李志剛

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的高精度光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)光源

李志剛

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

本文在評(píng)述低溫絕對(duì)輻射計(jì)和SIRCUS發(fā)展的基礎(chǔ)上，討論了基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源的工作原理、發(fā)展與應(yīng)用前景。在探測(cè)器型光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)研究方面，工作在液氦溫度的低溫絕對(duì)輻射計(jì)不確定度達(dá)0.01%。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）建立的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)裝置（SIRCUS）采用一系列激光器，由低溫絕對(duì)輻射計(jì)傳遞的硅陷阱探測(cè)器定標(biāo)，不確定度已達(dá)到0.1%，成功應(yīng)用于空間遙感儀器高精度輻射定標(biāo)。分析認(rèn)為，發(fā)展中的基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源，定標(biāo)精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標(biāo)精度長(zhǎng)期穩(wěn)定。

光譜輻照度；光譜輻亮度；標(biāo)準(zhǔn)光源；光譜輻射定標(biāo)

1 引 言

早在20世紀(jì)70年代美國(guó)宇航局（NASA）Goddard空間飛行中心研制了星載太陽(yáng)后向散射紫外譜儀（SBUV）和臭氧總量繪圖譜儀（TOMS），取得地外太陽(yáng)光譜、大氣臭氧垂直分布及大氣臭氧總量全球分布的重要信息，用于環(huán)境科學(xué)、大氣物理、太陽(yáng)物理、氣象學(xué)、氣候?qū)W等項(xiàng)目研究［1］。近二、三十年，在全球變化研究的推動(dòng)下，國(guó)際上高精度大氣定量光譜遙感技術(shù)發(fā)展迅速。美國(guó)宇航局（NASA）和歐空局（ESA）又先后研制了全球臭氧監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)儀（GOME）、大氣繪圖掃描成像吸收譜儀（SCIAMACHY）、臭氧監(jiān)測(cè)儀（OMI）以及在軌二氧化碳觀測(cè)站（OCO）等，用于全球在軌大氣痕量氣體高精度定量監(jiān)測(cè)［2-5］。我國(guó)也相繼研制了太陽(yáng)紫外光譜監(jiān)視器、臭氧垂直探測(cè)儀、臭氧總量探測(cè)儀并正在研制二氧化碳探測(cè)儀、紫外高光譜臭氧輪廓探測(cè)儀等大氣定量光譜遙感儀器［6-9］，已用于或?qū)⒂糜谌虼髿獬粞鹾投趸己扛呔榷勘O(jiān)測(cè)。這些空間遙感儀器的共同特點(diǎn)是對(duì)光譜輻射定標(biāo)精度要求很高。

在需求的推動(dòng)下，國(guó)際上光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)的得到迅速發(fā)展。在探測(cè)器型光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)研究方面，工作在液氦溫度的低溫絕對(duì)輻射計(jì)，不確定度達(dá)0.01%。NIST研制的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)裝置（SIRCUS）采用一系列激光器，覆蓋波長(zhǎng)范圍從紫外到紅外，由低溫絕對(duì)輻射計(jì)傳遞的陷阱探測(cè)器定標(biāo)，不確定度達(dá)到0.1%的水平，已成功應(yīng)用于空間遙感儀器高精度輻射定標(biāo)。發(fā)展中的基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源，有兩種工作模式，采用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)，定標(biāo)精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標(biāo)精度長(zhǎng)期穩(wěn)定。

本文首先評(píng)述作為探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的低溫輻射計(jì)的誕生、發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)傳遞與所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，討論高精度探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)在遙感儀器輻射定標(biāo)中的相關(guān)應(yīng)用問(wèn)題。與標(biāo)準(zhǔn)光源不同，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器一般不能直接用于遙感儀器光譜輻亮度響應(yīng)度或光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)。為此各國(guó)競(jìng)相研制以標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)的單色或準(zhǔn)單色光源裝置，用于遙感儀器高精度輻射定標(biāo)。在以激光作單色光源研究方面，以NIST的SIRCUS研究工作為代表，已實(shí)現(xiàn)定標(biāo)不確定度為0.1%，并應(yīng)用于遙感儀器高精度輻射定標(biāo)。在數(shù)字微鏡（DMD）準(zhǔn)單色光源研究方面，國(guó)際上，包括中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所，發(fā)展了基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源，定標(biāo)精度高，自行校正老化、衰減，保證定標(biāo)精度長(zhǎng)期穩(wěn)定，研究工作亦頗具特色。

