微型化絕對輻射計研制

摘 要:為了給航天儀器提供一個長期實時的絕對標(biāo)準(zhǔn)，解決航天儀器測量絕對精度低并且長期穩(wěn)定性下降的問題，本論文介紹一種采用微機械技術(shù)把絕對輻射計微型化的新型絕對輻射計，可把它作為定標(biāo)基準(zhǔn)源引入光譜儀定標(biāo)系統(tǒng)。其工作原理是利用光電等效性，用電功率標(biāo)定光功率，采用雙測輻射熱計精確對稱補償技術(shù)，以降低熱沉溫漂影響，測輻射熱計采用金剛石片做襯底，上面采用MEMS技術(shù)集成了加熱絲、熱敏電阻與吸收。對研制出的原理樣機進行了性能測試，結(jié)果相對于太陽輻照絕對輻射計(Solar Irradiance Absolute Radiometer， SIAR)靈敏度提高3個量級，時間常數(shù)縮短8倍，重復(fù)性達0.15%。微型化絕對輻射計可作為航天和地面光譜儀的實時絕對定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，使儀器的絕對定標(biāo)精度提高1個量級。

關(guān)鍵詞:絕對定標(biāo)定標(biāo)基準(zhǔn)微型化絕對輻射計ESR

中圖分類號:O571文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0002-02

1 引言

目前國際上航天儀器中絕對輻射計的絕對定標(biāo)精度可達0.5%，而一般的光譜儀等相對型儀器絕對定標(biāo)精度只能達到5%，相差一個量級。其原因是由于定標(biāo)原理、方法不同而引起的:絕對輻射計的定標(biāo)原理是采用光電等效性，用可精確定標(biāo)的電功率實時定標(biāo)未知的入射光輻射功率;而一般的光譜儀都采用積分球或標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)，在地面標(biāo)定好發(fā)射后認為積分球或標(biāo)準(zhǔn)燈是不變的，定期對儀器進行標(biāo)定。如20年內(nèi)參加了5項任務(wù)(SPACELAB 1，ATLAS 1， 2和3和EURECA)、并計劃ISS上進行測量的SOLSPEC太陽光譜儀，儀器內(nèi)部校正燈用了氘燈、鎢絲燈和氦空心陰極燈三種標(biāo)準(zhǔn)光源分別校正紫外、可見和IR，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，且長期在軌工作很難保證高穩(wěn)定度。

長春光機所研制SIARs[1-3]絕對輻射計已有二十年的歷史，達到世界同類儀器先進水平，兩次參加IPC國際日射計比對，并在神舟三號飛船上進行了五個月的飛行實驗，目前做為風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的有效載荷已在軌工作一年多，獲得數(shù)據(jù)與國際上同期衛(wèi)星測得數(shù)據(jù)符合良好。SIAR-2a、SIAR-2b放在瑞士世界(輻射)標(biāo)準(zhǔn)組WSG上，與WSG儀器同步測試6年，長期穩(wěn)定性良好。本論文介紹的新型光電探測器ESR就是采用微機械等技術(shù)把絕對輻射計微型化后可引入光譜儀定標(biāo)系統(tǒng)，給儀器提供長期實時的絕對標(biāo)準(zhǔn)，使儀器的絕對定標(biāo)精度提高一個量級。

經(jīng)光譜儀分光后入射到ESR的能量被減弱了很多，所以可計算出微型化新型光電探測器ESR的測量最大輻射功率為100μ W，用16bit AD器件采樣，動態(tài)范圍104，最小可探測功率為10-8W。ESR以波長掃描的方式進行光譜的絕對測量，要完成快速掃描，就需要ESR的測量時間短、精度高，測量周期要求10s以內(nèi)，因此ESR的時間常數(shù)要≤0.5s。以前研制的SIARs絕對輻射計測量最大輻射功率設(shè)計為100mW，動態(tài)范圍104，16bitAD采樣，最小可探測功率為10-5W，時間常數(shù)為15s。因此，因此，理想ESR應(yīng)該比SIARs響應(yīng)度提高103，時間常數(shù)下降30倍。

2結(jié)構(gòu)

圖1是微型化絕對輻射計ESR的外觀照片，ESR由一個低導(dǎo)熱率絕緣懸掛系統(tǒng)支撐，維持較低的熱傳導(dǎo)，如圖1所示。

ESR由兩個測輻射熱計組成，一個作為工作測輻射熱計(Active Bolometer)接受光譜輻射照射，另一個參考測輻射熱計(Reference Bolometer)用作橋接電路的熱電參考元件，它們工作在相同的熱環(huán)境中，降低溫度漂移對測量帶來的影響。測輻射熱計在球形反射鏡的中心，它同光具座熱絕緣，在反射鏡半球上開光譜狹縫(7mm×0.3mm)，通過讓少量的光線被多次吸收來增加有效黑度。

