基于探測器標準的高精度光譜輻射標準光源

李志剛

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

基于探測器標準的高精度光譜輻射標準光源

李志剛

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

本文在評述低溫絕對輻射計和SIRCUS發展的基礎上，討論了基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源的工作原理、發展與應用前景。在探測器型光譜輻射標準研究方面，工作在液氦溫度的低溫絕對輻射計不確定度達0.01%。美國國家標準與技術研究院（NIST）建立的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應度定標裝置（SIRCUS）采用一系列激光器，由低溫絕對輻射計傳遞的硅陷阱探測器定標，不確定度已達到0.1%，成功應用于空間遙感儀器高精度輻射定標。分析認為，發展中的基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源，定標精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標精度長期穩定。

光譜輻照度；光譜輻亮度；標準光源；光譜輻射定標

1 引 言

早在20世紀70年代美國宇航局（NASA）Goddard空間飛行中心研制了星載太陽后向散射紫外譜儀（SBUV）和臭氧總量繪圖譜儀（TOMS），取得地外太陽光譜、大氣臭氧垂直分布及大氣臭氧總量全球分布的重要信息，用于環境科學、大氣物理、太陽物理、氣象學、氣候學等項目研究［1］。近二、三十年，在全球變化研究的推動下，國際上高精度大氣定量光譜遙感技術發展迅速。美國宇航局（NASA）和歐空局（ESA）又先后研制了全球臭氧監測實驗儀（GOME）、大氣繪圖掃描成像吸收譜儀（SCIAMACHY）、臭氧監測儀（OMI）以及在軌二氧化碳觀測站（OCO）等，用于全球在軌大氣痕量氣體高精度定量監測［2-5］。我國也相繼研制了太陽紫外光譜監視器、臭氧垂直探測儀、臭氧總量探測儀并正在研制二氧化碳探測儀、紫外高光譜臭氧輪廓探測儀等大氣定量光譜遙感儀器［6-9］，已用于或將用于全球大氣臭氧和二氧化碳含量高精度定量監測。這些空間遙感儀器的共同特點是對光譜輻射定標精度要求很高。

在需求的推動下，國際上光譜輻射標準計量技術的得到迅速發展。在探測器型光譜輻射標準研究方面，工作在液氦溫度的低溫絕對輻射計，不確定度達0.01%。NIST研制的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應度定標裝置（SIRCUS）采用一系列激光器，覆蓋波長范圍從紫外到紅外，由低溫絕對輻射計傳遞的陷阱探測器定標，不確定度達到0.1%的水平，已成功應用于空間遙感儀器高精度輻射定標。發展中的基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源，有兩種工作模式，采用標準探測器定標，定標精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標精度長期穩定。

本文首先評述作為探測器標準的低溫輻射計的誕生、發展、標準傳遞與所涉及的關鍵技術。在此基礎上，討論高精度探測器標準在遙感儀器輻射定標中的相關應用問題。與標準光源不同，標準探測器一般不能直接用于遙感儀器光譜輻亮度響應度或光譜輻亮度響應度定標。為此各國競相研制以標準探測器定標的單色或準單色光源裝置，用于遙感儀器高精度輻射定標。在以激光作單色光源研究方面，以NIST的SIRCUS研究工作為代表，已實現定標不確定度為0.1%，并應用于遙感儀器高精度輻射定標。在數字微鏡（DMD）準單色光源研究方面，國際上，包括中國科學院長春光機所，發展了基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源，定標精度高，自行校正老化、衰減，保證定標精度長期穩定，研究工作亦頗具特色。

2 探測器型光譜輻射標準—低溫絕對輻射計

國際上，通常有兩類光譜輻射標準：一類是光源型，如黑體和同步輻射光源；另一類是探測器型，如低溫絕對輻射計。低溫絕對輻射計工作于液氦溫度，主要由接收腔、加熱器和溫度傳感器三部分組成。當入射輻射照射低溫輻射計接收腔時，接收腔上升到一定溫度，溫度傳感器記錄下這一變化。擋掉光輻射，加熱器通電，接收腔升溫，通過改變電加熱功率，直至接收腔再現其溫度變化，此時通過測量電加熱功率即給出光輻射功率。國際上，一直以電功率再現光功率原理工作的電替代絕對輻射計作為探測器型光譜輻射標準。這一技術的發展始于19世紀末［10］。工作在環境溫度的電替代輻射計不確定度為0.1%～0.3%，其不確定度的進一步降低受限于材料熱特性、入射輻射非完全吸收及替代的電加熱功率非完全等效于吸收的入射輻射功率等［11］。

