張俊祺 王文革 王闊傳 黃 賾 張 奇 劉 浩

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

目前，隨著航天技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)以及信息技術(shù)的發(fā)展，遙感信息的定量化研究成為熱點(diǎn)。而遙感測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)量校準(zhǔn)是遙感信息定量化的前提和重要組成部分，又是遙感信息與所反映的被觀測(cè)物真實(shí)參數(shù)之間的橋梁。

紅外遙感是天地觀測(cè)系統(tǒng)的重要觀測(cè)手段，而高精度的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)黑體輻射源，對(duì)于保持紅外載荷高精度的觀測(cè)水平具有決定性作用。所有的紅外探測(cè)儀器都需要經(jīng)過(guò)量值定標(biāo)，隨著紅外遙感儀器定量化水平的不斷提高，對(duì)于量值傳遞水平和黑體輻射源的性能提出的標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來(lái)越高。

本文圍繞航天衛(wèi)星遙感領(lǐng)域中對(duì)紅外亮溫溯源的迫切需求，設(shè)計(jì)了真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)方案。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立，將為航天型號(hào)任務(wù)研制、試驗(yàn)、衛(wèi)星在軌亮溫測(cè)量提供可靠的計(jì)量保障，保證量值傳遞的準(zhǔn)確，可以提高航天遙感的紅外遙感水平，同時(shí)在氣象、海洋與環(huán)境要素探測(cè)方面也將發(fā)揮積極、重要作用。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)研究，并建立了裝置，例如：德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)研制的真空低溫環(huán)境紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置，已經(jīng)用于歐洲局對(duì)地觀測(cè)項(xiàng)目傳感器的標(biāo)定工作；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)為了滿(mǎn)足氣候變化監(jiān)測(cè)計(jì)劃項(xiàng)目的高精度定標(biāo)需求，研發(fā)了新一代紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)；俄羅斯全俄光學(xué)計(jì)量院VNIIOFI研制了真空紅外標(biāo)定裝置和真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的真空低溫環(huán)境紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)用于風(fēng)云氣象衛(wèi)星的傳感器的校準(zhǔn)工作。下面對(duì)各研究單位的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行分別介紹。

2.1 德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)

PTB針對(duì)空間紅外遙感輻射溫度和光譜輻射亮度建立了真空低溫環(huán)境亮度溫度溯源系統(tǒng)(如圖1所示)，通過(guò)固定點(diǎn)黑體復(fù)現(xiàn)亮溫基準(zhǔn)，利用真空型傅里葉光譜儀和真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)進(jìn)行量值傳遞，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)(1～1000)μm，溫度(100～700)K 范圍內(nèi)輻射溫度和光譜輻射亮度的校準(zhǔn)。

圖1 德國(guó)PTB真空低溫環(huán)境紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Germany PTB standard device structure diagram

2.2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)

美國(guó)NIST為氣候變化監(jiān)測(cè)計(jì)劃項(xiàng)目(CLARREO)研制了一套控制背景光譜輻射計(jì)和光譜光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)(CBS3)。CBS3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以固定點(diǎn)黑體為參考輻射源，以變溫黑體作為工作標(biāo)準(zhǔn)器，以傅立葉光譜儀和光譜傳遞輻射計(jì)作為傳遞儀器的量值傳遞體系，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 美國(guó)NIST的CBS3裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 NIST CBS3 device structure diagram

2.3 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置開(kāi)展了一定的研究，采用液氮冷卻真空實(shí)驗(yàn)艙和真空測(cè)量光路實(shí)現(xiàn)低溫度環(huán)境下的工作環(huán)境，研制的標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度覆蓋(190～340)K。該裝置由被校黑體真空低溫艙、光路切換機(jī)構(gòu)、真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源、液氮冷卻黑體、真空低溫光路、傅立葉光譜儀測(cè)量系統(tǒng)和真空抽氣系統(tǒng)等組成。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外普遍采用的紅外亮溫量傳體系基本類(lèi)似，都是以固定點(diǎn)黑體為標(biāo)準(zhǔn)參考源，通過(guò)傅立葉紅外光譜儀或其它光譜輻射計(jì)等儀器，實(shí)現(xiàn)亮度溫度的量值傳遞。具體實(shí)施方案和光路設(shè)計(jì)略有差別，其中德國(guó)PTB通過(guò)平面反射鏡和離軸拋物鏡的組合進(jìn)行紅外輻射收集，可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)固定點(diǎn)黑體，并同時(shí)采用傅立葉紅外光譜儀與寬帶紅外輻射溫度計(jì)作為傳遞儀器，光路簡(jiǎn)單清晰。

3 真空低溫環(huán)境紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)裝置

北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所針對(duì)航天紅外亮溫平臺(tái)和紅外亮溫在國(guó)防系統(tǒng)內(nèi)的定量化需求，設(shè)計(jì)了真空低溫環(huán)境紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)裝置。本項(xiàng)目與國(guó)內(nèi)外主要研究單位設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Design index comparsion

