張艷娜，鄭小兵，李 新，韋 瑋，龐偉偉

（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國科學(xué)院定標(biāo)與表征重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031）

引言

隨著遙感定量化精度的提高，以及寬波段、高分辨率的衛(wèi)星載荷越來越多地應(yīng)用到遙感探測領(lǐng)域，需要在外場輻射校正中進(jìn)行多譜段、高精度的大氣傳輸特性觀測，來提高輻射模型的反演精度［1－3］。太陽光譜輻照度儀在可見－近紅外波段太陽光譜的細(xì)分觀測功能，可以準(zhǔn)確表征場地的大氣類型，在寬波段內(nèi)與遙感器的波段范圍和分辨率相匹配，以減小輻射傳輸計(jì)算產(chǎn)生的偏差。為此開展連續(xù)光譜太陽直射輻照度儀的定標(biāo)方法研究，可以保證大氣觀測數(shù)據(jù)的可靠性，有效提高遙感器場地輻射校正的精度。

太陽輻射計(jì)常用的定標(biāo)方法為Langley法，在海拔高且大氣狀況穩(wěn)定的高山上，假設(shè)大氣光學(xué)厚度為常數(shù)，即可將儀器溯源到大氣層頂?shù)妮椪斩?，對于連續(xù)光譜觀測儀器來說，一般采用標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行相對定標(biāo)和Langley法絕對定標(biāo)，以提高大氣吸收波段的定標(biāo)精度，太陽光譜輻射計(jì)ASD－FD在海拔3 390m的 MLO（mauna loa observatory）定標(biāo)得到的不確定度在2%～3%之間［4］。但是這種方法對環(huán)境的苛刻要求限制了其定標(biāo)精度的提高及應(yīng)用，為此國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都提出了室內(nèi)定標(biāo)的方法，按輻射初級標(biāo)準(zhǔn)分為溯源于黑體輻射源和溯源于低溫絕對輻射計(jì)兩種方法，溯源于黑體輻射源的方法是依據(jù)普朗克定理，將金屬凝固點(diǎn)黑體的輻射基準(zhǔn)傳遞到光輻射測量設(shè)備，最終傳遞精度一般在5%～10%的量級［5］；溯源于低溫絕對輻射計(jì)的方法是利用光電探測器的高靈敏度和穩(wěn)定性進(jìn)行基準(zhǔn)傳遞，精度可以達(dá)到0.5%～5%［5］。美國大氣輻射測量（ARM）SGP（southern great plants）站點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)遮光帶式太陽光譜儀（RSS）使用溯源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈作為光源，定標(biāo)得到的不確定度為5%［6］，德國物理技術(shù)研究院（PTB）利用3 200K高溫黑體對歐空局的太陽光譜輻射儀（SOLSPEC）定標(biāo)的不確定度可達(dá)1%［7］，NIST 使用溯源于低溫輻射計(jì)的SIRCUS（spetral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources）定標(biāo)裝置對濾光片太陽輻射計(jì)SIMBADA定標(biāo)的不確定度優(yōu)于0.25%［8］。

溯源于低溫絕對輻射計(jì)的定標(biāo)方法與傳統(tǒng)的溯源于黑體輻射源的方法相比，具有初級標(biāo)準(zhǔn)精度高、傳遞鏈路短的優(yōu)勢。針對太陽光譜輻照度儀的特點(diǎn)，本文提出了使用可調(diào)諧激光器－積分球光源來進(jìn)行系統(tǒng)級定標(biāo)的方法，以低溫絕對輻射計(jì)作為初級標(biāo)準(zhǔn)，利用可調(diào)諧激光器－積分球光源能量高、波長連續(xù)可調(diào)、均勻性好的特點(diǎn)，通過基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的方法，將太陽光譜輻照度儀的輻射基準(zhǔn)直接溯源到初級標(biāo)準(zhǔn)，從而有效提高定標(biāo)精度。

1 定標(biāo)原理

太陽光譜輻照度儀是在地面對可見－近紅外波段的太陽直射輻射進(jìn)行連續(xù)觀測的儀器［9］，其內(nèi)部工作原理如圖1所示。它通過精密的太陽跟蹤來保證直射太陽輻照度E的測量，光通過入射狹縫進(jìn)入Fèry棱鏡，利用棱鏡的前凹面和后凸面進(jìn)行色散和反射，將分光得到的連續(xù)光譜會聚到焦平面，通過棱鏡對光譜的色散角度來控制棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將各個(gè)波長的光投射到焦平面上的陷阱探測器中。