20世紀70年代，低溫電替代輻射計量技術首先在NIST發展并用于溫度計量，隨后用于低溫真空黑體定標［12］。英國國家物理實驗室（NPL）研制了類似的裝置，用于Stefan-Boltzmann常數測量。期間，Quinn和Martin曾指出如果將常溫電替代輻射計致冷到液氦溫度，其靈敏度和準確度將會提高約100倍。基于這一思想，在NPL設計了一臺專用于光輻射測量的低溫輻射計，并由Oxford Instruments PLC公司制造成功［11］。

基于NPL-OXFORD設計，經改進后，美國NIST研制了高精度低溫輻射計（HACR）［12］。HACR在0.8 mW光功率下的相對標準不確定度達0.021%。德國PTB也使用了基于NPL-OXFORD設計的低溫輻射計［13］。

在HACR基礎上，NIST設計的低溫輻射計POWR（Primary OpticalWatt Radiometer）是美國國家光功率單位基準［14］，曾稱作HACR2，已取代HACR，如圖1所示。POWR的設計具有模塊化特點，由探測器模塊、遮光罩模塊及前置光學模塊組成。POWR在大多情況下工作在4.2 K，在極低光功率測量下，為減少熱噪聲，可工作在2 K溫度。低溫保持器裝約100 L液氦，通常可用14天。液氮池環繞液氦池周圍，用以絕熱。在液氦池下的冷板上有一組絲孔，如圖2所示，中央部位用于安裝探測器模塊和遮光罩模塊，周圍用于安裝測溫的電連接器、導線熱錨。探測器模塊的饋線是磷青銅的，從冷板開始、穿過冷屏直到真空饋線口。

圖1 NIST POWR結構Fig.1 Construction of NIST POWR

圖2 冷板及安裝在冷板上的主要實驗件示意圖Fig.2 Schematic diagram of cold plate and the critical experimental components mounted on the cold plate

探測器模塊如圖3所示。探測器模塊由冷塊、熱錨、熱沉和接收腔等組成。冷塊提供環繞接收腔的液氦溫度的冷背景，連接到冷板，通過熱錨，連接到液氦池。其接收腔是電成型的銅的柱形腔，直徑20 mm，長150 mm，腔的后端傾斜30°，腔內面涂以鏡反射黑漆，在633 nm處腔吸收率為0.999 995。一個加熱器無感應地包裹在腔體封閉端，兩個片狀加熱器貼在后傾斜面上。鍺電阻溫度計（GRT）位于圓柱筒上。通過Kapton熱錨將接收腔固定到熱沉上。熱沉和冷快都由OFHC銅制成，先鍍鎳，后鍍金。所有表面都拋光、高反，以減少輻射影響。在探測器模塊前放置一個遮光罩，連接到冷塊。遮光罩模塊的離軸拋物面鏡收集雜散輻射并反射到硅光電二極管探測器，進行測量。反射鏡中心有一孔，以便激光光束通過。前置光學模塊可以實現用陷阱探測器在線測量布儒斯特窗口透過率。POWR在633 nm處典型窗口透過率為0.999 921。

圖3 探測器和遮光罩模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the detector module and baffle section

NIST POWR低溫絕對輻射計探測器模塊設計目標為在毫瓦和微瓦水平的激光功率下測量不確定度為0.01%。后文提到的L-1標準與技術公司制造的L-1 ACR低溫輻射計較之POWR體積小、易于操作，用于標準傳遞。POWR與L-1 ACR間一致性在0.02%以內。

光譜能量響應度測量傳遞鏈路如圖4所示［15］。鏈路頂端是低溫輻射計POWR。L-1 ACR為低溫絕對輻射計，用作副基準，在SIRCUS上定標200～1 800 nm波段范圍的傳遞標準探測器。傳遞標準探測器轉而在可見/近紅外和紫外光譜比對器裝置（Vis/NIR SCF和UV SCF，圖5和圖6）上用來定標工作標準探測器。工作標準探測器通常在可見/近紅外和紫外光譜比對器裝置SCF上用來定標用戶的探測器。在350～950 nm波長范圍采用硅光電二級管陷阱探測器作傳遞標準探測器。如圖7所示，陷阱探測器由6個無窗硅光電二級管構成，有卓越的穩定性、區域響應度均勻性、線性、低噪聲且使用激光時無干涉問題。圖8給出使用替代法從低溫輻射計到傳遞標準探測器的標準傳遞示意圖。為獲得盡可能低的不確定度，低溫輻射計要求單色、準直、強度穩定的激光束。光學系統中，采用激光強度穩定器控制測量期間激光光束強度，穩定性優于0.01%。兩個可見硅陷阱探測器（325～950 nm），兩個溫控鍺光電二極管傳遞標準（850～1 650 nm）（Ge TS），兩個溫控InGaAs光電二極管傳遞標準（700～1 800 nm）（IGA TS），數個紫外傳遞標準和紫外陷阱探測器（210～400 nm）作為傳遞標準探測器在SIRCUS中由低溫輻射計定標。