3.1 溯源體系

真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，量值傳遞的層次分為三層，如圖3所示，第一層為汞固定點(diǎn)、鎵固定點(diǎn)、銦固定點(diǎn)和鋅固定點(diǎn)黑體作為參考源，直接采用ITS-90國(guó)際溫標(biāo)的參考值，第二層為利用兩個(gè)真空變溫黑體參考源實(shí)現(xiàn)100K～700K溫度范圍的覆蓋，將變溫黑體的量值通過(guò)傅立葉紅外光譜儀和真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)傳遞給第三層用戶(hù)黑體。為了使量值傳遞盡量接近實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了變溫真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，滿(mǎn)足實(shí)際定標(biāo)需要。

3.2 裝置設(shè)計(jì)方案

裝置主要包括：真空黑體艙、真空固定點(diǎn)黑體、旋轉(zhuǎn)平面鏡艙、零位黑體、真空變溫黑體、冷卻光路系統(tǒng)、離軸反射鏡艙、真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)、真空傅立葉紅外光譜儀等部分組成。裝置構(gòu)成如圖4所示。

真空黑體艙用于放置被較黑體輻射源，采用真空環(huán)模技術(shù)，利用液氮對(duì)內(nèi)壁熱沉進(jìn)行制冷，利用真空機(jī)組進(jìn)行抽真空處理，用于模擬太空工作環(huán)境，其內(nèi)壁涂有高發(fā)射率涂層，減少環(huán)境背景輻射影響。真空黑體艙外壁上設(shè)置了多個(gè)觀察法蘭窗口及真空航插接頭，實(shí)現(xiàn)被較黑體與外部的電氣連接。艙體內(nèi)部設(shè)有高精度電控導(dǎo)軌，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)被較黑體切換及其他拓展性功能。最大可測(cè)黑體尺寸約為600mm。

旋轉(zhuǎn)平面鏡艙為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部環(huán)境同樣采用抽真空及液氮制冷處理；其內(nèi)部裝有可精確定位的可旋轉(zhuǎn)高反射率鏡片，可以在固定點(diǎn)黑體、真空變溫黑體、零位黑體、被校黑體之間進(jìn)行光路的切換。出光口位置留有安裝孔，用于安裝與鎖相放大器相配合的斬波器，從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的測(cè)量。

零位黑體將黑體空腔浸泡在液氮中，以此作為真空傅里葉紅外光譜儀的零點(diǎn)信號(hào)。

固定點(diǎn)黑體分別采用汞固定點(diǎn)、鎵固定點(diǎn)、銦固定點(diǎn)和鋅固定點(diǎn)黑體作為參考源。

圖3 真空低溫環(huán)境紅外亮溫溯源鏈Fig.3 Low background infrared temperature tracing chain

圖4 真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Standard device structure diagram

真空變溫黑體分兩部分組成，溫度范圍覆蓋(100～700)K，作為紅外遙感亮度溫度傳遞溯源標(biāo)準(zhǔn)。

旋轉(zhuǎn)平面鏡艙和離軸反射鏡艙通過(guò)冷卻管式光路系統(tǒng)連接。待測(cè)黑體與標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射信號(hào)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡片反射后，通過(guò)冷卻光路進(jìn)入到后續(xù)探測(cè)光路中。

冷卻管式光路系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)艙內(nèi)環(huán)境，同時(shí)設(shè)有多個(gè)液氮冷卻光闌，從而降低雜散光的影響。

離軸反射鏡艙內(nèi)，安裝有可移動(dòng)導(dǎo)軌，用于真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)與離軸橢球反射鏡之間的切換。

裝置光路示意圖如圖5所示，其中光路部分為被校黑體熱輻射經(jīng)反射鏡反射至傅里葉光譜儀示意圖。

圖5 真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置光路圖Fig.5 Light circuit diagram of the device

待測(cè)黑體輻射源等輻射源發(fā)出的輻射通過(guò)旋轉(zhuǎn)平面鏡切換，分別進(jìn)入測(cè)量光路，經(jīng)過(guò)冷卻管式光路系統(tǒng)，經(jīng)離軸橢球面反射鏡匯聚進(jìn)入真空傅立葉紅外光譜儀的入口，通過(guò)光譜儀探測(cè)器進(jìn)行光譜輻射亮度測(cè)量。通過(guò)切換可以選擇使用真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)或者真空傅立葉紅外光譜儀作為紅外輻射測(cè)量?jī)x器。

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 真空變溫黑體

真空變溫黑體被分為中溫黑體和低溫黑體兩種。低溫變溫黑體提供(100～450)K范圍內(nèi)的黑體輻射參考源，黑體采用液氮冷卻方式，液氮流經(jīng)環(huán)繞在熱沉體表面的環(huán)形通道，設(shè)置一大一小兩個(gè)出口。采用腔體三段控溫，每個(gè)加熱段內(nèi)均配有兩支鉑電阻傳感器，一支對(duì)應(yīng)溫度控制器，另一支獨(dú)立監(jiān)測(cè)溫度用于修正溫控器的設(shè)定溫度。