2 探測(cè)器型光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)—低溫絕對(duì)輻射計(jì)

國(guó)際上，通常有兩類(lèi)光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)：一類(lèi)是光源型，如黑體和同步輻射光源；另一類(lèi)是探測(cè)器型，如低溫絕對(duì)輻射計(jì)。低溫絕對(duì)輻射計(jì)工作于液氦溫度，主要由接收腔、加熱器和溫度傳感器三部分組成。當(dāng)入射輻射照射低溫輻射計(jì)接收腔時(shí)，接收腔上升到一定溫度，溫度傳感器記錄下這一變化。擋掉光輻射，加熱器通電，接收腔升溫，通過(guò)改變電加熱功率，直至接收腔再現(xiàn)其溫度變化，此時(shí)通過(guò)測(cè)量電加熱功率即給出光輻射功率。國(guó)際上，一直以電功率再現(xiàn)光功率原理工作的電替代絕對(duì)輻射計(jì)作為探測(cè)器型光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)的發(fā)展始于19世紀(jì)末［10］。工作在環(huán)境溫度的電替代輻射計(jì)不確定度為0.1%～0.3%，其不確定度的進(jìn)一步降低受限于材料熱特性、入射輻射非完全吸收及替代的電加熱功率非完全等效于吸收的入射輻射功率等［11］。

20世紀(jì)70年代，低溫電替代輻射計(jì)量技術(shù)首先在NIST發(fā)展并用于溫度計(jì)量，隨后用于低溫真空黑體定標(biāo)［12］。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）研制了類(lèi)似的裝置，用于Stefan-Boltzmann常數(shù)測(cè)量。期間，Quinn和Martin曾指出如果將常溫電替代輻射計(jì)致冷到液氦溫度，其靈敏度和準(zhǔn)確度將會(huì)提高約100倍。基于這一思想，在NPL設(shè)計(jì)了一臺(tái)專(zhuān)用于光輻射測(cè)量的低溫輻射計(jì)，并由Oxford Instruments PLC公司制造成功［11］。

基于NPL-OXFORD設(shè)計(jì)，經(jīng)改進(jìn)后，美國(guó)NIST研制了高精度低溫輻射計(jì)（HACR）［12］。HACR在0.8 mW光功率下的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)0.021%。德國(guó)PTB也使用了基于NPL-OXFORD設(shè)計(jì)的低溫輻射計(jì)［13］。

在HACR基礎(chǔ)上，NIST設(shè)計(jì)的低溫輻射計(jì)POWR（Primary OpticalWatt Radiometer）是美國(guó)國(guó)家光功率單位基準(zhǔn)［14］，曾稱(chēng)作HACR2，已取代HACR，如圖1所示。POWR的設(shè)計(jì)具有模塊化特點(diǎn)，由探測(cè)器模塊、遮光罩模塊及前置光學(xué)模塊組成。POWR在大多情況下工作在4.2 K，在極低光功率測(cè)量下，為減少熱噪聲，可工作在2 K溫度。低溫保持器裝約100 L液氦，通?？捎?4天。液氮池環(huán)繞液氦池周?chē)?，用以絕熱。在液氦池下的冷板上有一組絲孔，如圖2所示，中央部位用于安裝探測(cè)器模塊和遮光罩模塊，周?chē)糜诎惭b測(cè)溫的電連接器、導(dǎo)線熱錨。探測(cè)器模塊的饋線是磷青銅的，從冷板開(kāi)始、穿過(guò)冷屏直到真空饋線口。

