張寶明，朱 巖，王連國(guó)，楊建峰，周 斌，徐衛(wèi)明，孫樹(shù)全，蔡治國(guó)，徐欣鋒，杜慶國(guó)

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710068；3. 中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；4. 中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；5. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；6. 北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076）

引 言

我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)將通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測(cè)，對(duì)火星開(kāi)展全面科學(xué)探測(cè)。

火星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)如下[1-4]：

1）研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征；

2）研究火星表面土壤特征與水冰分布；

3）研究火星表面物質(zhì)組成；

4）研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；

5）研究火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

火星探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成。火星車巡視探測(cè)科學(xué)任務(wù)著眼于火星局部地區(qū)，開(kāi)展高精度科學(xué)探測(cè)?；鹦擒嚿吓渲玫挠行лd荷包括：多光譜相機(jī)、火星車次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀和火星氣象測(cè)量?jī)x[5-6]。有效載荷探測(cè)任務(wù)和功能如表1所示。

本文主要介紹火星車有效載荷研制過(guò)程中進(jìn)行的定標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目、方法和結(jié)果進(jìn)行了描述。

1 有效載荷定標(biāo)試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

有效載荷在進(jìn)行工程應(yīng)用之前除了進(jìn)行各種規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)、系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收測(cè)試之外，還要進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)，確保產(chǎn)品性能滿足任務(wù)要求，獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)，用于科學(xué)數(shù)據(jù)處理。

有效載荷定標(biāo)工作是保證有效載荷能夠完成科學(xué)目標(biāo)的重要試驗(yàn)，為了保證有效載荷設(shè)備的測(cè)量精度和探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，消除儀器設(shè)備的各種誤差和不一致性，使探測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確更一致，有效載荷要進(jìn)行一系列的定標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)儀器的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)對(duì)正樣產(chǎn)品的定標(biāo)，獲得載荷設(shè)備的定標(biāo)參數(shù)，用于在軌采集的科學(xué)數(shù)據(jù)處理。有的載荷可以進(jìn)行在軌定標(biāo)，有的載荷無(wú)法進(jìn)行在軌定標(biāo)，對(duì)于無(wú)法在軌定標(biāo)的載荷而言，地面定標(biāo)試驗(yàn)就尤為重要。

2 有效載荷定標(biāo)試驗(yàn)項(xiàng)目

有效載荷工作原理不同，定標(biāo)試驗(yàn)項(xiàng)目也不同。對(duì)于光學(xué)載荷而言，需要對(duì)本底暗電流、工作參數(shù)與輸出DN值（Digital Number像元亮度值）之間關(guān)系、各像元的畸變情況等進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定的系數(shù)矩陣對(duì)獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，來(lái)獲得正確的科學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果；對(duì)于光譜分析類儀器設(shè)備，需要對(duì)光譜的位置和分辨率進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定的參數(shù)對(duì)獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，獲得正確的分析結(jié)果，多光譜相機(jī)和火星表面成分探測(cè)儀既屬于光學(xué)載荷又屬于光譜分析類儀器。火星車次表層探測(cè)雷達(dá)、表面磁場(chǎng)探測(cè)儀和氣象測(cè)量?jī)x定標(biāo)試驗(yàn)，主要是對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確保指標(biāo)能夠滿足要求，另外需要對(duì)儀器的工作穩(wěn)定性進(jìn)行標(biāo)定。

表1 有效載荷科學(xué)探測(cè)任務(wù)和功能Table 1 Scientific tasks and main function of payload

2.1 多光譜相機(jī)定標(biāo)

1）整機(jī)暗電流采集

整機(jī)暗電流采集是在沒(méi)有光輻射輸入的情況下，測(cè)量多光譜相機(jī)所有像元的輸出，得到暗電流系數(shù)矩陣，之后在正式圖像中將暗電流影響消除，提高圖像對(duì)比度。影響暗電流的參數(shù)主要是曝光時(shí)間和溫度[7]。

