空間低溫絕對輻射計研究

吳 鐸，王 凱，葉 新*，王玉鵬，方 偉

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049)

1 引言

空間遙感在國民經濟建設和國家安全等多個領域有重要的應用背景。空間遙感能夠對地球的陸地、海洋、大氣等進行連續的覆蓋全球的觀測，其獲取的遙感信息在資源勘探、國土治理、城市管理、環境監測與污染防治、氣象預報等領域有重要的應用價值。由于各遙感器功能和壽命的原因，很多情況下需要綜合利用多個衛星平臺的遙感器獲得的數據進行長期變化趨勢的研究[1-2]，例如，在全球氣候變化和溫室氣體監測領域，一方面要求輻射定標標準有較低的不確定度，太陽總輻照度測量的不確定度0.01%，光譜輻照度測量不確定度0.1%，遙感目標的反射太陽光譜輻亮度測量不確定度0.3%[3]；另一方面要求不同衛星平臺的遙感器的測量數據可溯源至國際單位制(SI)，以便于不同遙感器測量數據的相互比對，這就對遙感器的在軌輻射定標提出了很高的要求[4-5]。輻射定標在賦予遙感數據物理意義的同時，也要為不同遙感器提供共同的輻射標度。但是目前的遙感器在軌輻射定標方法中星上定標器由于受到發射過程和空間環境的影響，其輻射標度不再與國際單位制有直接測量鏈的聯系。而場地替代定標使用的地面輻射校正場和月球表面反射輻亮度需要高精度的表征測量，目前的測量精度還沒有達到要求[2,6]。

國家計量標準實驗室的地面輻射計量標準經歷了從上世紀六十年代的黑體輻射標準源、七十年代的常溫電替代絕對輻射計到八十年代的低溫輻射計三個階段，精度從1%提高到0.02%[7]。低溫輻射計主要有機械制冷型和液氦制冷型兩種。其中的機械制冷低溫輻射計只在英國國家物理實驗室(NPL)運行，其他國家的低溫輻射計國家標準均為液氦制冷低溫輻射計。商業化的低溫輻射計產品出現后使得低溫輻射計這一輻射度國家標準得到更廣泛的普及。目前主要提供低溫輻射計的公司有英國的牛津儀器和美國的L-1公司。低溫輻射計國家標準的普及推動了空間光學遙感儀器發射前的實驗室定標精度和向國際單位制基本單位的溯源精度的提高。但是，遙感儀器在軌運行中由于受到發射過程和空間環境與條件的影響，在軌輻射定標精度遠遠沒有滿足需求。借鑒實驗室輻射基準建立和傳遞的技術路線，NPL的Fox教授領導的研究組提出了TRUTH計劃[8]，在機械制冷低溫輻射計的基礎上研制空間的低溫絕對輻射計基準和定標系統，旨在提高遙感儀器在軌輻射定標精度和溯源性。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所是國內唯一開展星載太陽輻照度絕對輻射計研制的單位，研制的太陽輻射監測儀搭載在風云三號系列衛星上進行了多年的太陽總輻射測量[9-10]。目前借助國家自然科學基金科學儀器基礎研究專款的支持正在進行空間低溫絕對輻射計的研發工作，提出了研究方案，研制了儀器的原理樣機并且開展了一系列的測試工作，為未來適合空間使用的輻射基準的研制打下了技術基礎。空間低溫絕對輻射計采用電功率替代光功率的方式進行輻射測量，是目前精度最高的輻射測量儀器，不需要與其他儀器進行比對，只需要對自身儀器的參數進行修正。

本文在系統介紹兩種典型的低溫輻射計基準和TRUTH計劃中的低溫太陽絕對輻射計的基礎上，詳細介紹了長春光機所研制的空間輻射基準的系統組成、工作原理、儀器設計和技術指標等。

2 三種典型的低溫輻射計基準

2.1 英國國家物理實驗室(NPL)的機械制冷低溫輻射計(MCR)