圖1 NIST POWR結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of NIST POWR

圖2 冷板及安裝在冷板上的主要實(shí)驗(yàn)件示意圖Fig.2 Schematic diagram of cold plate and the critical experimental components mounted on the cold plate

探測(cè)器模塊如圖3所示。探測(cè)器模塊由冷塊、熱錨、熱沉和接收腔等組成。冷塊提供環(huán)繞接收腔的液氦溫度的冷背景，連接到冷板，通過(guò)熱錨，連接到液氦池。其接收腔是電成型的銅的柱形腔，直徑20 mm，長(zhǎng)150 mm，腔的后端傾斜30°，腔內(nèi)面涂以鏡反射黑漆，在633 nm處腔吸收率為0.999 995。一個(gè)加熱器無(wú)感應(yīng)地包裹在腔體封閉端，兩個(gè)片狀加熱器貼在后傾斜面上。鍺電阻溫度計(jì)（GRT）位于圓柱筒上。通過(guò)Kapton熱錨將接收腔固定到熱沉上。熱沉和冷快都由OFHC銅制成，先鍍鎳，后鍍金。所有表面都拋光、高反，以減少輻射影響。在探測(cè)器模塊前放置一個(gè)遮光罩，連接到冷塊。遮光罩模塊的離軸拋物面鏡收集雜散輻射并反射到硅光電二極管探測(cè)器，進(jìn)行測(cè)量。反射鏡中心有一孔，以便激光光束通過(guò)。前置光學(xué)模塊可以實(shí)現(xiàn)用陷阱探測(cè)器在線測(cè)量布儒斯特窗口透過(guò)率。POWR在633 nm處典型窗口透過(guò)率為0.999 921。

圖3 探測(cè)器和遮光罩模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the detector module and baffle section

NIST POWR低溫絕對(duì)輻射計(jì)探測(cè)器模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)為在毫瓦和微瓦水平的激光功率下測(cè)量不確定度為0.01%。后文提到的L-1標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)公司制造的L-1 ACR低溫輻射計(jì)較之POWR體積小、易于操作，用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞。POWR與L-1 ACR間一致性在0.02%以?xún)?nèi)。

光譜能量響應(yīng)度測(cè)量傳遞鏈路如圖4所示［15］。鏈路頂端是低溫輻射計(jì)POWR。L-1 ACR為低溫絕對(duì)輻射計(jì)，用作副基準(zhǔn)，在SIRCUS上定標(biāo)200～1 800 nm波段范圍的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器轉(zhuǎn)而在可見(jiàn)/近紅外和紫外光譜比對(duì)器裝置（Vis/NIR SCF和UV SCF，圖5和圖6）上用來(lái)定標(biāo)工作標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。工作標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器通常在可見(jiàn)/近紅外和紫外光譜比對(duì)器裝置SCF上用來(lái)定標(biāo)用戶(hù)的探測(cè)器。在350～950 nm波長(zhǎng)范圍采用硅光電二級(jí)管陷阱探測(cè)器作傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。如圖7所示，陷阱探測(cè)器由6個(gè)無(wú)窗硅光電二級(jí)管構(gòu)成，有卓越的穩(wěn)定性、區(qū)域響應(yīng)度均勻性、線性、低噪聲且使用激光時(shí)無(wú)干涉問(wèn)題。圖8給出使用替代法從低溫輻射計(jì)到傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞示意圖。為獲得盡可能低的不確定度，低溫輻射計(jì)要求單色、準(zhǔn)直、強(qiáng)度穩(wěn)定的激光束。光學(xué)系統(tǒng)中，采用激光強(qiáng)度穩(wěn)定器控制測(cè)量期間激光光束強(qiáng)度，穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.01%。兩個(gè)可見(jiàn)硅陷阱探測(cè)器（325～950 nm），兩個(gè)溫控鍺光電二極管傳遞標(biāo)準(zhǔn)（850～1 650 nm）（Ge TS），兩個(gè)溫控InGaAs光電二極管傳遞標(biāo)準(zhǔn)（700～1 800 nm）（IGA TS），數(shù)個(gè)紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)和紫外陷阱探測(cè)器（210～400 nm）作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在SIRCUS中由低溫輻射計(jì)定標(biāo)。