測(cè)試結(jié)果表明：溫度不變時(shí)，暗電流采集結(jié)果不隨曝光時(shí)間變化；在相同曝光時(shí)間下，溫度小于30 ℃時(shí)，暗電流變化范圍在11.5～14.1之間（像元亮度最大值1 024），但當(dāng)溫度大于30 ℃時(shí)，暗電流隨溫度升高而變大，從30 ℃時(shí)的12.8增大到48 ℃時(shí)的28.8。

2）相對(duì)輻射定標(biāo)

相對(duì)輻射定標(biāo)是為了消除相機(jī)圖像傳感器各像元間響應(yīng)的不一致性。多光譜相機(jī)系統(tǒng)線性很好，在不同工作模式下，得到的修正系數(shù)僅有很小的差異，因此，相對(duì)定標(biāo)修正矩陣簡(jiǎn)化為同一的修正系數(shù)矩陣。利用定標(biāo)結(jié)果對(duì)圖像像元響應(yīng)進(jìn)行校正，得到正確的科學(xué)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中采用積分球作為光源，對(duì)不同的輸入輻亮度、曝光時(shí)間進(jìn)行組合，多光譜相機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉暗電流影響后，得到相對(duì)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，多光譜相機(jī)相對(duì)輻射修正后的最大殘差為1.77%。

3）絕對(duì)輻射定標(biāo)

多光譜相機(jī)絕對(duì)輻射定標(biāo)，是獲得不同光譜通道、調(diào)焦位置、曝光時(shí)間下的相機(jī)數(shù)據(jù)DN值與輻亮度的關(guān)系。使用積分球作為光源，光譜輻射度計(jì)測(cè)量其輸出光譜輻亮度，對(duì)于多檔亮度，多光譜相機(jī)采用多檔曝光時(shí)間、不同調(diào)焦位置，不同光譜通道等多種工作模式采集圖像，數(shù)據(jù)處理后得到不同模式下的多光譜相機(jī)DN值輸出與光譜輻亮度的標(biāo)定系數(shù)。

考慮光源不確定度、多光譜相機(jī)不確定度、平場(chǎng)矯正殘差、歸一化殘差、標(biāo)準(zhǔn)具不確定度（光譜輻射度計(jì)）等因素，多光譜相機(jī)絕對(duì)輻射不確定度為3.8%。圖1為同一光亮度情況下，不同工作模式采集圖像后處理得到的光譜輻射亮度。

圖1 多光譜相機(jī)測(cè)量值與光譜輻射計(jì)測(cè)量的對(duì)比Fig. 1 MSCam data and spectrometer data

4）光譜定標(biāo)

將單色儀的波長(zhǎng)位置與設(shè)備DN值對(duì)應(yīng)，并做歸一化處理，得到光譜相對(duì)響應(yīng)。讀取其中的中心波長(zhǎng)及半高寬，得到光譜信息。測(cè)量波長(zhǎng)不確定度取決于光譜輻射度計(jì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性和采樣間隔，光譜輻射度計(jì)的采樣間隔1.5 nm，波長(zhǎng)穩(wěn)定性優(yōu)于1 nm，因此波長(zhǎng)不確定度優(yōu)于2.5 nm。表2為各通道光譜實(shí)測(cè)結(jié)果。

表2 各通道光譜實(shí)測(cè)值Table 2 Spectral wavelength and half-width of each channel mm

5）彩色定標(biāo)

在室內(nèi)，相機(jī)對(duì)放置在標(biāo)準(zhǔn)光源燈箱中的標(biāo)準(zhǔn)色卡成像，同時(shí)應(yīng)用光譜輻射度計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色卡中的每一標(biāo)準(zhǔn)色譜，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色卡給出的標(biāo)準(zhǔn)光照下的紅綠藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)拍攝圖像進(jìn)行標(biāo)定。圖2為彩色校正后的色板。