圖1 太陽光譜輻照度儀工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar irradiance spectroradiometer

相對于光柵分光和利用CCD線陣探測器進(jìn)行光譜探測的太陽光譜儀［6－7］，太陽光譜輻照度儀采用的陷阱探測器以其高穩(wěn)定和高線性的特點(diǎn)可以保證觀測精度，棱鏡色散可以消除多級雜散光，簡化光機(jī)結(jié)構(gòu)，從而能夠長期以高精度表征寬波段范圍內(nèi)氣溶膠和吸收譜段的特征參數(shù)。但是這種光機(jī)結(jié)構(gòu)要求定標(biāo)光源能夠在寬譜段范圍內(nèi)提供高能量出射光，以滿足實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)時(shí)的信噪比要求，常用的高溫黑體和標(biāo)準(zhǔn)燈與室外太陽輻照度在能量強(qiáng)度和光譜分布上差異較大［4－7］，儀器的帶寬、信噪比以及非線性等因素會給定標(biāo)引入難以量化的誤差。

為此采用基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的系統(tǒng)級定標(biāo)方法，將儀器作為一個(gè)整體，利用可調(diào)諧激光器的高能量和精細(xì)波長調(diào)諧特點(diǎn)，通過導(dǎo)入積分球產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的單色照度點(diǎn)光源，這種方法不僅可以提供高能量的均勻照度光源，而且可以在寬譜段范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的光譜掃描。另外利用標(biāo)準(zhǔn)探測器進(jìn)行輻射基準(zhǔn)傳遞，可以大大地縮短標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈路，減小定標(biāo)不確定度。其中標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器由陷阱探測器和精密孔徑光闌構(gòu)成，陷阱探測器的功率響應(yīng)度RΦ－Trap溯源于低溫絕對輻射計(jì)，光闌面積為A。定標(biāo)時(shí)假設(shè)太陽光譜輻照度儀和標(biāo)準(zhǔn)探測器測得的電壓信號分別為V和VTrap，接收到的積分球點(diǎn)光源的輻照度為E和ETrap，則有：

（1）式中的RE－Trap為標(biāo)準(zhǔn)探測器的輻照度響應(yīng)度，（2）式中的RE為太陽光譜輻照度儀的輻照度響應(yīng)度，根據(jù)儀器的測量原理，可表示為入射狹縫A、棱鏡透過率TF、陷阱探測器響應(yīng)率R以及衍射校正因子Φ的乘積：

設(shè)dTrap和d分別為標(biāo)準(zhǔn)探測器孔徑光闌和照度儀入射狹縫與積分球點(diǎn)光源出口之間的距離，則根據(jù)照度平方反比定理，兩者接收到的輻照度之間有（4）式所示的關(guān)系：

由此可得帶寬Δλ內(nèi)太陽光譜輻照度儀的輻照度響應(yīng)度：

2 定標(biāo)過程及結(jié)果

2.1 可調(diào)諧激光器－積分球定標(biāo)

圖2為使用可調(diào)諧激光－積分球光源定標(biāo)照度儀的裝置示意圖。鈦寶石可調(diào)諧激光器在532nm激光泵浦的激勵(lì)下，在700nm～1000nm波段產(chǎn)生波長連續(xù)可調(diào)的高功率激光。經(jīng)聚焦透鏡和格蘭泰勒棱鏡來將線偏振激光變?yōu)榇怪狈较蚱鹌母咚构獍撸M(jìn)入到分束鏡中，一束入射至波長計(jì)，通過邁克爾遜干涉測量技術(shù)進(jìn)行波長測量及監(jiān)視，另一束則進(jìn)入到激光功率控制器，進(jìn)行激光功率的測量、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

圖2 太陽光譜輻照度儀的定標(biāo)裝置圖Fig.2 Calibration system of solar irradiance spectroradiometer

調(diào)制后的激光導(dǎo)入到積分球中，其內(nèi)壁涂有多層聚四氟乙烯漫射材料，經(jīng)過積分球的多次反射和漫射后，可以在出光口處形成均勻的光強(qiáng)度分布。球的內(nèi)徑為15mm，入口直徑為6mm，出口直徑為3mm，入口和出口法線互相垂直，漫反射板的曲率半徑為15mm，入口平面法線和開口平面法線的夾角為15°，以保證激光入射至漫反射板的邊緣處，其旋轉(zhuǎn)通過外部的直流電機(jī)來帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速保持在10s／r以上，就可以消除激光相干產(chǎn)生的散斑，最終在積分球出口處產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定且波長連續(xù)可調(diào)的照度場。