圖4 光譜能量響應(yīng)度定標(biāo)鏈路Fig.4 Calibration chain for the spectral power responsivitymeasurements

圖5 可見(jiàn)-近紅外光譜比對(duì)器裝置（Vis/NIR SCF）Fig.5 Spectral comparator facility from visible to nearinfrared（Vis/NIR SCF）

圖6 紫外光譜比對(duì)器裝置（UV SCF）Fig.6 Ultraviolet spectral comparator facility（UV SCF）

圖7 陷阱探測(cè)器光電二極管布局Fig.7 Trap detector arrangement of photodiodes

圖8 在SIRCUS使用低溫輻射計(jì)定標(biāo)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器光路圖Fig.8 Optical configuration for the calibration of the transfer standards with cryogenic radiometer at the SIRCUS facility

4個(gè)可見(jiàn)區(qū)工作標(biāo)準(zhǔn)在可見(jiàn)/近紅外SCF裝置中由可見(jiàn)硅陷阱探測(cè)器傳遞標(biāo)準(zhǔn)和鍺傳遞標(biāo)準(zhǔn)分別在350～950 nm和955～1 100 nm定標(biāo)。這兩種傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在SIRCUS中由L-1 ACR低溫輻射計(jì)定標(biāo)，以確定外量子效率并計(jì)算光譜能量響應(yīng)度。定標(biāo)鏈如圖9所示。

圖9 可見(jiàn)工作標(biāo)準(zhǔn)（VisWS）定標(biāo)鏈Fig.9 Calibration chain for the visible working standards（VisWS）

紫外光譜區(qū)工作標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈路如圖10所示。兩個(gè)紫外光譜區(qū)工作標(biāo)準(zhǔn)從200～400 nm在紫外光譜比較器UV SCF、可見(jiàn)/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF、SIRCUS及NIST同步輻射紫外輻射裝置（SURF）上由硅光電二極管紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)和陷阱探測(cè)器傳遞標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)。兩個(gè)紫外光譜區(qū)工作標(biāo)準(zhǔn)在405～500 nm由可見(jiàn)陷阱傳遞標(biāo)準(zhǔn)和在可見(jiàn)/近紅外光譜比較器SCF定標(biāo)。硅光電二極管紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)和可見(jiàn)陷阱探測(cè)器傳遞標(biāo)準(zhǔn)組合使紫外光譜區(qū)工作標(biāo)準(zhǔn)在其整個(gè)紫外工作標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)的光譜區(qū)內(nèi)不確定度最小。

圖10 紫外工作標(biāo)準(zhǔn)（UVWS）定標(biāo)鏈Fig.10 Calibration chain for the ultraviolet working standards（UVWS）

IGA工作標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)度在可見(jiàn)/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF上由可見(jiàn)工作標(biāo)準(zhǔn)在700～950 nm波段和IGA傳遞標(biāo)準(zhǔn)在955～1 600 nm波段確定。IGA傳遞標(biāo)準(zhǔn)在SIRCUS裝置中由低溫輻射計(jì)在700～1 800 nm光譜區(qū)定標(biāo)，以確定外量子效率。圖11給出IGA工作標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈路。

圖11 InGaAs工作標(biāo)準(zhǔn)（IGAWS）定標(biāo)鏈Fig.11 Calibration chain for InGaAs working standards（IGAWS）

圖12 1999 InGaAs工作標(biāo)準(zhǔn)（IGAWS）定標(biāo)鏈Fig.12 Calibration chain for InGaAs working standards（IGAWS）in 1999