6）幾何定標(biāo)

通過(guò)建立已知物點(diǎn)、像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)系模型，計(jì)算成像系統(tǒng)的內(nèi)外幾何關(guān)系，從而獲取相機(jī)參數(shù)[8]，即相機(jī)內(nèi)外方位元素。

圖2 三通道彩色校正后的效果Fig. 2 Color picture after calibration

試驗(yàn)中，對(duì)8個(gè)光譜通道和6個(gè)調(diào)焦位置的內(nèi)方位元素進(jìn)行了測(cè)試和計(jì)算，獲得了各組合下的內(nèi)方位元素。幾何定標(biāo)的主要誤差來(lái)自于主點(diǎn)誤差，優(yōu)于0.3像元。

2.2 表面成分探測(cè)儀定標(biāo)

1）光譜定標(biāo)

火星表面成分探測(cè)儀包括兩個(gè)光譜儀組件：①激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）儀組件，波長(zhǎng)范圍覆蓋240～850 nm，采用光柵分光方式分為3段，依次是240～340 nm波段，340～540 nm波段，540～850 nm波段；②短波光譜儀組件，波長(zhǎng)范圍覆蓋850～2 400 nm，采用AOTF（Acousto-Optic Turnable Filter）分光方式[9]。

LIBS光譜定標(biāo)采用汞氬燈、鋅燈、鎘燈和氖燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，通過(guò)光纖接入，LIBS模式采集這些光源的光譜數(shù)據(jù)，獲得光譜范圍、各個(gè)像素通道的光譜波長(zhǎng)和光譜分辨率[10]。根據(jù)各通道內(nèi)峰值位置所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)情況，采用二次函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合，其像元到波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為λ=ax2+bx+c，得到各通道內(nèi)由像元到波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系及系數(shù)，如表3所示。通過(guò)轉(zhuǎn)換后光譜特征尖峰與標(biāo)準(zhǔn)光源特征波峰間比較分析，第1、第2和第3通道的波長(zhǎng)標(biāo)定分辨率分別為0.067 nm、0.132 nm和0.203 nm。

表3 LIBS 3個(gè)通道的光譜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系數(shù)Table 3 Coefficient of LIBS Spectral wavelength

短波光譜儀采用AOTF分光方式，需要標(biāo)定探測(cè)波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、光譜分辨率與驅(qū)動(dòng)頻率間的關(guān)系。首先利用AOTF性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)AOTF性能特性進(jìn)行精確測(cè)量，然后用精確標(biāo)定的單色儀作為光源，測(cè)試光譜儀的光譜響應(yīng)函數(shù)；兩者結(jié)合獲得短波光譜的光譜范圍、探測(cè)波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、光譜分辨率與驅(qū)動(dòng)頻率間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)頻率和長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果Fig. 3 The relationship of wavelength and driving frequency

2）相對(duì)輻射定標(biāo)

采用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)火星表面成分探測(cè)儀進(jìn)行相對(duì)輻射定標(biāo)，利用均衡穩(wěn)定的輻射光源，建立儀器輸出信號(hào)和觀測(cè)目標(biāo)物理量之間的傳遞關(guān)系，通過(guò)歸一化后的光譜DN值與輻射強(qiáng)度間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到不同通道多個(gè)像元間的響應(yīng)一致性。

對(duì)于LIBS光譜的相對(duì)輻射標(biāo)定，通過(guò)與已知輻射強(qiáng)度比較，將采集到的不同積分時(shí)間下的光譜信號(hào)，經(jīng)過(guò)與積分時(shí)間相比后，得到各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)相對(duì)輻射標(biāo)定系數(shù)，并統(tǒng)計(jì)改正后偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)定精度，各像元響應(yīng)DN值經(jīng)過(guò)輻射標(biāo)定系數(shù)改正后的光譜曲線與參考光譜曲線具有很好的一致性，如圖4所示。