由于積分球產(chǎn)生的3mm的光源面并不能覆蓋太陽光譜輻照度儀的波長反饋光路，為此使用632.8nm的氦氖激光器作為波長反饋光源，該激光光束與積分球出口光軸平行。定標(biāo)時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)探測器和太陽光譜輻照度儀固定在一維電動(dòng)平移臺上，通過電動(dòng)平移臺控制箱使照度儀和標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器交替對準(zhǔn)積分球出口中心進(jìn)行測量，平移臺采用光柵尺精確定位，精度可達(dá)1μm。另外，在積分球光源所在的視場范圍內(nèi)，放置監(jiān)視探測器來修正照度儀和標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器在交替測量過程中照度場的變化，由此即可完成太陽光譜輻照度儀到低溫絕對輻射計(jì)的輻射量值傳遞。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器的響應(yīng)度

標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器作為傳遞探測器，由高穩(wěn)定的陷阱探測器以及精密孔徑光闌組成，其中陷阱探測器由三片Si光電二極管按照陷阱式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，入射光在其光敏面上經(jīng)歷5次反射，以保證其能夠全部被接收；孔徑光闌用于限制入射光的幾何區(qū)域，其面積決定了入射輻照度的大小。

陷阱探測器的功率響應(yīng)度利用單波長激光器、鈦寶石激光器以及倍頻器產(chǎn)生的24個(gè)單色高斯光束作為入射光，分別測量低溫絕對輻射計(jì)的功率P和陷阱探測器的信號VTrap，然后結(jié)合布儒斯特窗口的透過率TA，即可完成溯源于低溫輻射計(jì)的輻射定標(biāo)［10］，圖3為定標(biāo)得到的絕對光功率響應(yīng)曲線。

圖3 陷阱探測器的功率響應(yīng)度Fig.3 Power responsivity of trap detector

由于孔徑光闌的機(jī)械加工精度限制，并不能保證其為理想的圓形，為了保證光闌的使用狀態(tài)和定標(biāo)狀態(tài)一致，需要對其精確測量。目前常用的光闌測量方法有幾何法、通量比較法和有效面積法［11］。本文選用有效面積法，利用高斯激光光束在二維平面內(nèi)等步距掃描進(jìn)行面積測量，定標(biāo)裝置如圖4所示。

圖4 光闌面積定標(biāo)裝置圖Fig.4 Calibration system of aperture diaphragm area

由鈦寶石激光器產(chǎn)生的740nm單色光通過偏振棱鏡起偏、激光功率控制器穩(wěn)定以及空間濾波器調(diào)制后，得到干凈的高斯光束。將待測光闌固定在高精度電控平移臺上，通過電機(jī)控制箱驅(qū)動(dòng)其做二維掃描。在光闌后面放置入口直徑為20mm的積分球，以保證直射激光以及光闌的散射光能夠被全部接收，陷阱探測器放置積分球的出口處，來將透過光闌的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

有效面積法測量時(shí)，根據(jù)高斯光束的能量廓線分布，激光的半徑應(yīng)該小于0.45倍的光闌直徑，使用激光光斑分析儀得到的激光半徑為0.5mm，如圖5（a）所示。掃描范圍的一維長度應(yīng)大于光闌直徑的兩倍，掃描間隔小于激光直徑的0.32倍，且掃描點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)，以保證中心位置處激光能夠全部被探測器接收到。最終確定在2.5mm＊2.5mm的范圍以0.25mm的步距進(jìn)行掃描測量，掃描得到的探測器二維點(diǎn)陣信號如圖5（b）所示。

圖5 孔徑光闌面積定標(biāo)結(jié)果Fig.5 Calibration result of aperture diaphragm area

在測量過程，探測器在每個(gè)掃描點(diǎn)測得的電壓值為Vm，n，測量前后中心位置處的信號和本底值分別為V1、Vd1和V2、Vd2，根據(jù)（6）式，即可計(jì)算得到孔徑光闌的面積，為3.29 402mm2。

