒng)光譜反射率是影響定標(biāo)精度的關(guān)鍵因素之一，基于此需要開(kāi)展定標(biāo)系統(tǒng)反射率原位測(cè)量技術(shù)的研究。

光譜反射率的測(cè)量方法普遍采用比對(duì)法，即首先將光源直接照射或是只經(jīng)過(guò)輔助光學(xué)系統(tǒng)照射光電探測(cè)器并采集數(shù)值，然后通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置或切換光源位置的方式，使光線經(jīng)過(guò)被測(cè)反射鏡和輔助光學(xué)系統(tǒng)后再照射光電探測(cè)器，將2次采集值進(jìn)行比對(duì)，即可獲得被測(cè)表面的反射率或光譜反射率［7］［8］。本文論述了一種采用比對(duì)測(cè)量法進(jìn)行簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)真空低溫環(huán)境下光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)的研制、試驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果分析，為建立輻射定標(biāo)系統(tǒng)真空低溫環(huán)境下光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。

1 光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)的建立

1.1 基本原理

定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的有效通光口徑一般大于航天器的20%［9］，因此定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的有效通光口徑較大，不利于直接用定標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行反射率研究。為此，采用縮比的方法建立小型離軸拋物面反射光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行譜反射率原位測(cè)量技術(shù)研究。測(cè)量系統(tǒng)由太陽(yáng)模擬器、準(zhǔn)直鏡、光學(xué)窗口、折疊鏡、被測(cè)離軸拋物面反射鏡（以下簡(jiǎn)稱拋物鏡）、光譜輻射計(jì)、數(shù)據(jù)采集等組成，在511所小型空間環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。原理如圖2所示，光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡及光學(xué)窗口，入射到可以在真空低溫下轉(zhuǎn)動(dòng)的折疊鏡，分別經(jīng)過(guò)與不經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品射入積分球，由光譜輻射計(jì)測(cè)量光譜輻照度，過(guò)程中盡量保證2次光線對(duì)折疊鏡的入射角相等、保證反射光全部進(jìn)入積分球，提高測(cè)量精度。

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 空間環(huán)模設(shè)備

試驗(yàn)在直徑800mm、長(zhǎng)1 200mm空間環(huán)模設(shè)備上進(jìn)行，真空度可達(dá)到10－5Pa；熱沉直徑550 mm，溫度可達(dá)到80K；法蘭有效口徑為100mm，配置2個(gè)石英光學(xué)窗口；光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)容器內(nèi)的導(dǎo)軌和光學(xué)窗口的高度進(jìn)行搭建。

1.2.2 被測(cè)拋物鏡

拋物鏡的材料為微晶玻璃，通光孔徑Ф124 mm，焦距575mm，離軸角10°，表面加工誤差RMS值（1／20）λ（λ＝632.8nm），表面鍍鋁及二氧化硅保護(hù)膜，安裝在鋁制鏡座內(nèi)，鏡體靠壓圈固定，與鏡座之間用聚四氟乙烯墊圈隔開(kāi)，如圖3所示。

圖2 光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of in－situ spectral reflectivity measurement system

1.2.3 折疊鏡組件

圖3 被測(cè)離軸拋物鏡Fig.3 Off－axis parabolic mirror

測(cè)試光路中折疊鏡的材料為微晶玻璃，通光孔徑Ф40mm，表面加工誤差RMS值（1／50）λ（λ＝632.8nm），安裝在鋁制鏡座內(nèi)。鏡座放置在經(jīng)無(wú)油化和低溫處理的轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)與低溫電機(jī)間靠連軸器連接，可以在－170℃～300℃的溫度范圍正常工作，如圖4所示。

圖4 折疊鏡組件Fig.4 Folding mirror

1.2.4 準(zhǔn)直透鏡

準(zhǔn)直透鏡由K9正透鏡和ZF2負(fù)透鏡膠合組成，焦距1 000mm，鏡座與五維調(diào)節(jié)臺(tái)用螺釘連接，用于調(diào)節(jié)空間位置，下方設(shè)計(jì)有移動(dòng)導(dǎo)軌，用于光路1、2切換過(guò)程中準(zhǔn)直透鏡位置的調(diào)整，如圖5所示。