圖4 LIBS標(biāo)定系數(shù)校正后的光譜Fig. 4 LIBS spectrum after calibration

3）絕對(duì)輻射定標(biāo)

采用積分球作為火星表面成分探測(cè)儀進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)面光源，積分球能級(jí)的輻射亮度已知，火星表面成分探測(cè)儀短波紅外通道分別對(duì)積分球的多個(gè)能級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，得到不同光譜輻射亮度下的系統(tǒng)輸出，由此確定火星表面成分探測(cè)儀短波紅外通道的輸入輸出之間的關(guān)系。

對(duì)于LIBS光譜的絕對(duì)輻射標(biāo)定，采集不同能量級(jí)輻照條件的光譜曲線，通過(guò)比較分析輻射強(qiáng)度和采集的光譜曲線，得到輻射標(biāo)定系數(shù)及標(biāo)定精度。各像元響應(yīng)DN值經(jīng)過(guò)輻射標(biāo)定系數(shù)校正后，LIBS光譜曲線與參考光譜曲線基本一致。定標(biāo)結(jié)果表明，第1、第2和第3通道的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.54%、3.12%和0.41%。短波紅外輻射定標(biāo)綜合計(jì)算誤差為5.59%。

4）幾何定標(biāo)

火星表面成分探測(cè)儀通過(guò)二維指向鏡旋轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)火星車后方定標(biāo)樣品和前方探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行精確指向。首先需要確定二維指向鏡坐標(biāo)系和火星車坐標(biāo)系兩者間的相對(duì)位姿關(guān)系，然后通過(guò)二維指向鏡的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制主光軸精確指向任何位置上的探測(cè)目標(biāo)。另外，通過(guò)激光束的焦距變化來(lái)對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行精確探測(cè)，其焦距的調(diào)節(jié)參數(shù)與探測(cè)距離存在一定轉(zhuǎn)換關(guān)系。幾何定標(biāo)的主要內(nèi)容有：①二維指向鏡觀測(cè)目標(biāo)時(shí)的輸出角度值，及其真實(shí)角度間偏差的改正參量；②激光束的焦距調(diào)節(jié)參數(shù)與探測(cè)距離間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

角度定標(biāo)結(jié)果，得到水平角和垂直角的均方根誤差分別為0.043°和0.148°。

距離定標(biāo)結(jié)果，根據(jù)激光束焦距調(diào)節(jié)參數(shù)獲得探測(cè)距離與實(shí)際距離間偏差的均方根誤差為0.56 cm。

2.3 火星車次表層探測(cè)雷達(dá)定標(biāo)

1）雷達(dá)性能和系統(tǒng)特性參數(shù)定標(biāo)

常溫條件下，測(cè)試了雷達(dá)工作頻率、中心頻率、發(fā)射功率和波形、時(shí)窗、系統(tǒng)噪聲、系統(tǒng)靈敏度、線性動(dòng)態(tài)范圍、系統(tǒng)增益參數(shù)等特性指標(biāo)[11]。

不同溫度條件下（-40～ + 55 ℃）進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目和結(jié)果為：

（1）發(fā)射機(jī)輸出調(diào)頻信號(hào)的頻率線性度和功率，低頻功率：大于27.16 dBm，高頻功率：大于27.31 dBm；

（2）不同工作溫度下的系統(tǒng)幅相特性；

（3）不同工作溫度下接收機(jī)最小可檢測(cè)功率測(cè)試，低頻：優(yōu)于-96.82 dBm，高頻：優(yōu)于-115.48 dBm。

針對(duì)高低頻天線，測(cè)試天線電壓駐波比、天線方向圖和增益：低頻天線駐波比小于3.0，增益 ≥ -10 dBi @55 MHz；高頻天線駐波比小于2.0，增益 ≥ 2 dBi @1 300 MHz。