二十世紀七十年代末，NPL[11]的Quinn和Martin為了測量玻爾茲曼常數設計了Q-M計，之后Martin和Key將低溫黑體和低溫輻射計分離，發展了作為光功率基準的P-S計，并且對腔體進行了改進設計，窗口位置采用布儒斯特窗。該技術轉讓給牛津儀器公司后，逐漸形成了牛津儀器公司的Radiox系列的低溫輻射計。這類低溫輻射計采用液氦制冷，由于受到液氦杜瓦體積的限制，冷卻系統運行時間有限制。

NPL和牛津儀器公司在機械制冷機發展的基礎上，設計建造了機械制冷低溫輻射計(MCR)[12]。如圖1所示，MCR的低溫由一個商用兩級冷頭和壓縮機組成的制冷機提供，其中的一級冷頭30 K，二級冷頭13 K。MCR的核心探測單元經過一個不銹鋼熱阻連接在二級冷頭上。核心探測單元的外圍防輻射保溫屏分別被一級冷頭和二級冷頭冷卻至30 K和13 K。

MCR的核心探測單元包括參考熱沉、吸收腔以及吸收腔熱連接。參考熱沉由銅制成，其溫度經過高精度的PID控制在15 K，溫度穩定性為1×10-6。PID控制的溫度監視是由薄膜RhFe電阻溫度傳感器和高精度電橋組成，其反饋加熱部分由薄膜加熱片和高分辨率電流源組成。PID溫控的測量周期被反復優化以達到去除制冷機帶來的溫度起伏的目的。吸收腔由高導無氧銅電鍍制成，厚度0.1 mm，腔體側壁是被切頂的圓錐體，平均直徑10.5 mm，長度40 mm。腔體內側壁涂覆漫反射鉑黑，底面涂覆鎳磷黑。整個腔體重6 g，吸收率經測算為0.999 98。吸收腔溫度測量由貼在腔體后面的薄膜 RhFe電阻溫度傳感器完成，腔體的加熱片貼在腔體的斜切底面，加熱片阻值1 kΩ。吸收腔熱連接決定了吸收腔的響應度和時間常數。熱連接由三層不銹鋼薄壁管組成，MCR的吸收腔熱連接能夠獲得0.6 K/mW的吸收腔響應度，腔體時間常數30 s。

另外，MCR還包括各種真空閥門和布儒斯特窗口，為探測器提供真空環境和接近1的偏振激光透過率。

圖1 NPL的MCR結構示意圖[10]Fig.1 Schematic drawning of MCR[10]

2.2 美國標準技術研究院(NIST)的高精度低溫輻射計HACR

為了提高輻射基準的精度水平和光譜范圍，美國標準技術研究院(NIST)研制了高精度低溫輻射計(HACR)[7]。其結構如圖2所示。HACR由液氦制冷，工作溫度4.2 K。工作壓強10-5Pa，通過分子泵獲得。為了將輻射計內部的輻射換熱過程降到最低，HACR的核心探測單元被4層防輻射屏包圍，其中最內兩層連接在4.2 K的液氦杜瓦上，最外層連接在77 K的液氮杜瓦上，之間還有一層溫度介于液氦和液氮之間。

HACR的吸收腔經過一個薄壁不銹鋼管連接在參考塊上，不銹鋼管作為吸收腔和參考塊之間的熱阻能夠實現1 K/mW的腔體響應度。參考塊與液氦杜瓦相連，其溫度經由高精度溫控系統控制在5 K。參考塊的高精度溫控系統包括鍺電阻溫度傳感器、繞線式電加熱器和一個商用的溫度測量與控制單元組成，能夠實現150～350 μK的參考塊溫度穩定度控制。

HACR的吸收腔是長15 cm、直徑5 cm的電鍍銅圓柱腔，腔底面是與圓柱中軸線呈30°角的斜切面。吸收腔的圓柱側面內壁涂覆鏡面反射吸收黑，底面內壁涂覆漫反射吸收黑，黑漆為Chemglaze Z302。該吸收腔能夠實現632.8 nm激光的99.998%吸收率。