3 結(jié)果與比對分析

3.1 定標(biāo)結(jié)果

根據(jù)上述定標(biāo)原理，選擇了740nm、765nm、780nm、800nm、820nm、840nm、870nm、900nm、920nm和940nm 10個(gè)波段進(jìn)行了輻射定標(biāo)，掃描得到的照度儀的光譜輻照度響應(yīng)曲線如圖6所示。

得到定標(biāo)波長點(diǎn)的光譜響應(yīng)曲線之后，就可以按照（6）式的輻照度響應(yīng)度計(jì)算公式將測量值進(jìn)行積分，表1為各個(gè)定標(biāo)波段的計(jì)算結(jié)果。

3.2 不確定度分析

根據(jù)國際通用的測量不確定度評估和表述規(guī)范，太陽光譜輻照度儀定標(biāo)過程中的不確定度來源包括：照度儀和標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器的信號V和VTrap的測量偏差，照度儀和標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器的定標(biāo)距離d和dTrap的測量偏差，照度儀對日和對積分球觀測的反饋增益Rf－sun和Rf－LI的定標(biāo)偏差，以及標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器的響應(yīng)度RE－Trap的定標(biāo)偏差，另外還需要考慮光源的性能和照度儀的波長準(zhǔn)確性等間接因素帶來的偏差?？傮w來說可以分為光源、標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器和太陽光譜輻照度儀三個(gè)部分，具體的不確定度評估結(jié)果如表2所示。

由表可以看出，不確定度的主要來源為光源穩(wěn)定性，以及標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器的定標(biāo)不確定度，另外，測量過程中標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測器和照度儀測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差也是不確定度的主要來源，在各個(gè)波段有所差異，最終在700nm～1 000nm 10個(gè)波段太陽光譜輻照度儀合成的輻射定標(biāo)不確定度在0.515%～0.95%之間。

3.3 結(jié)果比對

室內(nèi)輻射定標(biāo)包括溯源于黑體輻射源和溯源于低溫絕對輻射計(jì)兩種方法，溯源于黑體輻射源的方法作為傳統(tǒng)的定標(biāo)方法不確定度較高，但技術(shù)成熟，通過與可調(diào)諧激光器－積分球法的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比對，可以對該定標(biāo)方法的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

比對時(shí)采用溯源于中國計(jì)量科學(xué)研究院的1 000W光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈作為輻射定標(biāo)光源，其輻照度由中國計(jì)量科學(xué)研究院所持有的金點(diǎn)黑體基準(zhǔn)，依據(jù)普朗克黑體輻射定理進(jìn)行傳遞［12］，計(jì)量院給出的絕對輻射量值為離開標(biāo)準(zhǔn)燈ds的參考平面上的光譜輻照度EL－s，因此需要根據(jù)照度平方反比定理計(jì)算得到入射到照度儀的輻照度EL。照度儀采用波長反饋掃描的方法，得到400nm～1 050nm工作波段范圍內(nèi)每個(gè)測量通道的積分響應(yīng)值VL，由（7）式即可得到太陽光譜輻照度儀在這個(gè)光譜范圍內(nèi)的輻照度響應(yīng)度：

將可調(diào)諧激光器－積分球的定標(biāo)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)燈法的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比對，表3為10個(gè)定標(biāo)波段的定量比對結(jié)果。

表3 輻照度響應(yīng)度定標(biāo)比對Table 3 Calibration comparison results of irradiance responsivity

由表可以看出，在10個(gè)比對波段兩者的偏差優(yōu)于4.67%，偏差最大的波長點(diǎn)為920nm，偏差來源除了插值誤差以及兩種方法的定標(biāo)不確定度外，還包括標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量過小帶來的偏差。其中，標(biāo)準(zhǔn)燈在400nm～800nm波段自身的輻射定標(biāo)不確定度為2.81%～1.63%，800nm～1050nm波段為1.63%～4.04%，積分球法的不確定度小于0.95%，兩者的偏差在兩種定標(biāo)方法的不確定度范圍之內(nèi)，由此可以證明使用可調(diào)諧激光器－積分球作為光源，通過標(biāo)準(zhǔn)探測器來將照度儀溯源到低溫絕對輻射計(jì)的定標(biāo)方法是可行的。

