基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

光谱辐射照度测试研究

介绍了光谱辐射照度的测试方法.该方法以高温黑体为基础复现光谱辐射照度,并将复现获得的量值采用替代法对光谱辐射照度标准灯进行量值传递与测试,具有测量不确定度高等优点.同时,给出了采用这种方法的测量结果,介绍了BB3200K型高温黑体及光谱辐射照度测量装置.测量结果表明,采用本文方法可获得高稳定性和理想的测量结果.     

双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

Gershun管光谱辐射计设计与性能检测EI北大核心CSCD

为满足地面/空间辐射定标和太阳/大气遥感测量的应用需求,开发了一种基于Gershun管(光阑筒式结构)的高精度光谱辐射计。介绍了Gershun管光谱辐射计的设计,对其探测器光谱响应度、空间响应均匀性、角度响应特性和视场内外辐射响应特性进行了测试,将基于探测器标准的Gershun管光谱辐射计与基于光谱辐射光源标准的Gershun管光谱辐射计进行了比对,并分析了其标准不确定度范围。实验表明,Gershun管光谱辐射计的光谱响应度重复性为0.3%,区域响应度均匀性为0.3%,角度响应与余弦分布一致性为0.2%,视场外辐射抑制能力为2.1×10^(-4);Gershun管光谱辐射计与光谱辐射光源标准比对的标准不确定度为2.83%,实验测试结果与理论结果的一致性为0.17%。所设计的Gershun管光谱辐射计可以满足应用需求。     

激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为激光束功率测量探测器,采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场,精确测量太阳辐射计870 nm无偏直射通道中心波长处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度,最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度,联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分得到该通道大气层外响应常数V₀值,与NASA的GSFC中心的2009年定标结果差异仅为3.75%,定标不确定度达到2.06%,验证了这一新技术的原理可行性。     

系统级定标方法实现基于低温辐射计的标准灯400～900nm波段光谱辐照度

为提高光辐射工作标准精度和满足遥感器高精度辐射定标需要,开展了以低温辐射计为初级标准,滤光片辐射计为传递标准的标准灯光谱辐照度实现研究。通过滤光片辐射计响应的系统级定标、辐照度标准灯物理模型和递归迭代优化算法,由滤光片带宽下的积分响应得到辐照度标准灯的连续光谱分布。系统级的定标方法避免了滤光片透射率、几何因子测量和使用与标定状态不一致引入的不确定度。初步结果表明,该方法实现的400～900 nm波段标准灯光谱辐照度与基于国际温标(ITS-90)高温黑体标定的结果相对差别在后者的不确定度范围之内。在国内尝试实现了基于低温辐射计的标准灯光谱辐照度标准传递,对提高光辐射计量、辐射测温以及遥感器特别是高光谱遥感器辐射定标精度有重要意义。     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

200～400nm短波紫外光谱辐射照度国家基准装置的研究与建立

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题,基于高温黑体辐射源,2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。组建氘灯副基准灯组,实现基准量值的独立复现、保存和传递。在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系,为各应用领域提供最高溯源标准。针对基准系统中温度测量、带宽、信噪比、荧光等主要误差源,逐一突破关键测量技术,提升基准的测量准确度：将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体,采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证,在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K,将200 nm的测量不确定度减小0.2%;针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差,提出基于微分求积的七点带宽修正法,在200 nm,误差减小0.86%;提出绝对和相对互补型测量原理,将200 nm的测量重复性误差减小约20倍;采用选择性滤波技术,成功消除系统内荧光对测量结果的影响。3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K,腔底不均匀性小于0.17 K,测量期间黑体温度漂移小于0.2 K,双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。氘灯副基准的标准测量不确定度为：200~250 nm,U_rel=4.0%~1.3%;250~330 nm,U_rel=1.3%~1.2%;330~400 nm,U_rel=1.2%~1.9%,整体技术指标达到国际先进水平。研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白,使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对,与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。在250~400 nm重合波段,两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%,在声称的不确定度范围内一致。     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

溯源至低温辐射计的硅陷阱探测器紫外波段绝对光谱响应度测量

介绍了溯源至低温辐射计的紫外绝对光谱响应度测量装置,对硅陷阱探测器在三个激光波长点进行了绝对光谱响应度校准实验.测量了硅陷阱探测器的空间均匀性和非线性系数,分析了影响测量准确度的各不确定度分量.实验表明:硅陷阱探测器在紫外波段266、325、379 nm三个激光波长点处的绝对光谱响应度测量扩展不确定度分别为0.19％、0.14％、0.11％,可作为紫外波段光辐射功率基准保持和传递的标准探测器,用于提高紫外波段光谱辐射度的校准能力.     

圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。     

太阳辐射计直射通道实验室定标方法研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递标准,将可调谐激光导入积分球,通过功率稳定、退相干等措施,形成均匀、稳定、无偏的辐照度场。利用替代定标技术,对太阳辐射计CE318的870nm直射通道的三个偏振通道(P1、P2和P3)和无偏通道(UP)的绝对光谱辐照度响应度进行了光谱扫描定标,获得这四个通道的光谱辐照度响应度,并预测了大气层顶太阳辐照度的信号值。最后,对定标过程的不确定度进行评价,三个偏振通道和无偏通道的定标不确定度分别达到了1.83%、1.98%、1.73%和1.2%,与Langley定标法定标精度相当。     

可见-近红外(488～944 nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究

报道了可见-近红外波段(488～944nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0．016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见-近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0．028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。     

绝对辐射计溯源至低温辐射计实验测试

开展了绝对辐射计溯源至低温辐射计的计量技术研究。选用激光作为光源,采用光斑非全覆盖绝对辐射计接收面的辐射功率模式进行校准实验。利用溯源至低温辐射计的陷阱探测器作为标准器定标激光器功率,然后通过替代法将量值传递至绝对辐射计。通过绝对辐射计光阑面积校准,实现激光功率与绝对辐射计测量辐照度的转化。通过对陷阱探测器的校准、绝对辐射计锥腔不同位置空间响应均匀性、锥腔的波长选择性等特性的分析,对实验所用绝对辐射计校准不确定度进行了详细评估,得到的校准不确定度为0.86%(包含因子k=2)。     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

用合肥800 MeV同步辐射光源标定氘灯的光谱辐射亮度

利用合肥800 MeV电子存储环同步辐射(HESYR)作为紫外真空紫外光谱辐射测量的绝对标准,标定了传递标准氘灯光源的光谱辐亮度。采用德国国家物理技术研究院(PTB)的数据处理及不确定度分析方法,得到了两支氘灯在115~300nm波段的光谱辐亮度数据,其相对定标不确定度为12.1%。详细分析了相关参量对定标不确定度的贡献,指出辐射计量系统偏振特征量的不确定度贡献最大。在164~300 nm波段,德国德国国家物理技术研究院在BESSYⅡ同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值与本实验在中国合肥同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值之间一致性优于±20%,在给定的不确定度范围内两光谱辐射标准定标结果一致。     

硅陷阱探测器在350—1064 nm波段的绝对光谱响应度定标

介绍了利用钛宝石可调谐激光器、倍频器和单波长激光器作为光源,在24个波长分立点定标了三个硅陷阱探测器的绝对光谱响应度,解决了红外激光的精确定位与调整、窗口透过率模拟定标等关键技术.结果显示：在激光波长为412—800nm时,三个陷阱探测器定标的不确定度约低于0.05％;当激光波长大于800nm以及低于355nm时,获得的陷阱探测器的定标不确定度约低于0.065％.硅陷阱探测器可以作为空间各类遥感器在350—1064nm波段定标的传递标准探测器. 关键词： 陷阱探测器 低温辐射计 光谱响应度 辐射定标     

紫外ICCD相对光谱响应度测量技术研究

光谱响应度是探测器的重要技术参数之一,随着紫外探测技术的发展,精确测量紫外探测器的光谱响应度变得越来越重要。文章分析了紫外ICCD(UV-ICCD)相对光谱响应度的测量原理,采用了直接比较法测定待测探测器的相对光谱响应度,并基于具有优异紫外响应能力的科研级光谱仪建立了UV-ICCD光谱响应的测量装置。实验获取了UV-ICCD的相对光谱响应度曲线,从曲线中可以看出,UV-ICCD光谱响应范围为220～300 nm,峰值响应在270 nm附近,表明该器件具有日盲特性。不确定度分析结果显示,UV-ICCD相对光谱响应度测量的最大不确定度约为7.79％,满足测量要求。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。