孫紅勝，梁新剛，馬維剛，王加朋，林冠宇

（1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京100084；2.北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京100074；3.中國科學(xué)院 長春精密光學(xué)機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033）

1 引 言

自然界中的許多現(xiàn)象反映在真空紫外譜段，如電離層擾動(dòng)信息、太陽物理構(gòu)成及其變化規(guī)律、地球的大氣氣輝和極光等［1-2］。空間遙感領(lǐng)域，真空紫外光學(xué)遙感是除可見、紅外和微波遙感以外的一個(gè)具有突出優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。真空紫外光譜輻射計(jì)是獲取大氣環(huán)境第一手資料的重要載荷，通過測(cè)量各波段經(jīng)大氣散射的光譜輻亮度和太陽直射的光譜輻照度，反演計(jì)算出大氣中各種微量氣體和氣溶膠的含量，以獲取電離層擾動(dòng)信息，監(jiān)測(cè)全球溫室效應(yīng)、臭氧層厚度變化和各種有害氣體的排放等［3］，對(duì)國家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事探測(cè)等具有重要意義。發(fā)射前對(duì)真空紫外光譜輻射計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)鍵步驟，相應(yīng)地對(duì)校準(zhǔn)精度有著更高的要求［4-5］。

真空紫外波段的輻射校準(zhǔn)難度較大，難點(diǎn)在于要產(chǎn)生均勻且量值可溯源的真空紫外光譜輻射。國際上真空紫外光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)的建立已較為完善，在美國SURF和德國BESSYⅡ上，均建立了基于同步輻射和低溫輻射計(jì)的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)站［6-7］，該裝置投資巨大，較為復(fù)雜。我國國家計(jì)量院的紫外校準(zhǔn)最低波段到200 nm［8］。真空紫外載荷研制單位主要利用經(jīng)過溯源的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器開展相應(yīng)的校準(zhǔn)工作，方法主要包括兩種［9-10］：一是單色準(zhǔn)直光經(jīng)過紫外漫反射器形成空間均勻朗伯輻射后，通過測(cè)量出漫反射器各個(gè)方向的雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），開展光譜輻亮度校準(zhǔn)，存在的問題是BRDF測(cè)量波段下限不夠、量值傳遞鏈條長，測(cè)量不確定度較大，校準(zhǔn)光路的對(duì)準(zhǔn)誤差較大；二是真空紫外單色光直接準(zhǔn)直后對(duì)真空紫外光譜輻射計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)輻亮度值由光束的輻照度值經(jīng)過立體角換算后得出，存在的問題是光束輻亮度均勻性難以保證。

本文提出了改進(jìn)的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)方法，研制了真空紫外光譜輻射亮度傳遞標(biāo)準(zhǔn)、新型透射式標(biāo)準(zhǔn)漫射器及BRDF測(cè)量部件，并搭建了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，建立了測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)模型，分析比較了兩種校準(zhǔn)方法的測(cè)量不確定度，對(duì)典型的真空紫外光譜輻射計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，得到了校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度。

2 原 理

2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的校準(zhǔn)原理

基于標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 基于標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的校準(zhǔn)原理Fig.1 Schematic of calibration devices based on standard diffuse reflector

標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的絕對(duì)光譜響應(yīng)度為φ(λ)，經(jīng)過德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）溯源可得；光敏面面積為ΔA，通過幾何量精密測(cè)量方法可得。校準(zhǔn)前，先將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器旋轉(zhuǎn)到漫反射板位置，測(cè)量得到信號(hào)值SE，光線垂直入射后經(jīng)反射與漫反射板法線成θ0角（待校真空紫外光譜輻射計(jì)接收輻射的方向），設(shè)標(biāo)準(zhǔn)漫反射板的BRDF為FBRD(0，θ0)，則待校真空紫外光譜輻射計(jì)接收到的標(biāo)準(zhǔn)光譜輻亮度為：

此時(shí)待校真空紫外光譜輻射計(jì)的輸出信號(hào)值為S0，光譜輻射亮度響應(yīng)度為：

2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的校準(zhǔn)原理

基于標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)和漫透射器的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)原理如圖2所示。

圖2 基于標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的校準(zhǔn)原理Fig.2 Schematic of calibration devices based on VUV standard radiometer

真空紫外單色光照射到漫透射板上，在一定角度范圍內(nèi)形成均勻的朗伯均勻輻射，通過切換標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)和待校真空紫外光譜輻射計(jì)的方法完成校準(zhǔn)。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)接收漫透射板輻射的信號(hào)輸出值為SL，標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的光譜輻射亮度響應(yīng)度為R0(λ)，待校真空紫外光譜輻射計(jì)的輸出信號(hào)值為S＇0，則待校真空紫外光譜輻射計(jì)的光譜輻射亮度響應(yīng)度為：