4 結(jié)論

這種溯源于低溫絕對輻射計(jì)的定標(biāo)方法，使用標(biāo)準(zhǔn)探測器進(jìn)行輻射基準(zhǔn)的傳遞，通過建立可調(diào)諧激光器－積分球的輻照度定標(biāo)裝置，得到了太陽光譜輻照度儀在可見－近紅外10個(gè)波段的光譜響應(yīng)曲線，評估了引起不確定度的因素，最終結(jié)果在0.515%～0.95%之間，通過與溯源于黑體輻射源的定標(biāo)方法比對偏差在兩者的不確定度以內(nèi)，證明了此種定標(biāo)方法的合理性。開展的研究克服了傳統(tǒng)的溯源于黑體輻射源定標(biāo)中能量低、不確定度高的缺點(diǎn)，減少了誤差來源，大大提高了輻射定標(biāo)精度，為連續(xù)光譜太陽輻照度觀測儀器的輻射定標(biāo)提出了一條新的技術(shù)途徑，對輻照度定標(biāo)、太陽光譜高精度觀測、大氣光譜特性的反演以及遙感定量化的發(fā)展等具有重要的意義。

［1］ Harder J W，Thuillier G，Richard E C，et al.The SORCE SIM solar spectrum：comparison with recent observations［J］.Solar Physics，2010，263：3－24.

［2］ Min Xingjun，Wang Zhimin，F(xiàn)u Qiao－yan，et al.Ground simultaneous measurements and analysis of radiometric characterization of dunhuang test site for calibrating CBERS－1sensors［J］.Geo－information Science，2002，3：43－50.閔祥軍，王志民，傅俏燕，等.CBERS－1CCD相機(jī)飛行絕對輻射標(biāo)定試驗(yàn)地面同步測量與場地輻射特性分析［J］.地球信息科學(xué)，2002，3：43－50.

［3］ Bian Jian.Back analysis of aerosol optical thickness on Bohai Gulf based on MISR data［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（1）：74－78.邊健.基于MISR數(shù)據(jù)反演渤海灣氣溶膠光學(xué)厚度［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34（1）：74－78.

［4］ Kindel B C，Qu Z，Goetz A F H.Direct solar spectral irradiance and transmittance measurements from 350 to 2500nm［J］.Applied Optics，2001，40（21）：3483－3494.

［5］ Yoon H W，Gibson C E.Comparison of the absolute detector－based spectral radiance assignment with the current NIST－assigned spectral radiance of tungsten strip lamps［J］.Metrologia，2000，37（5）：429－432.

［6］ Kiedron P W，Harrison L H，Michalsky J J，et al.Data and signal processing of rotating shadowband spectroradiometer（RSS）data［J］.Proceedings of SPIE，2002，4815：58－72.

［7］ Holben B N，Eck T F，Slutsker I，et al.SOLAR／SOLSPEC：scientific objectives，intrument performance and its absolute calibration using a blackbody as primary standard source［J］.Solar Phys.，2009，257：185－213.

［8］ Souaidia N，Pietras C，F(xiàn)argion G，et al.Comparison of laser－based and conventional calibrations of sun photometers［J］.Proceedings of SPIE，2003，5155：61－72.

［9］ Liu Enchao，Li Xin，Zhang Yanna，et al.Spectral scanning measurement of high－precision solar irradiance－meter［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2014，34（3）：609－613.劉恩超，李新，張艷娜，等.高精度太陽輻照度儀的光譜掃描測量［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（3）：609－613.

［10］Li Jianjun，Zheng Xiaobing，Lu Yunjun，et al.Accurate calibration of the spectral responsivity of silicon trap detectors between 350nm and 1 064nm ［J］.Acta Optica Sinica，2009，58（9）：6273－6278.李健軍，鄭小兵，盧云君，等.硅陷阱探測器在350～1 064nm波段的絕對光譜響應(yīng)度定標(biāo)［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58（9）：6273－6278.

［11］Chen Xiangzi，F(xiàn)ang Wei，Wang Yupeng，et al.An overview of the method of high－precision measuring the aperture diaphragm area［J］.Acta Optica Sinica，2013，62（16）：164211.陳祥子，方偉，王玉鵬，等.高精度測量孔徑光闌面積方法概述［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（16）：164211.

［12］Zhang Yanna，Liu Enchao，Li Xin，et al.Calibration method of VNIR solar irradiance spectroradiometer［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（1）：11－16.張艷娜，劉恩超，李新，等.可見－近紅外波段太陽光譜輻照度儀的輻射定標(biāo)方法研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2014，35（1）：11－16.