ESR的關(guān)鍵技術(shù)難點是需要在保證精度的前提下大幅縮短時間常數(shù)，這必須選用導(dǎo)熱極好且絕緣性能好的熱阻材料，測輻射熱計采用具有較高熱傳導(dǎo)性能的金剛石片，金剛石條的前表面鍍有NiP黑;兩組50kΩ的熱敏電阻粘貼在該表面上，進行溫度測量;一個100kΩ的電加熱片固定在金剛石條的背面，提供電加熱替代功率。

響應(yīng)度和時間常數(shù)這兩個指標(biāo)是相互制約的，熱導(dǎo)率增大，時間常數(shù)減小，但響應(yīng)度下降，反之亦然。因此必須在二者之間權(quán)衡。

3電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

圖2是ESR工作的電學(xué)原理框圖。整個系統(tǒng)從功能上可以分為信號產(chǎn)生，前置放大，二級放大，濾波，AD采樣，電加熱電路及DSP單元七部分。實際設(shè)計中，將硬件電路分三個模塊實現(xiàn)，分別是前置放大模塊，模擬信號處理模塊和數(shù)字處理模塊。

工作測輻射熱計和參考測輻射熱計的熱敏電阻和兩個平衡電阻構(gòu)成了四臂電橋，當(dāng)工作測輻射熱計接受光譜輻射時，測輻射熱計產(chǎn)生溫差，即橋式電路有一溫差信號輸出到前置儀表放大器。

DSP作為系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)主要控制過程包括:產(chǎn)生載波的AD9833的初始化和配置，進行數(shù)據(jù)采樣的AD的初始化和配置，外部IO口的設(shè)置，定時器設(shè)置，外設(shè)中斷的響應(yīng)順序控制，電機的控制，串口數(shù)據(jù)的處理及傳輸，加熱PWM波的設(shè)置及控制，預(yù)熱控制流程，測光控制流程等。DSP以PID算法形成閉環(huán)處理，通過計算采樣AD669的輸出電壓來計算照射在測輻射熱計上的輻射功率。

4 結(jié)果

光譜絕對測量儀器有以下幾個關(guān)鍵指標(biāo):靈敏度S，時間常數(shù)τ，最小可探測功率Pm。

靈敏度測量:探測器的靈敏度S為探測器接受的輻射功率mW和溫度傳感器(熱敏電阻電橋)輸出信號的比值。得到

S=1.3133e-009W

時間常數(shù)測量:實際計算中，采用多次計算時間常數(shù)并取平均的方法，得到

τ=1.836s

最小可探測功率:

噪聲信號Nb為電橋輸出信號的均方根值。熱敏電阻電橋輸出信號選取高加熱功率時電橋輸出TH，取熱敏電阻電橋最后n=20個輸出數(shù)據(jù)

最小可探測功率

Pm=S*Nb=8.552e-009w

儀器的良好重復(fù)性是定標(biāo)精度的保障。在光源、環(huán)境等均穩(wěn)定的試驗條件下，測量絕對輻射計的輻射功率，光輻射功率平均值為1.7129×10-4w時，誤差(1σ)為2.6017×10-7w，相對誤差0.152%。

5 結(jié)語

本文的特色在于撇棄傳統(tǒng)的與絕對輻射計設(shè)計思路，而創(chuàng)新性地將熱傳導(dǎo)快、絕緣性能極好的金剛石片引入到絕對定標(biāo)基準(zhǔn)中，采用MEMS方法將電加熱康銅或錳銅電阻絲牢固地集成在金剛石片上，這就使熱傳遞能更迅速，使得微型化后的絕對輻射計的靈敏度和響應(yīng)度得到提高，經(jīng)試驗測試，相對于傳統(tǒng)的SIAR和DCICAR絕對輻射計，靈敏度提高3個量級，時間常數(shù)縮短8倍，重復(fù)性良好，基本滿足作為光譜儀定標(biāo)基準(zhǔn)源的要求，但時間常數(shù)距理想情況還有一定差距，還需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，不斷改進工藝，真正成為航天光譜儀的實時絕對定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，使在軌儀器的絕對定標(biāo)精度提高一個量級。這也是未來航天儀器在軌定標(biāo)的發(fā)展方向。

通過測試發(fā)現(xiàn)，環(huán)境的溫度變化，對系統(tǒng)測量精度產(chǎn)生很大影響，要進一步提高測量系統(tǒng)的精度，還要設(shè)計一套精密系統(tǒng)，進一步降低環(huán)境對絕對輻射計測量系統(tǒng)的影響。

在科學(xué)發(fā)展中，天上技術(shù)和地面技術(shù)是相互促進的，這種微型化絕對定標(biāo)基準(zhǔn)的更廣闊的應(yīng)用空間應(yīng)該是在地面。現(xiàn)在只是原理樣機，如果通過更深入的研究后轉(zhuǎn)化成地面定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)探測器，一定會為地面輻射定標(biāo)帶來很多方便。

參考文獻

[1]方偉，金錫峰.一種雙錐腔補償型絕對輻射計的研制.太陽能學(xué)報，1992.

[2]方偉，禹秉熙，姚海順.太陽輻照絕對輻射計(SIAR-1)與國際比對.光學(xué)學(xué)報， 2003.

[3]氣象衛(wèi)星有效載荷技術(shù).北京:宇航出版社，2005.