系統(tǒng)無(wú)反射回波定標(biāo)：將雷達(dá)安裝在模擬火星車上，低頻通道天線展開(kāi)，使用熱氣球?qū)⒛M火星車吊離地面200 m，同時(shí)模擬火星車距離熱氣球200 m，達(dá)到無(wú)反射的試驗(yàn)狀態(tài)，采集回波信號(hào)，獲得此狀態(tài)下的探測(cè)數(shù)據(jù)。利用無(wú)反射狀態(tài)下的科學(xué)數(shù)據(jù)，分別對(duì)低頻通道和高頻通道數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景處理。

系統(tǒng)全反射回波定標(biāo)：將雷達(dá)安裝在模擬火星車上，低頻通道天線展開(kāi)，在開(kāi)闊場(chǎng)地的金屬地面上開(kāi)展探測(cè)，進(jìn)行全反射狀態(tài)下信號(hào)采集。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定性定標(biāo)

雷達(dá)開(kāi)機(jī)工作后，檢測(cè)系統(tǒng)特性參數(shù)隨時(shí)間變化的情況，得到雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性結(jié)果，包括：

（1）時(shí)鐘穩(wěn)定性：開(kāi)機(jī)4.7 min后，晶振穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ppm；

（2）發(fā)射機(jī)輸出功率穩(wěn)定性：開(kāi)機(jī)后即穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化；

（3）接收機(jī)幅頻響應(yīng)穩(wěn)定性：開(kāi)機(jī)后即穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化。

2.4 火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀定標(biāo)

1）量程、線性度、三軸正交度定標(biāo)

將待標(biāo)定表面磁場(chǎng)探頭和標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)置于磁場(chǎng)線圈環(huán)繞的磁空間中，對(duì)表面磁場(chǎng)探頭進(jìn)行線性加場(chǎng)試驗(yàn)，外加磁場(chǎng)范圍-65 000～+65 000 nT，檢測(cè)表面磁場(chǎng)探頭每軸的線性度和量程、測(cè)量范圍、三軸正交度等[12-13]。

（1）表面磁場(chǎng)探頭量程：± 65 000 nT；

（2）測(cè)量范圍：± 2 000 nT；

（3）線性度：優(yōu)于0.020%；

（4）三軸之間正交度：優(yōu)于0.3′。

2）噪聲、分辨率、精度定標(biāo)

將表面磁場(chǎng)探測(cè)儀探頭放置在磁屏蔽筒內(nèi)，內(nèi)部噪聲小于0.1 pT，表面磁場(chǎng)探測(cè)儀工作，采集各軸向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，獲得磁場(chǎng)噪聲、分辨率指標(biāo)。

（2）分辨率：優(yōu)于0.01 nT。

3）溫度穩(wěn)定性定標(biāo)

將表面磁場(chǎng)探測(cè)儀探頭放在溫控箱工作區(qū)，使工作區(qū)磁場(chǎng)環(huán)境為零場(chǎng)，改變溫箱溫度，溫度從-60 ～+ 55 ℃升高，每間隔5 ℃作為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，獲得磁場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，去除本底磁場(chǎng)變化后，得到溫度對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)結(jié)果的影響，如表4所示。

表4 各軸向的溫度穩(wěn)定性Table 4 The temperature stability of each axis

2.5 火星氣象測(cè)量?jī)x定標(biāo)

1）氣溫測(cè)量參數(shù)定標(biāo)

氣溫測(cè)量探頭采用3個(gè)PT1000鉑電阻作為氣溫測(cè)量敏感元件，標(biāo)定過(guò)程主要是確定輸出電壓值和鉑電阻阻值的關(guān)系，確定電阻值與溫度之間的關(guān)系，如圖5所示，最終獲得溫度計(jì)算模型和系數(shù)[14]。

