大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

空间遥感光谱辐射计紫外／真空紫外光谱辐照度定标技术

实验证明了发散光照明模式和平行光照明模式标定的光谱辐照度响应度在定标误差范围内一致．在此基础上构建了由150W大功率氘灯、500W氙灯和球面反射镜组成的平行光光谱辐照度定标单元，该单元解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难，而且其输出光谱辐照度在一定距离范围内变化很小从而减小了装调误差，提高了定标准确度．分两个波段标定了一台紫外光谱辐射计160nm～400nm波段光谱辐照度响应度，其中160nm～250nm定标误差4．6％，250nm～400nm定标误差2．4％．     

真空紫外波段铝反射膜制备

为制备出在130～210nm波段具有良好光谱性能的铝反射膜,优化设计了铝反射镜中铝层和保护层氟化镁的厚度,理论确定铝层和氟化镁保护层最佳厚度分别为80nm和33nm。采用热舟蒸发工艺,在BK7基片上制备了Al反射膜样品,获得了130～210nm波长范围内反射率均大于80%的金属铝膜。研究了铝层沉积速率和紫外辐照处理对薄膜性能的影响,并考察了铝膜光谱性能的时效性。结果表明铝层沉积速率越快,制备的铝膜反射率越高;合理地存放铝膜元件,可以长时间内保持铝膜的光谱性能。适当的紫外辐照处理能进一步提高铝膜在真空紫外波段的反射率。     

用于真空紫外探测器标定的光学斩波器研究北大核心CSCD

为了满足基于低温辐射计的115 nm~400 nm波段探测器绝对光谱响应度高精度标定的需求,研制了一种由斩波片、转轴、伺服电机、U型光电开关、降温组件、支架和控制电路等组成的适用于真空环境的光学斩波器,使其在真空低温环境下将微弱的真空紫外-紫外辐射信号调制为频率已知的交变辐射信号,并由锁相放大器进行测量。实验结果表明,该光学斩波器的频率在80 Hz时的稳定性为±0.05 Hz,满足115 nm~400 nm波段探测器绝对光谱响应度标定对斩波器在10^(-4) Pa的真空环境下的使用要求。     

大气遥感远紫外光谱仪绝对光谱辐照度响应度定标方法研究

主要针对可应用于空间高层大气遥感的远紫外光谱仪的光谱辐照度响应度定标方法进行研究。针对远紫外波段光谱测试标准装置少,实验系统所需真空度高,实验稳定性难以维持,传统漫反射板和积分球辐亮度定标方法在远紫外波段局限性大、难以利用等特点,研究了适用于远紫外光谱仪器的光谱辐照度绝对辐射定标方法,搭建了相应的真空实验系统,以一台远紫外光谱仪原理样机为对象对研究方法进行了实验验证。实验系统以标准氘灯、真空紫外单色仪和准直系统组成照射系统,将出射准直光辐照度用标准探测器进行标定,三者共同组成了标准光谱辐照度光源;利用该光源照射原理样机并读出相应信号,最终获得光谱辐照度响应度,从而实现了利用标准探测器进行照度传递的远紫外光谱仪器绝对光谱辐射定标,有效的进行了仪器定标。该方法定标不确定度约为7.7%,对远紫外波段空间高层大气遥感光谱仪的地面辐射定标研究具有重要意义。     

真空紫外铝+氟化镁膜偏振特性的研究

研究了铝＋氟化镁膜在真空紫外波段的偏振特性。理论上数值模拟计算了铝＋氟化镁膜在真空紫外波段的反射率及其与入射平面平行和垂直两方面的分量，分析了铝＋氟化镁膜反射率的两分量随入射条件和氟化镁膜厚度的变化规律，在此基础上研究了铝＋氟化镁膜的偏振特性，并与单层铝膜的相应特性作了比较，以氟化锂堆作偏振器，在Seya-Namioka真空紫外反射率计上实验研究了铝＋氟化镁膜的偏振特性。研究结果表明，铝＋氟化镁膜的偏振特性由于受到氟化镁厚度的调制，存在反射率的垂直分量小于平行分量的情形，从而使铝＋氟化镁膜的消光比在非正入射的条件下接近1。理论计算结果与实验结果一致。     