圖4 光譜能量響應度定標鏈路Fig.4 Calibration chain for the spectral power responsivitymeasurements

圖5 可見-近紅外光譜比對器裝置（Vis/NIR SCF）Fig.5 Spectral comparator facility from visible to nearinfrared（Vis/NIR SCF）

圖6 紫外光譜比對器裝置（UV SCF）Fig.6 Ultraviolet spectral comparator facility（UV SCF）

圖7 陷阱探測器光電二極管布局Fig.7 Trap detector arrangement of photodiodes

圖8 在SIRCUS使用低溫輻射計定標傳遞標準探測器光路圖Fig.8 Optical configuration for the calibration of the transfer standards with cryogenic radiometer at the SIRCUS facility

4個可見區工作標準在可見/近紅外SCF裝置中由可見硅陷阱探測器傳遞標準和鍺傳遞標準分別在350～950 nm和955～1 100 nm定標。這兩種傳遞標準探測器在SIRCUS中由L-1 ACR低溫輻射計定標，以確定外量子效率并計算光譜能量響應度。定標鏈如圖9所示。

圖9 可見工作標準（VisWS）定標鏈Fig.9 Calibration chain for the visible working standards（VisWS）

紫外光譜區工作標準傳遞鏈路如圖10所示。兩個紫外光譜區工作標準從200～400 nm在紫外光譜比較器UV SCF、可見/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF、SIRCUS及NIST同步輻射紫外輻射裝置（SURF）上由硅光電二極管紫外傳遞標準和陷阱探測器傳遞標準定標。兩個紫外光譜區工作標準在405～500 nm由可見陷阱傳遞標準和在可見/近紅外光譜比較器SCF定標。硅光電二極管紫外傳遞標準和可見陷阱探測器傳遞標準組合使紫外光譜區工作標準在其整個紫外工作標準定標的光譜區內不確定度最小。

圖10 紫外工作標準（UVWS）定標鏈Fig.10 Calibration chain for the ultraviolet working standards（UVWS）

IGA工作標準響應度在可見/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF上由可見工作標準在700～950 nm波段和IGA傳遞標準在955～1 600 nm波段確定。IGA傳遞標準在SIRCUS裝置中由低溫輻射計在700～1 800 nm光譜區定標，以確定外量子效率。圖11給出IGA工作標準傳遞鏈路。

圖11 InGaAs工作標準（IGAWS）定標鏈Fig.11 Calibration chain for InGaAs working standards（IGAWS）

圖12 1999 InGaAs工作標準（IGAWS）定標鏈Fig.12 Calibration chain for InGaAs working standards（IGAWS）in 1999

由于在1 650～1 800 nm波段IGA光譜響應度低，在SIRCUS由低溫輻射計定標有困難，仍沿用1999年定標方案，即IGA 700～920 nm工作標準光譜能量響應度在可見/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF上由可見陷阱探測器傳遞標準標定。由低溫輻射計在SURF上的低溫輻射計-單色儀系統定標給出700～1 800 nm熱電探測器（Pyrometer）相對光譜響應度。然后由熱電探測器在可見/近紅外光譜比較器Vis/NIR SCF定標給出IGA工作標準相對光譜響應度，由可見陷阱探測器傳遞標準給出絕對值。1999年傳遞鏈路如圖12所示。3種類型的SCF工作標準相對綜合標準不確定度如圖13所示。

圖13 NIST光譜功率響應度工作標準相對綜合標準不確定度Fig.13 Relative combined standard uncertainties for NIST spectral power responsivity working standards