由于在1 650～1 800 nm波段IGA光譜響應(yīng)度低，在SIRCUS由低溫輻射計(jì)定標(biāo)有困難，仍沿用1999年定標(biāo)方案，即IGA 700～920 nm工作標(biāo)準(zhǔn)光譜能量響應(yīng)度在可見(jiàn)/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF上由可見(jiàn)陷阱探測(cè)器傳遞標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定。由低溫輻射計(jì)在SURF上的低溫輻射計(jì)-單色儀系統(tǒng)定標(biāo)給出700～1 800 nm熱電探測(cè)器（Pyrometer）相對(duì)光譜響應(yīng)度。然后由熱電探測(cè)器在可見(jiàn)/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF定標(biāo)給出IGA工作標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)光譜響應(yīng)度，由可見(jiàn)陷阱探測(cè)器傳遞標(biāo)準(zhǔn)給出絕對(duì)值。1999年傳遞鏈路如圖12所示。3種類(lèi)型的SCF工作標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度如圖13所示。

圖13 NIST光譜功率響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度Fig.13 Relative combined standard uncertainties for NIST spectral power responsivity working standards

3 基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)裝置（SIRCUS）

與標(biāo)準(zhǔn)光源不同，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器一般不能直接用于遙感儀器光譜輻亮度響應(yīng)度或光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)。為此，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、德國(guó)物理技術(shù)研究院（PTB）及芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)（HUT）等相繼發(fā)展了可調(diào)諧單色激光照射積分球的窄帶光源，其光譜輻亮度由低溫輻射計(jì)定標(biāo)［15-19］。以NIST研制的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)裝置（SIRCUS）為例，這種裝置可以直接為遙感儀器進(jìn)行光譜輻照度和輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)。在SIRCUS中，高功率、可調(diào)諧激光引入到積分球，產(chǎn)生均勻、準(zhǔn)朗伯、高亮度單色光源。SIRCUS如圖14所示，高功率、可調(diào)諧激光器首先經(jīng)過(guò)強(qiáng)度穩(wěn)定器后相對(duì)光功率控制在設(shè)定值的0.01%內(nèi)。激光光束一部分被反射到波長(zhǎng)計(jì)用來(lái)測(cè)量入射激光波長(zhǎng)，測(cè)量精度在0.001 nm內(nèi)。光束另一部分通過(guò)分束器反射到Fabry-Perot干涉儀，用來(lái)測(cè)量激光光譜帶寬與模式穩(wěn)定度。最后，通過(guò)光纖將激光導(dǎo)入積分球。期間采用擺鏡掃描光束或?qū)⒉糠止饫w放入超聲池中以消除源于激光相干性的散班。由NIST光譜功率響應(yīng)度基準(zhǔn)定標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)輻照度探測(cè)器，配備由NIST光闌面積裝置測(cè)得的精密光闌，得以精確確定參考面輻照度。光源輻亮度亦可通過(guò)幾何關(guān)系相應(yīng)得出。光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)度定標(biāo)綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.1%。根據(jù)輻射定標(biāo)應(yīng)用需求，可選擇不同尺寸的積分球。一個(gè)光電二極管監(jiān)測(cè)器位于積分球上，用來(lái)修正測(cè)量中積分球輸出輻通量的變化。光源位于一個(gè)暗箱內(nèi)。為降低雜散光對(duì)測(cè)量的影響，光源與探測(cè)器之間通常安裝兩片擋光板。

SIRCUS按工作波段分為紫外-可見(jiàn)-近紅外SIRCUS與紅外SIRCUS，前者波段范圍200 nm～1.6μm，后者780 nm～5μm。二者主要區(qū)別在于使用了不同的激光器和不同的參考傳遞標(biāo)準(zhǔn)。用多個(gè)不同激光覆蓋210 nm～5μm光譜范圍。

圖14 NIST SIRCUS示意圖Fig.14 Schematic diagram of SIRUCS at NIST

SIRCUS已成功用于多種遙感儀器輻射定標(biāo)，如海洋光學(xué)浮標(biāo)（MOBY）、SCRIPPS-NIST先進(jìn)輻射計(jì)（NISTAR）、太陽(yáng)光度計(jì)及搭載NASA太陽(yáng)輻射與氣候?qū)嶒?yàn)（SORCE）衛(wèi)星的光譜輻照度監(jiān)測(cè)儀（SIM）等［20-21］。