空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度定标方法研究

为了避开球面反射镜光谱反射率的测试难点,提出了间接平行光和直接发散光两种不同的定标方法标定仪器辐照度响应度。对两种方法的定标过程与其标定的响应度结果进行了比较与分析,相对偏差为1.0%。不确定度分析表明,利用250～400nm间接平行光法的辐照度绝对定标不确度为±2.8%,相对不确定度为±2.0%;直接发散光法对应的不确定度分别为±2.4%和±1.4%,相对偏差均小于各自的相对定标不确度。结果表明,与间接平行光法相比,采用直接发散光法标定空间紫外遥感仪器(SURSI)辐照度响应度可以更有效地减少辐射定标不确定度。     

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。     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN40模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

退火对电子束热蒸发Al2O3薄膜性能影响的实验研究

 用电子束热蒸发方法镀制了Al₂O₃材料的单层膜，对它们在空气中进行了250~400 ℃的高温退火。对样品的透射率光谱曲线进行了测量，计算了样品的消光系数、折射率和截止波长。通过X射线衍射仪（XRD）测量分析了薄膜的微观结构,采用表面轮廓仪测量了样品的表面均方根粗糙度。结果发现随着退火温度的提高光学损耗下降，薄膜结构在退火温度为400 ℃时仍然为无定形态，样品的表面粗糙度随退火温度的升高而增加。引起光学损耗下降起主导作用的是吸收而不是散射，吸收损耗的下降主要是由于退火使材料吸收空气中的氧而进一步氧化，从而使薄膜材料的非化学计量比趋于正常。     

低温辐射计紫外探测器光谱响应度测试技术研究北大核心CSCD

通过研制真空多光路切换组件,结合Y型真空比较通道、探测器真空舱,在保证超高真空环境的前提下,实现激光、紫外连续可调单色光以及真空紫外单色光3个光路的快速切换,从而以低温辐射计为基准,以紫外增强硅陷阱探测器为传递标准,实现波长115 nm~400 nm紫外探测器绝对光谱响应度的测量,实验验证绝对光谱响应度测量不确定度在115 nm~230 nm可达到0.8%~1.5%(k=2),在230 nm~400 nm可达到0.5%~1.0%(k=2)。     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

GaAs多结电池宽光谱ZnS/Al2O3/MgF2减反射膜的设计与分析

 为了提高砷化镓(GaAs)多结太阳电池的光电转换效率,设计了宽光谱(300 nm～1 800 nm)ZnS/Al2O3/MgF2三层减反射膜,分析了各层的厚度及折射率对三层膜系有效反射率的影响。结果表明： 对于整个波长,ZnS厚度对有效反射率的影响要大于Al2O3和MgF2,MgF2厚度对有效反射率的影响最小;适当减小MgF2的折射率或增加ZnS的折射率可得到更低的有效反射率。同时,当 ZnS,Al2O3和MgF2的最优物理厚度分别为52.77 nm,82.61 nm,125.17 nm时,此时最小有效反射率为2.31％。     

Proton radiation effects on optical constants of Al film reflector

The Al film reflectors can yield a high-reflectance over a broad wavelength region, and have been widely used in the spacecraft optical instruments for high quality optical applications. Under the irradiation of charged particles in the Earth radiation belt, the reflectors could be deteriorated. In order to reveal the deterioration mechanism, the change in optical constants of Al film reflector induced by proton radiation with 60\,keV was studied in an environment of vacuum with heat sink. Experimental results showed that when the radiation damage primarily occurs in the Al reflecting film, the extinction coefficient k will gradually decrease with increasing radiation fluence, which results in the decrease of the energies of reflective light. Therefore, the proton radiation induced an obvious degradation of spectral reflectance in the wavelength region from 200 to 800\,nm on the Al film reflector.