3 基于探測器標準的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應度定標裝置（SIRCUS）

與標準光源不同，標準探測器一般不能直接用于遙感儀器光譜輻亮度響應度或光譜輻亮度響應度定標。為此，英國國家物理實驗室（NPL）、美國國家標準與技術研究院（NIST）、德國物理技術研究院（PTB）及芬蘭赫爾辛基技術大學（HUT）等相繼發展了可調諧單色激光照射積分球的窄帶光源，其光譜輻亮度由低溫輻射計定標［15-19］。以NIST研制的均勻光源光譜輻照度和光譜輻亮度響應度定標裝置（SIRCUS）為例，這種裝置可以直接為遙感儀器進行光譜輻照度和輻亮度響應度定標。在SIRCUS中，高功率、可調諧激光引入到積分球，產生均勻、準朗伯、高亮度單色光源。SIRCUS如圖14所示，高功率、可調諧激光器首先經過強度穩定器后相對光功率控制在設定值的0.01%內。激光光束一部分被反射到波長計用來測量入射激光波長，測量精度在0.001 nm內。光束另一部分通過分束器反射到Fabry-Perot干涉儀，用來測量激光光譜帶寬與模式穩定度。最后，通過光纖將激光導入積分球。期間采用擺鏡掃描光束或將部分光纖放入超聲池中以消除源于激光相干性的散班。由NIST光譜功率響應度基準定標的參考標準輻照度探測器，配備由NIST光闌面積裝置測得的精密光闌，得以精確確定參考面輻照度。光源輻亮度亦可通過幾何關系相應得出。光譜輻照度和光譜輻亮度響應度定標綜合標準不確定度小于0.1%。根據輻射定標應用需求，可選擇不同尺寸的積分球。一個光電二極管監測器位于積分球上，用來修正測量中積分球輸出輻通量的變化。光源位于一個暗箱內。為降低雜散光對測量的影響，光源與探測器之間通常安裝兩片擋光板。

SIRCUS按工作波段分為紫外-可見-近紅外SIRCUS與紅外SIRCUS，前者波段范圍200 nm～1.6μm，后者780 nm～5μm。二者主要區別在于使用了不同的激光器和不同的參考傳遞標準。用多個不同激光覆蓋210 nm～5μm光譜范圍。

圖14 NIST SIRCUS示意圖Fig.14 Schematic diagram of SIRUCS at NIST

SIRCUS已成功用于多種遙感儀器輻射定標，如海洋光學浮標（MOBY）、SCRIPPS-NIST先進輻射計（NISTAR）、太陽光度計及搭載NASA太陽輻射與氣候實驗（SORCE）衛星的光譜輻照度監測儀（SIM）等［20-21］。

4 基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源

寬帶標準光源具有結構緊湊、便于移動、定標時間短、使用方便等優點，但是精度相對較低，老化衰減較快，如光譜輻照度標準1 000 W石英鹵鎢燈光源。

窄帶標準光源定標精度相對較高（不確定度可達0.1%），但是有系統復雜、不易移動、定標時間較長等缺點，如SIRCUS均勻光源。

較理想的光譜輻射標準光源應該具有兩種工作模式，在窄帶模式下以探測器標準定標，在寬帶模式下工作，為儀器或遙感儀器定標。美國國家標準與技術研究院Brown等人在概念研究基礎上，構建了基于探測器標準的絕對光譜可調諧標準光源實驗裝置［22］，如圖15所示，主要由光譜可調諧光源（One Light Spectral Engine）、積分球和Gershun管輻射計組成。其中光譜可調諧光源由氙燈光源和采用DMD的光譜可調諧譜儀構成，光譜范圍430～630 nm。Gershun管輻射計光譜輻亮度響應度在NISTSIRCUS中定標。絕對光譜可調諧標準光源有兩種工作模式，在窄帶模式下，計算機控制DMD在特定工作波段順序發送具有特定光譜帶寬的準單色光，用Gershun管輻射計測量定標。在寬帶模式下，各準單色光合成具有已知光譜輻亮度的“白光”，供遙感儀器定標使用。

圖15 基于探測器標準的絕對光譜可調諧標準光源實驗裝置Fig.15 Set-up of absolute spectrum tunable standard light source based on detector standard

圖16 CIOMP自校準標準光源Fig.16 Self-calibrated standard light source by CIOMP

2013年，中國科學院長春光機所（CIOMP）開展了具有兩種工作模式的自校準光譜輻亮度標準光源研制。研制了由氙燈［23］和超連續光纖激光器作光源、單凹面光柵和雙平面光柵加DMD作光譜調諧器、基于探測器標準的自校準標準光源。這里給出以超連續光纖激光作光源、單凹面光柵加DMD作光譜調諧器的自校準標準光源實例。該自校準標準光源由NKT Photonics公司Super K EXTREME EXB-6型超連續光纖激光光源、濾光片、前置光學系統、入射狹縫、凹面光柵、DMD、后置聚光系統和積分球組成，如圖16所示。超連續光纖激光光源光譜范圍為405～2 350 nm，激光經濾光片，經兩片凹面鏡擴束，由平面鏡反射后，經凹柱面反射鏡聚焦至入射狹縫。入射光經平面反射鏡至凹面全息反射光柵，經色散后在DMD表面形成光譜。凹面全息反射光柵表面鍍鋁，刻線密度為430 g/mm，工作光譜區間為300～850 nm。后置聚光系統將經計算機編程控制的DMD微鏡陣列反射選取后的光匯集至內徑約為135 mm、內涂層為PTFE的積分球內。積分球入口直徑12.7 mm，出口直徑25.4 mm。