1.2.5 太陽(yáng)模擬器

測(cè)量系統(tǒng)光源采用小型500W太陽(yáng)模擬器，標(biāo)準(zhǔn)輻照面積78mm×78mm，輻照度0.8～1.5個(gè)太陽(yáng)常數(shù)［10］（1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)為1 366.1W／m2），輻照不穩(wěn)定度±1%，光譜范圍250nm～2 500 nm，如圖6所示。

圖5 準(zhǔn)直透鏡Fig.5 Collimating lens

圖6 500W太陽(yáng)模擬器Fig.6 500 W solar simulator

2.2.5 光譜輻射計(jì)

光譜探測(cè)器采用OL750光譜輻射計(jì)，配置了標(biāo)定用積分球，光譜范圍350nm～2 500nm，可見(jiàn)光350nm～800nm譜段測(cè)量不確定度優(yōu)于2.7%，近紅外、短波紅外800nm～2 500nm譜段測(cè)量不確定度優(yōu)于4.6%，利用積分球測(cè)量光譜輻照度，外形尺寸 Φ152.4mm，開(kāi)口尺寸 Φ25.4 mm，如圖7所示。

圖7 OL750光譜輻射計(jì)Fig.7 OL750 spectrometer

2 測(cè)量結(jié)果及其精度分析

2.1 測(cè)量過(guò)程

光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)如圖8所示。在常溫常壓下完成光路裝調(diào)，分別交替測(cè)量光線經(jīng)過(guò)拋物鏡與不經(jīng)過(guò)拋物鏡的光譜輻照度各3次，依次相除得到3組光譜反射率曲線，求得平均值作為工況測(cè)量結(jié)果。之后分別在真空低溫及恢復(fù)常溫常壓工況重復(fù)測(cè)量過(guò)程，得到全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中空間環(huán)模設(shè)備的極限真空度8×10－5Pa，拋物鏡測(cè)量時(shí)的溫度為－118.1℃。

圖8 光譜反射率原位測(cè)量系統(tǒng)Fig.8 In－situ spectral reflectivity measurement system

2.2 測(cè)量結(jié)果

常溫常壓工況下光譜反射率測(cè)量結(jié)果如圖9所示。波長(zhǎng)范圍350nm～950nm，測(cè)量光譜間隔10nm，各波長(zhǎng)3次測(cè)量結(jié)果重復(fù)性的平均值為±1.0%；真空低溫及恢復(fù)常溫常壓下的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11所示，重復(fù)性分別為±0.8%及±1.4%，總測(cè)量重復(fù)性為±1.1%。3個(gè)工況下的光譜反射率平均值分別為0.882，0.861和0.883。

2.3 測(cè)量精度

圖9 常溫常壓工況光譜反射率測(cè)量結(jié)果Fig.9 Test result of spectral reflectivity in atmospheric environment

圖10 真空低溫工況光譜反射率測(cè)量結(jié)果Fig.10 Test result of reflectivity in simulated space environment.

圖11 恢復(fù)常溫常壓工況光譜反射率測(cè)量結(jié)果Fig.11 Test result of spectral reflectivity when back to atmospheric environment

測(cè)量重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明系統(tǒng)測(cè)量值的波動(dòng)范圍。本小節(jié)從系統(tǒng)組成及測(cè)量原理方面，對(duì)4個(gè)主要分量用不確定度分析方法對(duì)系統(tǒng)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)［11－12］。

2.3.1 太陽(yáng)模擬器穩(wěn)定性影響

太陽(yáng)模擬器的穩(wěn)定性為±1%／h，試驗(yàn)中測(cè)量一組反射率數(shù)據(jù)的時(shí)間小于1h，可以認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定性為±1%，假設(shè)其概率服從均勻分布，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.58%。

2.3.2 折疊鏡角度偏轉(zhuǎn)精度的影響

在光學(xué)系統(tǒng)中，光線入射到折疊鏡的角度均確定在45°，但試驗(yàn)過(guò)程中低溫傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙較大，故定位精度較低。由系統(tǒng)光路圖可知，積分球與輔助平面鏡距離450mm，開(kāi)口Φ25.4mm，考慮到光斑尺寸約10mm，故光路2中平面鏡實(shí)際的入射角偏差由公式（1）計(jì)算：