①溫度范圍：-130～+70 ℃；

②定標(biāo)后溫度準(zhǔn)確度：優(yōu)于0.34 ℃；

③分辨率：0.1 ℃。

圖5 溫度傳感器分度數(shù)據(jù)Fig. 5 Temperature sensor indexing data

2）氣壓測(cè)量參數(shù)定標(biāo)

氣壓測(cè)量采用MEMS電容式微壓傳感器，傳感器的測(cè)量范圍為1～2 000 Pa，傳感器的定標(biāo)方式為：測(cè)試傳感器在不同溫度點(diǎn)、不同壓力點(diǎn)的信號(hào)輸出，利用曲面數(shù)值逼近擬合的方式，對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，得到補(bǔ)償計(jì)算數(shù)學(xué)公式及參數(shù)。

定標(biāo)完成后，在1～2 000 Pa，-40～+55 ℃范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)GB/T 15 478-1995壓力傳感器性能測(cè)試方法的相關(guān)要求，計(jì)算傳感器的性能指標(biāo)。

①量程：1～2 000 Pa，過(guò)壓105 kPa；

②準(zhǔn)確度：0.812%；

③分辨率：0.084 9 Pa。

3）風(fēng)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)定標(biāo)

風(fēng)場(chǎng)測(cè)量采用的是熱膜式風(fēng)場(chǎng)傳感器，通過(guò)測(cè)量流體中的熱源和流體間的熱傳導(dǎo)間接測(cè)量流體的流速。風(fēng)場(chǎng)測(cè)量模塊的輸出為加熱功率P，加熱功率P與風(fēng)速V之間的關(guān)系為

其中：ΔT為探頭溫度和環(huán)境溫度的溫差；A和B為與流體介質(zhì)成分和探頭結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。因此地面定標(biāo)需要確定A、B兩個(gè)系數(shù)。因?yàn)榛鹦谴髿獬煞趾吞筋^結(jié)構(gòu)已知，采用定標(biāo)裝置獲得風(fēng)速與功率的關(guān)系，然后通過(guò)多項(xiàng)式擬合獲得A、B兩個(gè)系數(shù)。

將不同測(cè)量點(diǎn)輸出值折算到1 000 Pa氣壓環(huán)境下，獲得傳感器輸出功率隨風(fēng)速的變化關(guān)系曲線，如圖6所示。

①風(fēng)速量程：70 m/s，準(zhǔn)確度：風(fēng)速0～10 m/s時(shí)，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.56 m/s；風(fēng)速為10～20 m/s時(shí)，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.96 m/s；風(fēng)速為20～70 m/s時(shí)，準(zhǔn)確度優(yōu)于1.06 m/s；

②風(fēng)向量程：0～360°；風(fēng)向準(zhǔn)確度：11.8°。

圖6 輸出功率與風(fēng)速關(guān)系曲線Fig. 6 The relationship of powerand wind speed

4）聲音測(cè)量參數(shù)定標(biāo)

①靈敏度標(biāo)定：使用比較法聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)，將聲校準(zhǔn)器置于參考頻率及額定的聲壓級(jí)后開(kāi)啟電源，待腔內(nèi)聲壓穩(wěn)定后，聲音傳感器采集聲信號(hào)，可得到聲音傳感器靈敏度，結(jié)果為68.14 mV/Pa；

②頻率響應(yīng)標(biāo)定：使用比較法聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)試傳感器頻率響應(yīng)，設(shè)置測(cè)試頻率250 Hz，聲壓級(jí)設(shè)置為額定聲壓級(jí)，20 Hz～20 kHz范圍內(nèi)，逐頻點(diǎn)測(cè)量并記錄聲音探頭的模擬信號(hào)輸出值；

③聲音傳感器動(dòng)態(tài)范圍：利用消聲系統(tǒng)對(duì)聲音探頭的動(dòng)態(tài)范圍下限進(jìn)行定標(biāo)，將動(dòng)態(tài)范圍上限值與下限值相減即得動(dòng)態(tài)范圍，結(jié)果為96.12 dB；