4 基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源

寬帶標(biāo)準(zhǔn)光源具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于移動(dòng)、定標(biāo)時(shí)間短、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但是精度相對(duì)較低，老化衰減較快，如光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)1 000 W石英鹵鎢燈光源。

窄帶標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)精度相對(duì)較高（不確定度可達(dá)0.1%），但是有系統(tǒng)復(fù)雜、不易移動(dòng)、定標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，如SIRCUS均勻光源。

較理想的光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)該具有兩種工作模式，在窄帶模式下以探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，在寬帶模式下工作，為儀器或遙感儀器定標(biāo)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院Brown等人在概念研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)光譜可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)光源實(shí)驗(yàn)裝置［22］，如圖15所示，主要由光譜可調(diào)諧光源（One Light Spectral Engine）、積分球和Gershun管輻射計(jì)組成。其中光譜可調(diào)諧光源由氙燈光源和采用DMD的光譜可調(diào)諧譜儀構(gòu)成，光譜范圍430～630 nm。Gershun管輻射計(jì)光譜輻亮度響應(yīng)度在NISTSIRCUS中定標(biāo)。絕對(duì)光譜可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)光源有兩種工作模式，在窄帶模式下，計(jì)算機(jī)控制DMD在特定工作波段順序發(fā)送具有特定光譜帶寬的準(zhǔn)單色光，用Gershun管輻射計(jì)測(cè)量定標(biāo)。在寬帶模式下，各準(zhǔn)單色光合成具有已知光譜輻亮度的“白光”，供遙感儀器定標(biāo)使用。

圖15 基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)光譜可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)光源實(shí)驗(yàn)裝置Fig.15 Set-up of absolute spectrum tunable standard light source based on detector standard

圖16 CIOMP自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源Fig.16 Self-calibrated standard light source by CIOMP

2013年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所（CIOMP）開(kāi)展了具有兩種工作模式的自校準(zhǔn)光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)光源研制。研制了由氙燈［23］和超連續(xù)光纖激光器作光源、單凹面光柵和雙平面光柵加DMD作光譜調(diào)諧器、基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源。這里給出以超連續(xù)光纖激光作光源、單凹面光柵加DMD作光譜調(diào)諧器的自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源實(shí)例。該自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源由NKT Photonics公司Super K EXTREME EXB-6型超連續(xù)光纖激光光源、濾光片、前置光學(xué)系統(tǒng)、入射狹縫、凹面光柵、DMD、后置聚光系統(tǒng)和積分球組成，如圖16所示。超連續(xù)光纖激光光源光譜范圍為405～2 350 nm，激光經(jīng)濾光片，經(jīng)兩片凹面鏡擴(kuò)束，由平面鏡反射后，經(jīng)凹柱面反射鏡聚焦至入射狹縫。入射光經(jīng)平面反射鏡至凹面全息反射光柵，經(jīng)色散后在DMD表面形成光譜。凹面全息反射光柵表面鍍鋁，刻線密度為430 g/mm，工作光譜區(qū)間為300～850 nm。后置聚光系統(tǒng)將經(jīng)計(jì)算機(jī)編程控制的DMD微鏡陣列反射選取后的光匯集至內(nèi)徑約為135 mm、內(nèi)涂層為PTFE的積分球內(nèi)。積分球入口直徑12.7 mm，出口直徑25.4 mm。

以Instrument Systems公司CAS140CT-152型陣列光譜儀和以NIST定標(biāo)的硅光電二極管為探測(cè)器的Gershun管輻射計(jì)分別測(cè)量積分球輸出光輻射。CAS140CT-152采用優(yōu)化的交叉式Czerny-Turner光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是高效抑制雜散光和寬動(dòng)態(tài)范圍，集成了濾光片輪，將強(qiáng)度測(cè)量范圍擴(kuò)大9個(gè)數(shù)量級(jí)。以致冷背照式1 024×768像素CCD為探測(cè)器，工作光譜范圍為200～800 nm，光譜分辨率為2.7 nm，數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔為0.6 nm。

