空间探测用真空紫外光谱辐射计的校准

孙红胜，梁新刚，马维刚，王加朋，林冠宇

（1.清华大学 航天航空学院，北京100084；2.北京振兴计量测试研究所，北京100074；3.中国科学院 长春精密光学机械与物理研究所，吉林 长春130033）

1 引 言

自然界中的许多现象反映在真空紫外谱段，如电离层扰动信息、太阳物理构成及其变化规律、地球的大气气辉和极光等［1-2］。空间遥感领域，真空紫外光学遥感是除可见、红外和微波遥感以外的一个具有突出优势的技术。真空紫外光谱辐射计是获取大气环境第一手资料的重要载荷，通过测量各波段经大气散射的光谱辐亮度和太阳直射的光谱辐照度，反演计算出大气中各种微量气体和气溶胶的含量，以获取电离层扰动信息，监测全球温室效应、臭氧层厚度变化和各种有害气体的排放等［3］，对国家安全、环境监测、军事探测等具有重要意义。发射前对真空紫外光谱辐射计进行校准是一个关键步骤，相应地对校准精度有着更高的要求［4-5］。

真空紫外波段的辐射校准难度较大，难点在于要产生均匀且量值可溯源的真空紫外光谱辐射。国际上真空紫外光谱辐射标准的建立已较为完善，在美国SURF和德国BESSYⅡ上，均建立了基于同步辐射和低温辐射计的真空紫外光谱辐射计校准实验站［6-7］，该装置投资巨大，较为复杂。我国国家计量院的紫外校准最低波段到200 nm［8］。真空紫外载荷研制单位主要利用经过溯源的标准探测器开展相应的校准工作，方法主要包括两种［9-10］：一是单色准直光经过紫外漫反射器形成空间均匀朗伯辐射后，通过测量出漫反射器各个方向的双向反射分布函数（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），开展光谱辐亮度校准，存在的问题是BRDF测量波段下限不够、量值传递链条长，测量不确定度较大，校准光路的对准误差较大；二是真空紫外单色光直接准直后对真空紫外光谱辐射计进行校准，标准辐亮度值由光束的辐照度值经过立体角换算后得出，存在的问题是光束辐亮度均匀性难以保证。

本文提出了改进的真空紫外光谱辐射计校准方法，研制了真空紫外光谱辐射亮度传递标准、新型透射式标准漫射器及BRDF测量部件，并搭建了相应的校准装置，建立了测量不确定度评价模型，分析比较了两种校准方法的测量不确定度，对典型的真空紫外光谱辐射计进行了校准实验，得到了校准结果的测量不确定度。

2 原 理

2.1 基于标准漫反射器的校准原理

基于标准漫反射器的真空紫外光谱辐射计校准原理如图1所示。

图1 基于标准漫反射器的校准原理Fig.1 Schematic of calibration devices based on standard diffuse reflector

标准探测器的绝对光谱响应度为φ(λ)，经过德国联邦物理技术研究院（PTB）溯源可得；光敏面面积为ΔA，通过几何量精密测量方法可得。校准前，先将标准探测器旋转到漫反射板位置，测量得到信号值SE，光线垂直入射后经反射与漫反射板法线成θ0角（待校真空紫外光谱辐射计接收辐射的方向），设标准漫反射板的BRDF为FBRD(0，θ0)，则待校真空紫外光谱辐射计接收到的标准光谱辐亮度为：

此时待校真空紫外光谱辐射计的输出信号值为S0，光谱辐射亮度响应度为：

2.2 基于标准真空紫外辐射亮度计的校准原理

基于标准真空紫外辐射亮度计和漫透射器的真空紫外光谱辐射计校准原理如图2所示。

图2 基于标准真空紫外辐射亮度计的校准原理Fig.2 Schematic of calibration devices based on VUV standard radiometer

真空紫外单色光照射到漫透射板上，在一定角度范围内形成均匀的朗伯均匀辐射，通过切换标准真空紫外辐射亮度计和待校真空紫外光谱辐射计的方法完成校准。设标准真空紫外辐射亮度计接收漫透射板辐射的信号输出值为SL，标准真空紫外辐射亮度计的光谱辐射亮度响应度为R0(λ)，待校真空紫外光谱辐射计的输出信号值为S＇0，则待校真空紫外光谱辐射计的光谱辐射亮度响应度为：