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)

真空紫外輻射亮度校準(zhǔn)的關(guān)鍵是要具備一個(gè)真空紫外輻射亮度的標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)了一種無光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)角為2°，作為真空紫外輻射亮度校準(zhǔn)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。其原理如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)原理Fig.3 Schematic of VUV standard radiometer

標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)中，探測(cè)器采用硅光電二極管，經(jīng)過PTB校準(zhǔn)的光譜響應(yīng)度φ(λ)如圖4所示；光闌立體角為ω0，ω0=π·d2/r2，面積為ΔA，經(jīng)過精密測(cè)量計(jì)算可得，則標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的光譜輻亮度響應(yīng)度為：

圖4 探測(cè)器的光譜響應(yīng)度Fig.4 Spectral response of detector

在真空條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)進(jìn)行了原理驗(yàn)證。理想積分球出口的輻射出射度和輻射亮度值具有E=π×L關(guān)系，通過在積分球出口分別測(cè)量其輻射照度值和輻射亮度值，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的測(cè)量原理和數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。其中，氘燈的穩(wěn)定度為0.5%（10 min），驗(yàn)證的數(shù)據(jù)表見表1。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，利用標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)測(cè)得的輻射亮度值與積分球出口處的輻射照度值符合π的比例關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的原理正確。

表1 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.1 Standard radiometer verification data

圖5 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Test field of standard radiometer verification test using VUV integrating sphere

3.2 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器及漫透射器

在真空紫外波段，性能穩(wěn)定的漫反射涂層材料難以制備。比如可反射真空紫外波段的鋁涂層，長期在空氣中會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，氧化后其真空紫外波段的反射率會(huì)大幅下降。通過在基底材料上噴涂鋁粉，并在表面蒸鍍氟化鎂保護(hù)層，防止鋁粉的氧化，減少對(duì)真空紫外輻射的吸收。該方法可保證漫反射器的工作波段及反射率滿足使用要求，其設(shè)計(jì)形式及實(shí)物如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器設(shè)計(jì)及實(shí)物Fig.6 Design and object of standard diffuse reflector

真空紫外漫透射器采用氟化鎂作為基底材料，第一面為球面，第二面為漫透射面，表面磨砂處理，制備口徑Ф約為100 mm。真空紫外漫透射器的設(shè)計(jì)及實(shí)物如圖7所示。為掌握真空紫外漫透射器的空間方向輻射特性，利用標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)對(duì)漫透射器光源方向的輻射特性相對(duì)分布進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，真空紫外漫透射器在±10°的范圍內(nèi)具有良好的朗伯特性，滿足大部分真空紫外光譜輻射計(jì)的校準(zhǔn)需求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)漫透射器設(shè)計(jì)及實(shí)物Fig.7 Design and object of standard diffuse transmitter

圖8 真空紫外漫透射器方向輻射特性Fig.8 Directional radiation characteristics of VUV diffuse transmitter

3.3 真空紫外BRDF測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)部件

標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的BRDF特性是影響校準(zhǔn)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，目前一般的BRDF測(cè)量精度只能到140 nm。這里研制了一套基于光電倍增管的真空紫外漫反器BRDF測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)部件，最低可測(cè)波長為115 nm，測(cè)量角度范圍為±60°，如圖9所示。標(biāo)準(zhǔn)部件包括測(cè)量模塊和采集控制模塊，測(cè)量模塊用于被測(cè)目標(biāo)反射信號(hào)的探測(cè)，控制模塊用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，由真空倉壁上的真空法蘭實(shí)現(xiàn)二者的聯(lián)通。

圖9 真空紫外BRDF測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)部件Fig.9 Standard components for vacuum ultraviolet BRDF measurement

垂直入射時(shí)BRDF測(cè)量的數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漫反射器在典型波長點(diǎn)入射角度為0°時(shí)的BRDF進(jìn)行了測(cè)量，反射角為（θ，φ），結(jié)果如表2和圖10所示。從圖中可以看出，入射角為0°時(shí)，一定立體角區(qū)域內(nèi)的反射朗伯特性較好，反射率與其平均值的最大偏差不超過2%，可作為校準(zhǔn)區(qū)域。

表2 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of BRDF of standard diffuse reflector

圖10 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF的測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test result of BRDF of standard diffuse reflector

4 測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)模型與分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)測(cè)量不確定度