圖2 美國NIST的高精度低溫輻射計HACR[7]Fig.2 Overview of HACR of NIST[7]

HACR為立式結構，液氦制冷器在其上方，入光窗口在下方。窗口是直徑50 mm、厚度6 mm的熔石英布儒斯特窗，方向可調。激光經過布儒斯特窗進入HACR后，沿著光束定線探測器確定的光路射入黑體腔。光束定線探測器是分別放置在兩層防輻射屏上的中間帶孔的四象限探測器，這兩個孔確定的直線與吸收腔中軸線一致。兩孔之間是消雜光光闌。

NIST為HACR的高精度測量進行了系統的實驗測試，確定了HACR的測量模式，并對其測量精度進行了評估，在對0.8 mW光功率測量時能夠實現0.021%的合成不確定度。之后在HACR的基礎上，NIST研制了模塊化的初級光功率輻射計POWR[13]，POWR采用臥式結構，即光路方向水平設置。模塊化設計能夠在不同的測量需求下方便地更換核心探測單元，其光功率測量精度達到0.01%水平。

2.3 英國國家物理實驗室(NPL)的低溫太陽絕對輻射計CSAR

為了實現在軌可溯源至國際單位制基本單位的遙感器絕對輻射定標，NPL提出了以低溫太陽絕對輻射計(CSAR)為核心的TRUTHS計劃[3]。CSAR采用兩級機械制冷，為核心探測單元提供20 K的工作溫度。如圖3，CSAR的核心探測單元包含測量太陽總輻照度的TSI腔和傳遞太陽光譜輻照度標準的高響應度腔(HS腔)。其中的TSI腔能夠實現0.02%精度水平的太陽總輻照度測量，以太陽總輻照度建立輻射基準。利用CSAR定標光學遙感器時，由于光學遙感器的分波段探測，需要對太陽光譜進行細分測量，建立太陽光譜輻射標準。CSAR建立太陽光譜輻射標準是通過HS腔實現的。由于太陽光譜輻射在較窄帶寬時，輻射強度較小，CSAR的HS腔的溫度隨光功率的響應度要足夠高，才能實現定量測量。通過優化吸收腔結構和重量以及向參考熱沉的熱連接，CSAR的HS腔探測功率動態范圍設計為10 μW～1 mW。

圖3 CSAR系統示意圖[3]Fig.3 Sketch map of CSAR[3]

3 中國科學院長春光機所(CIOMP)的空間低溫輻射計SCAR

中國科學院長春光機所在多年絕對輻射計和太陽總輻照度監測儀研制基礎上[9-10,14-15]，提出了研制中國的空間輻射基準——空間低溫絕對輻射計計劃，得到了國家自然科學基金科學儀器基礎研究專款的支持，開展了原理樣機的設計和研制。以此為基礎，又提出了空間遙感可溯源的輻射基準及其定標傳遞鏈，為在軌直接溯源至國際單位制基本單位的輻射定標進行了先期研究，以期待建立我國獨立自主的空間輻射基準實驗室，將我國的遙感器在軌輻射定標精度提高一個數量級，滿足國民經濟各部門對遙感數據精度和溯源性的需求。

3.1 系統結構

空間低溫絕對輻射計樣機示意圖見圖4。由斯特林兩級機械制冷機提供20 K的工作環境，工作在20 K的探測器組件被液氮預冷屏包圍，首先被其預冷至液氮溫度。整個低溫部分均被密封在真空室中，由德國萊寶公司MAG600i磁懸浮分子泵和SC30D干泵組成的無油真空機組將真空室真空度抽至10-3Pa，經過降溫后，系統內部真空度能夠達到10-5Pa。空間低溫輻射計探測器吸收腔水平放置，入光孔設置在輻射計側面。真空室上的入光孔預留接口法蘭，為光束準直以及后續的傳遞輻射計艙室提供接入條件。