3 实 验

3.1 标准真空紫外辐射亮度计

真空紫外辐射亮度校准的关键是要具备一个真空紫外辐射亮度的标准。本文设计了一种无光学系统的标准真空紫外辐射亮度计，其标准视场角为2°，作为真空紫外辐射亮度校准的传递标准。其原理如图3所示。

图3 标准真空紫外辐射亮度计原理Fig.3 Schematic of VUV standard radiometer

标准真空紫外辐射亮度计中，探测器采用硅光电二极管，经过PTB校准的光谱响应度φ(λ)如图4所示；光阑立体角为ω0，ω0=π·d2/r2，面积为ΔA，经过精密测量计算可得，则标准真空紫外辐射亮度计的光谱辐亮度响应度为：

图4 探测器的光谱响应度Fig.4 Spectral response of detector

在真空条件下对标准真空紫外辐射亮度计进行了原理验证。理想积分球出口的辐射出射度和辐射亮度值具有E=π×L关系，通过在积分球出口分别测量其辐射照度值和辐射亮度值，验证标准真空紫外辐射亮度计的测量原理和数据是否准确，测试现场如图5所示。其中，氘灯的稳定度为0.5%（10 min），验证的数据表见表1。由测试数据可知，利用标准真空紫外辐射亮度计测得的辐射亮度值与积分球出口处的辐射照度值符合π的比例关系，标准真空紫外辐射亮度计的原理正确。

表1 标准真空紫外辐射亮度计验证数据Tab.1 Standard radiometer verification data

图5 标准真空紫外辐射亮度计测试现场Fig.5 Test field of standard radiometer verification test using VUV integrating sphere

3.2 标准漫反射器及漫透射器

在真空紫外波段，性能稳定的漫反射涂层材料难以制备。比如可反射真空紫外波段的铝涂层，长期在空气中会出现氧化现象，氧化后其真空紫外波段的反射率会大幅下降。通过在基底材料上喷涂铝粉，并在表面蒸镀氟化镁保护层，防止铝粉的氧化，减少对真空紫外辐射的吸收。该方法可保证漫反射器的工作波段及反射率满足使用要求，其设计形式及实物如图6所示。

图6 标准漫反射器设计及实物Fig.6 Design and object of standard diffuse reflector

真空紫外漫透射器采用氟化镁作为基底材料，第一面为球面，第二面为漫透射面，表面磨砂处理，制备口径Ф约为100 mm。真空紫外漫透射器的设计及实物如图7所示。为掌握真空紫外漫透射器的空间方向辐射特性，利用标准真空紫外辐射亮度计对漫透射器光源方向的辐射特性相对分布进行了测量，结果如图8所示。由图8可知，真空紫外漫透射器在±10°的范围内具有良好的朗伯特性，满足大部分真空紫外光谱辐射计的校准需求。

图7 标准漫透射器设计及实物Fig.7 Design and object of standard diffuse transmitter

图8 真空紫外漫透射器方向辐射特性Fig.8 Directional radiation characteristics of VUV diffuse transmitter

3.3 真空紫外BRDF测量标准部件

标准漫反射器的BRDF特性是影响校准准确度的关键因素，目前一般的BRDF测量精度只能到140 nm。这里研制了一套基于光电倍增管的真空紫外漫反器BRDF测量标准部件，最低可测波长为115 nm，测量角度范围为±60°，如图9所示。标准部件包括测量模块和采集控制模块，测量模块用于被测目标反射信号的探测，控制模块用于实现运动控制，由真空仓壁上的真空法兰实现二者的联通。

图9 真空紫外BRDF测量标准部件Fig.9 Standard components for vacuum ultraviolet BRDF measurement

垂直入射时BRDF测量的数学模型为：

对标准漫反射器在典型波长点入射角度为0°时的BRDF进行了测量，反射角为（θ，φ），结果如表2和图10所示。从图中可以看出，入射角为0°时，一定立体角区域内的反射朗伯特性较好，反射率与其平均值的最大偏差不超过2%，可作为校准区域。

表2 标准漫反射器BRDF的测试数据Tab.2 Test data of BRDF of standard diffuse reflector

图10 标准漫反射器BRDF的测试结果Fig.10 Test result of BRDF of standard diffuse reflector

4 测量不确定度评价模型与分析

4.1 标准真空紫外辐射亮度计测量不确定度

根据式（4），标准真空紫外辐射亮度计辐射亮度响应度测量不确定度评价的数学模型为：

式中：uφ(λ)为标准真空紫外辐射亮度计中的探测器溯源引入的不确定度分量（由计量证书确定），uΔA为探测器光敏面面积测量引入的不确定度分量（由计量证书确定），uω0为标准真空紫外辐射亮度计中的光阑立体角测量引入的不确定度分量（由计量证书确定），u4为测量重复性引入的不确定度分量（由前期数据确定），其具体数值见表3。

