真空低温环境红外亮温标准装置设计

张俊祺 王文革 王阔传 黄 赜 张 奇 刘 浩

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

目前，随着航天技术、电子技术、传感技术以及信息技术的发展，遥感信息的定量化研究成为热点。而遥感测量数据的计量校准是遥感信息定量化的前提和重要组成部分，又是遥感信息与所反映的被观测物真实参数之间的桥梁。

红外遥感是天地观测系统的重要观测手段，而高精度的实验室定标黑体辐射源，对于保持红外载荷高精度的观测水平具有决定性作用。所有的红外探测仪器都需要经过量值定标，随着红外遥感仪器定量化水平的不断提高，对于量值传递水平和黑体辐射源的性能提出的标准和要求也越来越高。

本文围绕航天卫星遥感领域中对红外亮温溯源的迫切需求，设计了真空低温环境红外亮温计量标准装置的技术方案。通过标准装置的建立，将为航天型号任务研制、试验、卫星在轨亮温测量提供可靠的计量保障，保证量值传递的准确，可以提高航天遥感的红外遥感水平，同时在气象、海洋与环境要素探测方面也将发挥积极、重要作用。

2 国内外研究现状

目前，国内外许多科研机构已经开展红外亮温标准研究，并建立了装置，例如：德国物理技术研究院(PTB)研制的真空低温环境红外亮度温度标准装置，已经用于欧洲局对地观测项目传感器的标定工作；美国标准技术研究所(NIST)为了满足气候变化监测计划项目的高精度定标需求，研发了新一代红外亮度温度标准；俄罗斯全俄光学计量院VNIIOFI研制了真空红外标定装置和真空标准黑体辐射源。在国内，中国计量科学研究院研制的真空低温环境红外亮度温度标准装置已经用于风云气象卫星的传感器的校准工作。下面对各研究单位的标准装置进行分别介绍。

2.1 德国物理技术研究院(PTB)

PTB针对空间红外遥感辐射温度和光谱辐射亮度建立了真空低温环境亮度温度溯源系统(如图1所示)，通过固定点黑体复现亮温基准，利用真空型傅里叶光谱仪和真空红外标准辐射温度计进行量值传递，实现了波长(1～1000)μm，温度(100～700)K 范围内辐射温度和光谱辐射亮度的校准。

图1 德国PTB真空低温环境红外亮温标准装置结构图Fig.1 Germany PTB standard device structure diagram

2.2 美国标准技术研究院(NIST)

美国NIST为气候变化监测计划项目(CLARREO)研制了一套控制背景光谱辐射计和光谱光度计测量系统(CBS3)。CBS3系统实现了以固定点黑体为参考辐射源，以变温黑体作为工作标准器，以傅立叶光谱仪和光谱传递辐射计作为传递仪器的量值传递体系，其装置结构如图2所示。

图2 美国NIST的CBS3装置结构图Fig.2 NIST CBS3 device structure diagram

2.3 中国计量科学研究院(NIM)

中国计量科学研究院对红外亮度温度标准装置开展了一定的研究，采用液氮冷却真空实验舱和真空测量光路实现低温度环境下的工作环境，研制的标准黑体温度覆盖(190～340)K。该装置由被校黑体真空低温舱、光路切换机构、真空标准黑体辐射源、液氮冷却黑体、真空低温光路、傅立叶光谱仪测量系统和真空抽气系统等组成。

综上所述，国内外普遍采用的红外亮温量传体系基本类似，都是以固定点黑体为标准参考源，通过傅立叶红外光谱仪或其它光谱辐射计等仪器，实现亮度温度的量值传递。具体实施方案和光路设计略有差别，其中德国PTB通过平面反射镜和离轴抛物镜的组合进行红外辐射收集，可以同时测量多个固定点黑体，并同时采用傅立叶红外光谱仪与宽带红外辐射温度计作为传递仪器，光路简单清晰。

3 真空低温环境红外亮温标准装置

北京航天计量测试技术研究所针对航天红外亮温平台和红外亮温在国防系统内的定量化需求，设计了真空低温环境红外亮温标准装置。本项目与国内外主要研究单位设计指标对比如表1所示。

表1 设计指标对比Tab.1 Design index comparsion

3.1 溯源体系

真空低温环境红外亮温计量标准装置，量值传递的层次分为三层，如图3所示，第一层为汞固定点、镓固定点、铟固定点和锌固定点黑体作为参考源，直接采用ITS-90国际温标的参考值，第二层为利用两个真空变温黑体参考源实现100K～700K温度范围的覆盖，将变温黑体的量值通过傅立叶红外光谱仪和真空红外标准辐射温度计传递给第三层用户黑体。为了使量值传递尽量接近实际工况，设计了变温真空实验系统，满足实际定标需要。

3.2 装置设计方案

装置主要包括：真空黑体舱、真空固定点黑体、旋转平面镜舱、零位黑体、真空变温黑体、冷却光路系统、离轴反射镜舱、真空红外标准辐射温度计、真空傅立叶红外光谱仪等部分组成。装置构成如图4所示。

真空黑体舱用于放置被较黑体辐射源，采用真空环模技术，利用液氮对内壁热沉进行制冷，利用真空机组进行抽真空处理，用于模拟太空工作环境，其内壁涂有高发射率涂层，减少环境背景辐射影响。真空黑体舱外壁上设置了多个观察法兰窗口及真空航插接头，实现被较黑体与外部的电气连接。舱体内部设有高精度电控导轨，可实现多个被较黑体切换及其他拓展性功能。最大可测黑体尺寸约为600mm。

旋转平面镜舱为长方体结构，其内部环境同样采用抽真空及液氮制冷处理；其内部装有可精确定位的可旋转高反射率镜片，可以在固定点黑体、真空变温黑体、零位黑体、被校黑体之间进行光路的切换。出光口位置留有安装孔，用于安装与锁相放大器相配合的斩波器，从而实现微弱信号的测量。