中溫變溫黑體的輻射溫度范圍為(423～700)K，腔體采用三段加熱方式。每段均配有相應(yīng)的PID溫度控制器，鉑電阻傳感器布置在不同部位獨(dú)立監(jiān)測(cè)溫度變化，黑體腔體采用純銅材料，腔內(nèi)涂層材料為高發(fā)射率黑色涂層，建立精密控溫系統(tǒng)對(duì)腔內(nèi)溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證腔體軸線方向較小的溫度梯度。外殼結(jié)構(gòu)與低溫變溫黑體類(lèi)似。

4.2 固定點(diǎn)黑體輻射源

理想純金屬的熔化和凝固發(fā)生在唯一的溫度下，并包含熔化潛熱的吸收和釋放。如果利用足夠量的金屬，當(dāng)金屬發(fā)生凝固和熔化時(shí)，潛熱可以維持金屬在相變過(guò)程中處于恒定的溫度，產(chǎn)生溫坪效應(yīng)。本技術(shù)方案就是利用從純金屬在壓力一定時(shí)，固液兩相共存的溫度恒定的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)輻射黑體輻射源。

本項(xiàng)目建立汞、鎵、銦、鋅固定點(diǎn)黑體輻射源，空腔開(kāi)口30mm，空腔深度200mm，底部采用圓錐設(shè)計(jì)，底部夾角120°?？涨挥行Оl(fā)射率經(jīng)過(guò)計(jì)算達(dá)到0.999 9，內(nèi)部采用高發(fā)射率涂層。其具體參數(shù)如表2所示。

表2 固定點(diǎn)黑體參數(shù)Tab.2 Anchor black body parameter

4.3 液氮冷卻零位黑體

液氮冷卻零點(diǎn)黑體輻射源利用真空內(nèi)置杜瓦，將黑體腔浸泡在液氮中，使其保持液氮溫度，以此作為傅里葉光譜儀零點(diǎn)信號(hào)。腔底采用倒錐形式，并涂有高發(fā)射率涂料。

4.4 真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)

研制真空紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)，設(shè)計(jì)光譜范圍為(8～14)μm，溫度測(cè)量范圍為(123～700)K，作為紅外亮溫傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

本技術(shù)方案設(shè)計(jì)的紅外傳遞輻射溫度計(jì)采用密封結(jié)構(gòu)與真空環(huán)境進(jìn)行隔離。為了保證光路系統(tǒng)和探測(cè)器以及電氣系統(tǒng)的正常工作，密封結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)了氮?dú)庠鰤合到y(tǒng)，保證密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣壓，并避免低溫條件下的結(jié)露、結(jié)霜等情況。紅外傳遞輻射溫度計(jì)采用主動(dòng)控溫和被動(dòng)絕熱設(shè)計(jì)來(lái)保證低溫環(huán)境下使用。主動(dòng)控溫系統(tǒng)采用精密控溫的循環(huán)流體對(duì)紅外傳遞輻射溫度計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控溫，保證紅外探測(cè)器與光路系統(tǒng)等工作在(-20～25)℃范圍內(nèi)。被動(dòng)絕熱設(shè)計(jì)通過(guò)在紅外傳遞輻射溫度計(jì)外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)絕熱真空層來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于真空層的導(dǎo)熱性能很差，減小了整體結(jié)構(gòu)的漏熱損耗。

4.5 真空傅立葉紅外光譜儀

在真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，采用全真空型傅立葉紅外光譜儀，光譜范圍為(1～1000)μm，光譜儀的最低工作壓力達(dá)到102Pa。光譜儀采用DTGS、液氮制冷MCT、遠(yuǎn)紅外Bolometer探測(cè)器組合實(shí)現(xiàn)(1～1000)μm的測(cè)量光譜范圍。光譜儀與真空系統(tǒng)采用窗片隔離。光譜儀與專(zhuān)用斬波器配合，采用相敏檢波技術(shù)手段提高信噪比。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足氣候變化監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)以及全球遙測(cè)量值一致性等的重大需求，研制真空低溫環(huán)境紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置，對(duì)于紅外遙感定量化水平的提高具有重要的意義和現(xiàn)實(shí)需求。

紅外遙感定量化水平的提高除了儀器本身性能影響，其定標(biāo)水平也起到至關(guān)重要的作用。為了提高航天遙感定量化水平，本文設(shè)計(jì)了真空低溫環(huán)境紅外亮溫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)方案，裝置的測(cè)量溫度覆蓋(100～700)K，光譜范圍覆蓋(1～1000)μm。通過(guò)該裝置的建立將為我國(guó)紅外遙感水平的提高提供重要保障。