式中：θ2為入射角偏差，單位（°）；d1為積分球開(kāi)口直徑，25.4mm；d2為光斑直徑，10mm；l為積分球與輔助平面鏡距離，450mm。

計(jì)算得到θ2＝0.98°。同理，光路1中的l值約為1 450mm，求得θ1＝0.30°，2次測(cè)量中，輔助平面反射鏡的角度偏差取θ1和θ2的平方和為1.02°。根據(jù)文獻(xiàn)中鏡面反射率隨入射角的變化規(guī)律，由40°改變?yōu)?0°時(shí)，反射率變化率為 ±0.5%［13］，因此對(duì)于1.02°的入射角變化，認(rèn)為對(duì)反射率測(cè)量的影響可以忽略。

2.3.3 系統(tǒng)雜散光影響

為了抑制系統(tǒng)雜散光，在太陽(yáng)模擬器開(kāi)口處設(shè)置了光闌，只有較小面積的光線可以出射，并完全進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)光路，不會(huì)入射到光學(xué)元件鏡框上，有效地減小了一次散射［14］，因此認(rèn)為雜散光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。

2.3.4 探測(cè)器測(cè)量不確定度

OL750光譜輻射計(jì)探測(cè)器手冊(cè)中近紅外、短波紅外譜段測(cè)量不確定度較大，為4.6%，假設(shè)其概率服從正態(tài)分布，且置信水準(zhǔn)為0.95，得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.35%［15］。

2.3.5 分析結(jié)果

從上述分析可以看出，系統(tǒng)的相對(duì)合成不確定度為2.4%，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 光譜反射率測(cè)量系統(tǒng)不確定度分析結(jié)果Table 1 Uncertainty analysis of spectral reflectivity measurement system

2.4 分析與討論

從原位測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，鍍鋁及二氧化硅反射膜的小型離軸拋物面反射鏡，其光譜反射率在真空低溫環(huán)境下較常溫常壓下有所降低，在溫度恢復(fù)后基本恢復(fù)到初始水平。原來(lái)用大氣環(huán)境下測(cè)量小樣鏡反射率代替真空低溫環(huán)境使用反射鏡的反射率方式，通過(guò)本文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明這種方式得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段選用了光譜范圍350nm～2 500nm的太陽(yáng)模擬器光源及OL750光譜輻射計(jì)作為探測(cè)器，系統(tǒng)的理論測(cè)量范圍也應(yīng)該達(dá)到這個(gè)范圍，但是在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行光譜輻照度探測(cè)時(shí)，大于950nm譜段，由于信號(hào)較小，系統(tǒng)信噪比較高，得到的反射率結(jié)果不甚理想，在今后的研究中可以考慮采用提高光源輻照能量，或者是更換更靈敏探測(cè)器的方法加以改進(jìn)。

在現(xiàn)有研究成果中，分光器件可以選擇放在光源部分，如單色儀光源加硅光電池片、光電二極管等全譜段探測(cè)器，具有對(duì)弱光紅外信號(hào)的探測(cè)性能更好，適用光譜范圍寬的優(yōu)點(diǎn)；也可以選擇放在探測(cè)器部分，如太陽(yáng)模擬器或其他全譜段光源加光譜儀測(cè)量，系統(tǒng)模塊化程度高，性能可靠，測(cè)量精度高。兩種情況各具特點(diǎn)，均有著廣泛應(yīng)用。

模擬空間環(huán)境下影響光學(xué)系統(tǒng)反射率的因素比較復(fù)雜，基于無(wú)法對(duì)各種因素進(jìn)行觀察、測(cè)量，因此測(cè)量精度的分析存在局限性。

目前國(guó)際上較先進(jìn)水平的光譜測(cè)量精度較之國(guó)內(nèi)高出很多，需要我們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域做出更大的努力，彌補(bǔ)這種差距。

3 結(jié)論

通過(guò)建立小型離軸拋物面反射鏡光譜反射率真空低溫環(huán)境原位測(cè)量系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)，在350 nm～950nm譜段取得了較高精度的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行了模擬空間環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)反射率原位測(cè)量的初步探索，以此為基礎(chǔ)增加檢測(cè)手段、擴(kuò)大光譜范圍，提高測(cè)量精度，建立適用于航天器光學(xué)載荷模擬空間環(huán)境下的光譜定標(biāo)系統(tǒng)反射率的原位測(cè)量技術(shù)，提高輻射定標(biāo)的精度。

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