零位黑体将黑体空腔浸泡在液氮中，以此作为真空傅里叶红外光谱仪的零点信号。

固定点黑体分别采用汞固定点、镓固定点、铟固定点和锌固定点黑体作为参考源。

图3 真空低温环境红外亮温溯源链Fig.3 Low background infrared temperature tracing chain

图4 真空低温环境红外亮温计量标准装置结构图Fig.4 Standard device structure diagram

真空变温黑体分两部分组成，温度范围覆盖(100～700)K，作为红外遥感亮度温度传递溯源标准。

旋转平面镜舱和离轴反射镜舱通过冷却管式光路系统连接。待测黑体与标准黑体的辐射信号，经旋转平面镜片反射后，通过冷却光路进入到后续探测光路中。

冷却管式光路系统设置有多个温度监测点，用于监测舱内环境，同时设有多个液氮冷却光阑，从而降低杂散光的影响。

离轴反射镜舱内，安装有可移动导轨，用于真空红外标准辐射温度计与离轴椭球反射镜之间的切换。

装置光路示意图如图5所示，其中光路部分为被校黑体热辐射经反射镜反射至傅里叶光谱仪示意图。

图5 真空低温环境红外亮温计量标准装置光路图Fig.5 Light circuit diagram of the device

待测黑体辐射源等辐射源发出的辐射通过旋转平面镜切换，分别进入测量光路，经过冷却管式光路系统，经离轴椭球面反射镜汇聚进入真空傅立叶红外光谱仪的入口，通过光谱仪探测器进行光谱辐射亮度测量。通过切换可以选择使用真空红外标准辐射温度计或者真空傅立叶红外光谱仪作为红外辐射测量仪器。

4 分系统设计

4.1 真空变温黑体

真空变温黑体被分为中温黑体和低温黑体两种。低温变温黑体提供(100～450)K范围内的黑体辐射参考源，黑体采用液氮冷却方式，液氮流经环绕在热沉体表面的环形通道，设置一大一小两个出口。采用腔体三段控温，每个加热段内均配有两支铂电阻传感器，一支对应温度控制器，另一支独立监测温度用于修正温控器的设定温度。

中温变温黑体的辐射温度范围为(423～700)K，腔体采用三段加热方式。每段均配有相应的PID温度控制器，铂电阻传感器布置在不同部位独立监测温度变化，黑体腔体采用纯铜材料，腔内涂层材料为高发射率黑色涂层，建立精密控温系统对腔内温度分布进行监测，保证腔体轴线方向较小的温度梯度。外壳结构与低温变温黑体类似。

4.2 固定点黑体辐射源

理想纯金属的熔化和凝固发生在唯一的温度下，并包含熔化潜热的吸收和释放。如果利用足够量的金属，当金属发生凝固和熔化时，潜热可以维持金属在相变过程中处于恒定的温度，产生温坪效应。本技术方案就是利用从纯金属在压力一定时，固液两相共存的温度恒定的特点来实现标准辐射黑体辐射源。

本项目建立汞、镓、铟、锌固定点黑体辐射源，空腔开口30mm，空腔深度200mm，底部采用圆锥设计，底部夹角120°。空腔有效发射率经过计算达到0.999 9，内部采用高发射率涂层。其具体参数如表2所示。

表2 固定点黑体参数Tab.2 Anchor black body parameter

4.3 液氮冷却零位黑体

液氮冷却零点黑体辐射源利用真空内置杜瓦，将黑体腔浸泡在液氮中，使其保持液氮温度，以此作为傅里叶光谱仪零点信号。腔底采用倒锥形式，并涂有高发射率涂料。

4.4 真空红外标准辐射温度计

研制真空红外标准辐射温度计，设计光谱范围为(8～14)μm，温度测量范围为(123～700)K，作为红外亮温传递标准。

本技术方案设计的红外传递辐射温度计采用密封结构与真空环境进行隔离。为了保证光路系统和探测器以及电气系统的正常工作，密封结构内设计了氮气增压系统，保证密封结构内的气压，并避免低温条件下的结露、结霜等情况。红外传递辐射温度计采用主动控温和被动绝热设计来保证低温环境下使用。主动控温系统采用精密控温的循环流体对红外传递辐射温度计整个结构进行控温，保证红外探测器与光路系统等工作在(-20～25)℃范围内。被动绝热设计通过在红外传递辐射温度计外壳结构内设计绝热真空层来实现，由于真空层的导热性能很差，减小了整体结构的漏热损耗。

4.5 真空傅立叶红外光谱仪

在真空低温环境红外亮温计量标准装置中，采用全真空型傅立叶红外光谱仪，光谱范围为(1～1000)μm，光谱仪的最低工作压力达到102Pa。光谱仪采用DTGS、液氮制冷MCT、远红外Bolometer探测器组合实现(1～1000)μm的测量光谱范围。光谱仪与真空系统采用窗片隔离。光谱仪与专用斩波器配合，采用相敏检波技术手段提高信噪比。

5 结束语

为了满足气候变化监测、气象预报和防灾减灾以及全球遥测量值一致性等的重大需求，研制真空低温环境红外亮度温度标准装置，对于红外遥感定量化水平的提高具有重要的意义和现实需求。

红外遥感定量化水平的提高除了仪器本身性能影响，其定标水平也起到至关重要的作用。为了提高航天遥感定量化水平，本文设计了真空低温环境红外亮温计量标准装置技术方案，装置的测量温度覆盖(100～700)K，光谱范围覆盖(1～1000)μm。通过该装置的建立将为我国红外遥感水平的提高提供重要保障。