④聲壓靈敏度溫度響應(yīng)標(biāo)定：聲音傳感探頭放置于高低溫箱內(nèi)，采用聲音導(dǎo)管將標(biāo)準(zhǔn)活塞發(fā)生器產(chǎn)生的聲音導(dǎo)入，待測(cè)聲音探頭進(jìn)行信號(hào)采集，改變溫度（-60～+55 ℃范圍）后進(jìn)行測(cè)試，溫度區(qū)間內(nèi)響應(yīng)度偏差在 ± 2.35 dB內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)首次自主火星探測(cè)器“天問(wèn)1號(hào)”于2020年7月23日成功發(fā)射，預(yù)計(jì)2021年5月著陸火星，火星車有效載荷將在火星表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，有效載荷定標(biāo)數(shù)據(jù)將用于科學(xué)數(shù)據(jù)反演和處理。

火星車多光譜相機(jī)相對(duì)于“嫦娥3號(hào)”全景相機(jī)增加了多光譜功能，定標(biāo)項(xiàng)目中增加了光譜定標(biāo)，同時(shí)，在輻射定標(biāo)和幾何定標(biāo)中，增加了不同光譜譜段下的數(shù)據(jù)采集和定標(biāo)。

火星表面成分探測(cè)儀將用于LIBS探測(cè)的可見(jiàn)光譜儀與紅外光譜探測(cè)中的短波光譜儀合二為一，通過(guò)兩種方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)在原子和分子兩個(gè)層面對(duì)物質(zhì)信息進(jìn)行分析，儀器譜段覆蓋范圍寬，在240～850 nm范圍內(nèi)光譜分辨率0.1～0.3 nm（美國(guó)“好奇號(hào)”（Curiosity）化學(xué)相機(jī)對(duì)應(yīng)譜段的光譜分辨率為0.15～0.65 nm），采用特征光譜定標(biāo)法，在光譜定標(biāo)過(guò)程中使用汞燈、鈉燈等4組標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)射譜線進(jìn)行標(biāo)定，光譜分辨率標(biāo)定結(jié)果為0.067 nm，不同譜段之間具有重疊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋全譜段范圍，定標(biāo)數(shù)據(jù)更精細(xì)準(zhǔn)確。

火星氣象測(cè)量?jī)x為中國(guó)首次用于氣象測(cè)量的深空探測(cè)有效載荷，參考國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合火星環(huán)境條件，制定了火星氣象測(cè)量?jī)x的定標(biāo)試驗(yàn)方案和試驗(yàn)條件。針對(duì)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量定標(biāo)方案，建立了風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模型，由于火星大氣與地球大氣密度差異，建立了大氣密度與風(fēng)速測(cè)量對(duì)應(yīng)關(guān)系模型，采用雷諾數(shù)進(jìn)行修正后，定標(biāo)結(jié)果覆蓋了風(fēng)場(chǎng)測(cè)量性能指標(biāo)。

相對(duì)于我國(guó)以往航天任務(wù)，火星車有效載荷均為新研產(chǎn)品，同時(shí)火星探測(cè)也是我國(guó)首次，火星的各項(xiàng)環(huán)境條件均為未知，有效載荷在產(chǎn)品研制和定標(biāo)過(guò)程中針對(duì)火星的各種環(huán)境條件進(jìn)行了分析，包括溫度、大氣、光照、光譜、引力、物質(zhì)成分等等，針對(duì)各種環(huán)境條件制定了合適的定標(biāo)試驗(yàn)方案，順利完成了定標(biāo)試驗(yàn)。

在深空探測(cè)任務(wù)中，面對(duì)不同的星球，科學(xué)探測(cè)使用的有效載荷設(shè)備有一定的相似性，我國(guó)火星探測(cè)有效載荷的定標(biāo)試驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)可以為后續(xù)行星探測(cè)任務(wù)提供參考。