表3 标准真空紫外辐射亮度计的测量不确定度及分量Tab.3 Uncertainty and subscale of standard VUV radiometer （%）

4.2 标准漫反射器BRDF测量不确定度

根据计量证书以及前期实验数据可得，标准漫反射器BRDF测量不确定度的主要来源由式（5）计算得到，见表4。

表4 标准漫反射器BRDF测量不确定度分量Tab.4 Uncertainty subscale of standard diffuser BRDF （%）

由于反射辐射亮度和入射辐射照度用同一探测器测量，则u L(θ0)与u E0具有相关性，估计其相关系数为0.8，则BRDF测量不确定度评价的数学模型为：

经 计 算，在115～130 nm，uBRDF(0，θ)=4.8%；在130～200 nm，uBRDF(0，θ)=3.9%。

4.3 系统测量不确定度评价模型

根据式（2），基于标准漫反射器的真空紫外光谱辐射计校准结果的测量不确定度评价数学模型为：

式中：uφ(λ)为标准真空紫外辐射亮度计中探测器溯源引入的不确定度分量，uΔA为探测器光敏面面积测量引入的不确定度分量，u S0为待校真空紫外光谱辐射计中输出信号测量引入的不确定度分量，u SE为入射辐射照度测量时探测器输出信号测量引入的不确定度分量，uBRDF为标准漫反射器BRDF系数测量引入的不确定度分量，u6为测量重复性引入的不确定度分量。

根据式（3），基于标准漫透射器和标准真空紫外辐射亮度计的真空紫外光谱辐射计校准结果的测量不确定度评价数学模型为：

式中：u R0(λ)为标准真空紫外辐射亮度计辐射亮度响应度引入的不确定度分量，u S＇0为待校真空紫外光谱辐射计中输出信号测量引入的不确定度分量，u SL为标准真空紫外辐射亮度计输出信号测量引入的不确定度分量，u＇4为测量重复性引入的不确定度分量。

4.4 比较分析

由4.1，4.2节可知，标准真空紫外辐射亮度计和标准探测器引入的测量不确定度相差不大，而BRDF测量引入的测量不确定度值较大。由4.3节可知，基于标准漫透射器和标准真空紫外辐射亮度计的校准，与基于标准漫反射器的校准相比，系统的测量不确定度评价模型中减少了BRDF测量引入的不确定度分量（3.9%～4.8%），量值传递链条较短，测量不确定度更优。对视场角在±10°以内的真空紫外光谱辐射计，基于标准真空紫外辐射亮度计的校准方法能获得更优的校准结果，同时校准时的光路对准更方便，操作过程更简单。

5 真空紫外光谱辐射计校准实验

实验搭建了一套真空紫外光谱辐射计校准装置，如图11所示。基于标准真空紫外辐射亮度计，利用转台对标准真空紫外辐射亮度计和待测真空紫外光谱辐射计同位互换，对风云卫星上的空间探测用真空紫外光谱辐射计（真空紫外电离层光度计）进行了校准，校准结果见图12。

图11 真空紫外光谱辐射计载荷校准现场Fig.11 Load calibration site of VUV spectroradiometer

图12 真空紫外光谱辐射计校准结果Fig.12 Calibration results of VUV spectroradiometers

6 结 论

本文提出了一种校准光束均匀、量值传递链条短的校准方法，校准方法中去掉了BRDF测量引入的不确定度分量，研建了相应的校准装置，波长最低到115 nm，校准光束在±10°以内具有很好的朗伯均匀辐射特性；对测量不确定度评价模型进行了分析，结果表明基于标准真空紫外辐射亮度计和漫透射器的校准方法的测量不确定度更优。对风云卫星上的真空紫外光谱辐射计开展了校准实验，得到了它在典型波长点的光谱辐射亮度响应度值，最终的校准结果不确定度为12%，目前真空紫外光谱辐射计在轨运行良好。研制的真空紫外光谱辐射计校准装置填补了国内的空白，在空间探测领域具有广泛的应用推广价值。后续拟利用国内的同步辐射实验室，扩展同步辐射光束线的最小波长到10 nm，实现10～200 nm波段真空紫外光谱辐射计的校准。