根據(jù)式（4），標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)輻射亮度響應(yīng)度測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：uφ(λ)為標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)中的探測(cè)器溯源引入的不確定度分量（由計(jì)量證書確定），uΔA為探測(cè)器光敏面面積測(cè)量引入的不確定度分量（由計(jì)量證書確定），uω0為標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)中的光闌立體角測(cè)量引入的不確定度分量（由計(jì)量證書確定），u4為測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量（由前期數(shù)據(jù)確定），其具體數(shù)值見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的測(cè)量不確定度及分量Tab.3 Uncertainty and subscale of standard VUV radiometer （%）

4.2 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF測(cè)量不確定度

根據(jù)計(jì)量證書以及前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF測(cè)量不確定度的主要來源由式（5）計(jì)算得到，見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF測(cè)量不確定度分量Tab.4 Uncertainty subscale of standard diffuser BRDF （%）

由于反射輻射亮度和入射輻射照度用同一探測(cè)器測(cè)量，則u L(θ0)與u E0具有相關(guān)性，估計(jì)其相關(guān)系數(shù)為0.8，則BRDF測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型為：

經(jīng) 計(jì) 算，在115～130 nm，uBRDF(0，θ)=4.8%；在130～200 nm，uBRDF(0，θ)=3.9%。

4.3 系統(tǒng)測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)模型

根據(jù)式（2），基于標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

式中：uφ(λ)為標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)中探測(cè)器溯源引入的不確定度分量，uΔA為探測(cè)器光敏面面積測(cè)量引入的不確定度分量，u S0為待校真空紫外光譜輻射計(jì)中輸出信號(hào)測(cè)量引入的不確定度分量，u SE為入射輻射照度測(cè)量時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)測(cè)量引入的不確定度分量，uBRDF為標(biāo)準(zhǔn)漫反射器BRDF系數(shù)測(cè)量引入的不確定度分量，u6為測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。

根據(jù)式（3），基于標(biāo)準(zhǔn)漫透射器和標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

式中：u R0(λ)為標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)輻射亮度響應(yīng)度引入的不確定度分量，u S＇0為待校真空紫外光譜輻射計(jì)中輸出信號(hào)測(cè)量引入的不確定度分量，u SL為標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)輸出信號(hào)測(cè)量引入的不確定度分量，u＇4為測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。

4.4 比較分析

由4.1，4.2節(jié)可知，標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器引入的測(cè)量不確定度相差不大，而BRDF測(cè)量引入的測(cè)量不確定度值較大。由4.3節(jié)可知，基于標(biāo)準(zhǔn)漫透射器和標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的校準(zhǔn)，與基于標(biāo)準(zhǔn)漫反射器的校準(zhǔn)相比，系統(tǒng)的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)模型中減少了BRDF測(cè)量引入的不確定度分量（3.9%～4.8%），量值傳遞鏈條較短，測(cè)量不確定度更優(yōu)。對(duì)視場(chǎng)角在±10°以內(nèi)的真空紫外光譜輻射計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)的校準(zhǔn)方法能獲得更優(yōu)的校準(zhǔn)結(jié)果，同時(shí)校準(zhǔn)時(shí)的光路對(duì)準(zhǔn)更方便，操作過程更簡單。

5 真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)搭建了一套真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)裝置，如圖11所示?；跇?biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)，利用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)和待測(cè)真空紫外光譜輻射計(jì)同位互換，對(duì)風(fēng)云衛(wèi)星上的空間探測(cè)用真空紫外光譜輻射計(jì)（真空紫外電離層光度計(jì)）進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見圖12。

圖11 真空紫外光譜輻射計(jì)載荷校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Load calibration site of VUV spectroradiometer

圖12 真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.12 Calibration results of VUV spectroradiometers

6 結(jié) 論

本文提出了一種校準(zhǔn)光束均勻、量值傳遞鏈條短的校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)方法中去掉了BRDF測(cè)量引入的不確定度分量，研建了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，波長最低到115 nm，校準(zhǔn)光束在±10°以內(nèi)具有很好的朗伯均勻輻射特性；對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了分析，結(jié)果表明基于標(biāo)準(zhǔn)真空紫外輻射亮度計(jì)和漫透射器的校準(zhǔn)方法的測(cè)量不確定度更優(yōu)。對(duì)風(fēng)云衛(wèi)星上的真空紫外光譜輻射計(jì)開展了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，得到了它在典型波長點(diǎn)的光譜輻射亮度響應(yīng)度值，最終的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度為12%，目前真空紫外光譜輻射計(jì)在軌運(yùn)行良好。研制的真空紫外光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)裝置填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，在空間探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。后續(xù)擬利用國內(nèi)的同步輻射實(shí)驗(yàn)室，擴(kuò)展同步輻射光束線的最小波長到10 nm，實(shí)現(xiàn)10～200 nm波段真空紫外光譜輻射計(jì)的校準(zhǔn)。