將DMD微鏡陣列分成16組，在自校準(zhǔn)光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)光源積分球出口處測(cè)量光輻射。圖17和圖18分別給出了采用CAS光譜儀和Gershun管輻射計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

圖17 采用CAS光譜儀輻射計(jì)測(cè)得的窄帶和寬帶模式下的光譜分布Fig.17 Measured spectral distribution in narrow-band and broad-bandmodes using CASspectrometer radiometer

自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源，其光譜分布可根據(jù)需要而改變?？勺孕行Ｕ庠垂鈴?qiáng)老化衰減，光源光譜輻亮度較大，可以根據(jù)需要自行改變光強(qiáng)，能滿(mǎn)足在實(shí)際大氣光譜輻亮度水平下定標(biāo)的要求。在窄帶模式下采用Gershun管輻射計(jì)定標(biāo)，而Gershun管輻射計(jì)響應(yīng)度通過(guò)作為探測(cè)器基準(zhǔn)的低溫輻射計(jì)直接追溯到國(guó)際制單位（SI），光譜輻亮度定標(biāo)精度高。光源主體不需要送回輻射計(jì)量單位進(jìn)行重復(fù)定標(biāo)，輻亮度標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)可通過(guò)對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器光譜響應(yīng)度的周期性定標(biāo)得以簡(jiǎn)化。這一研究為提高光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)光源精度、滿(mǎn)足空間遙感儀器的高精度定標(biāo)需求，提供了一條行之有效的途徑。

圖18 窄帶模式下Gershun管輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果Fig.18 Measurements of Gershun tube radiometer in narrow-band mode

5 結(jié)束語(yǔ)

低溫絕對(duì)輻射計(jì)工作在液氦溫度，不確定度比常溫絕對(duì)輻射計(jì)降低約一個(gè)量級(jí)，經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，NIST低溫絕對(duì)輻射計(jì)POWR不確定度達(dá)0.01%。NIST SIRCUS采用一系列激光器，如染料激光器和鈦寶石激光器，由低溫絕對(duì)輻射計(jì)傳遞的陷阱探測(cè)器定標(biāo)，不確定度可達(dá)到0.1%，已用于NASA高精度大氣定量遙感儀器輻射定標(biāo)。發(fā)展中的基于探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的光譜可調(diào)諧自校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源，有兩種工作模式，采用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)，定標(biāo)精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標(biāo)精度長(zhǎng)期穩(wěn)定，能滿(mǎn)足在實(shí)際大氣光譜輻亮度水平下定標(biāo)的需求。

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High accuracy spectroradiometric standard light source based on detector standard

LIZhi-gang
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）*Corresponding author，E-mail：lizhg＠ciomp.ac.cn

In this paper，based on reviewing the developments of absolute cryogenic radiometers and SIRCUS，the operating principle，developments，and application prospects of detector standard based，spectrally tunable，self-calibrated standard light sources are discussed.In detector-based spectroradiometric standards，absolute cryogenic radiometer operated at liquid helium temperature can achieve an uncertainty of0.01%.The facility for spectral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources（SIRCUS）established at National Institute of Standards and Technology（NIST）in the United States，which uses a series of lasers and conducts calibrationswith silicon trap detectors calibrated against cryogenic radiometer，has achieved an uncertainty level of0.1%and has been successfully applied to radiometric calibrations for space remote sensing instruments.Analysis indicates that developing detector standard based，spectrally tunable，self-calibrated standard light source with high calibration accuracy，can self-correct aging and attenuation and ensure the long-term stability of calibration accuracy.

spectral radiance；spectral irradiance；standard light source；spectroradiometric calibration

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61378063）

TH744.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.3788/CO.20150806.0909

2095-1531（2015）06-0909-10

2015-09-25；

2015-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61378063）

李志剛（1972—），男，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，2000年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感技術(shù)及輻射定標(biāo)方面的研究。E-mail：lizhg＠ciomp.ac.cn