以Instrument Systems公司CAS140CT-152型陣列光譜儀和以NIST定標的硅光電二極管為探測器的Gershun管輻射計分別測量積分球輸出光輻射。CAS140CT-152采用優化的交叉式Czerny-Turner光學結構，其特點是高效抑制雜散光和寬動態范圍，集成了濾光片輪，將強度測量范圍擴大9個數量級。以致冷背照式1 024×768像素CCD為探測器，工作光譜范圍為200～800 nm，光譜分辨率為2.7 nm，數據點間隔為0.6 nm。

將DMD微鏡陣列分成16組，在自校準光譜輻亮度標準光源積分球出口處測量光輻射。圖17和圖18分別給出了采用CAS光譜儀和Gershun管輻射計的實驗測量結果。

圖17 采用CAS光譜儀輻射計測得的窄帶和寬帶模式下的光譜分布Fig.17 Measured spectral distribution in narrow-band and broad-bandmodes using CASspectrometer radiometer

自校準標準光源，其光譜分布可根據需要而改變。可自行校正光源光強老化衰減，光源光譜輻亮度較大，可以根據需要自行改變光強，能滿足在實際大氣光譜輻亮度水平下定標的要求。在窄帶模式下采用Gershun管輻射計定標，而Gershun管輻射計響應度通過作為探測器基準的低溫輻射計直接追溯到國際制單位（SI），光譜輻亮度定標精度高。光源主體不需要送回輻射計量單位進行重復定標，輻亮度標準的維護可通過對其標準探測器光譜響應度的周期性定標得以簡化。這一研究為提高光譜輻亮度標準光源精度、滿足空間遙感儀器的高精度定標需求，提供了一條行之有效的途徑。

圖18 窄帶模式下Gershun管輻射計的測量結果Fig.18 Measurements of Gershun tube radiometer in narrow-band mode

5 結束語

低溫絕對輻射計工作在液氦溫度，不確定度比常溫絕對輻射計降低約一個量級，經數十年發展，NIST低溫絕對輻射計POWR不確定度達0.01%。NIST SIRCUS采用一系列激光器，如染料激光器和鈦寶石激光器，由低溫絕對輻射計傳遞的陷阱探測器定標，不確定度可達到0.1%，已用于NASA高精度大氣定量遙感儀器輻射定標。發展中的基于探測器標準的光譜可調諧自校準標準光源，有兩種工作模式，采用標準探測器定標，定標精度高，自行校正老化、衰減，保證了定標精度長期穩定，能滿足在實際大氣光譜輻亮度水平下定標的需求。

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High accuracy spectroradiometric standard light source based on detector standard

LIZhi-gang
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）*Corresponding author，E-mail：lizhg＠ciomp.ac.cn

In this paper，based on reviewing the developments of absolute cryogenic radiometers and SIRCUS，the operating principle，developments，and application prospects of detector standard based，spectrally tunable，self-calibrated standard light sources are discussed.In detector-based spectroradiometric standards，absolute cryogenic radiometer operated at liquid helium temperature can achieve an uncertainty of0.01%.The facility for spectral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources（SIRCUS）established at National Institute of Standards and Technology（NIST）in the United States，which uses a series of lasers and conducts calibrationswith silicon trap detectors calibrated against cryogenic radiometer，has achieved an uncertainty level of0.1%and has been successfully applied to radiometric calibrations for space remote sensing instruments.Analysis indicates that developing detector standard based，spectrally tunable，self-calibrated standard light source with high calibration accuracy，can self-correct aging and attenuation and ensure the long-term stability of calibration accuracy.

spectral radiance；spectral irradiance；standard light source；spectroradiometric calibration

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61378063）

TH744.1 文獻標識碼：A doi：10.3788/CO.20150806.0909

2095-1531（2015）06-0909-10

2015-09-25；

2015-11-04

國家自然科學基金資助項目（No.61378063）

李志剛（1972—），男，吉林長春人，博士，研究員，2000年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事空間光學遙感技術及輻射定標方面的研究。E-mail：lizhg＠ciomp.ac.cn