圖4 空間低溫絕對輻射計樣機Fig.4 Prototype of the space cryogenic absolute radiometer

為了提高制冷機在20 K的制冷效率，空間低溫輻射計中沒有使用制冷機一級冷指進行防輻射屏制冷和系統預冷，而是采用液氮制冷方式。2.5 L的液氮槽配有液氮入口和出氮口，由自動泵氮器將液氮從液氮罐中泵入，自動液氮泵的觸發信號由液氮槽上的溫度傳感器提供。連接在液氮槽上的兩層防輻射屏被冷卻至80 K。20 K兩級斯特林制冷機由中科院理化技術研究所提供，由壓縮機和冷頭組成，通過工質氣體的斯特林循環實現對冷指的制冷。制冷機的二級冷指連接低溫平臺，將平臺制冷至20 K，自身的閉環溫控能夠使冷指溫度穩定在20 K±10 mK。輻射計的探測器組件安裝在平臺上，外圍有兩層防輻射屏。

輻射計的探測器組件結構見圖5，由熱沉、吸收腔以及二者之間的熱連接(圖中的熱連接2)組成。為了在熱沉上進行主動溫控，熱沉與低溫平臺之間用不銹鋼熱連接1相連，將熱沉溫度抬高1 K。熱沉上有進行溫度控制用的鍺電阻溫度傳感器和低溫電加熱器。空間低溫輻射計的探測器包括測量太陽總輻照度的總腔和定標太陽光譜輻照度的光譜腔。總腔是電替代腔，包括溫度傳感器和電加熱器，總腔由高導無氧銅經電鍍制成，形狀為斜切地面圓柱腔，其與熱沉的熱連接由不銹鋼制成。腔體和熱連接的尺寸設計綜合考慮了腔體響應度(0.2 K/mW)、時間常數(10 s)以及腔體吸收率(優于0.999 9)等。要求總腔對光輻射功率測量的合成不確定度優于0.02%。考慮到光譜腔由于響應度、質量以及與總腔的定標方式，光譜腔不是電替代腔，沒有電加熱器。光譜腔響應度1 K/mW，時間常數0.5 s，采用圓錐腔設計，其熱連接的熱阻遠大于總腔熱連接熱阻。在軌運行時，首先總腔對太陽總輻照度進行測量，然后通過HS腔快速定標太陽光譜輻照度(光譜范圍0.2～2.5 μm)。HS腔的定標精度為0.2%。

圖5 空間低溫絕對輻射計的核心探測單元Fig.5 Detective unit of the space cryogenic absolute radio-meter

3.2 測量流程

空間低溫絕對輻射計包括測量太陽總輻照度的總腔和定標太陽光譜輻照度的光譜腔。總腔采用電替代測量方式，使用電加熱功率復現光功率造成的溫度升高，用可以精確測量的電功率代替光功率，實現絕對的功率測量。系統裝配集成后，利用自建的LabView系統，進行了初步的測試工作。經過電加熱測量，第一版總腔的時間常數為33 s，總腔達到熱平衡時間需要7～8 min。考慮到電加熱片阻值、鍺電阻溫度傳感器阻值等隨溫度的變化，設計了空間低溫絕對輻射計的總腔測量流程。

空間低溫輻射計采用一次光加熱和兩次電加熱模式進行光功率測量。開快門后進行光加熱過程，經過一段熱平衡時間后，放置在總腔上的鍺電阻溫度傳感器輸出平衡溫度值(以電壓形式輸出VL)。之后關快門，開始電功率加熱過程。第一次電加熱測量中使用的估計電功率是由自測試和光加熱過程測溫電阻輸出的平衡電壓給出的。自測試過程是在系統降溫完成后，熱沉溫度等控制在需求范圍內，在總腔上加不同的電加熱功率，考察不同加熱功率下總腔測溫電阻輸出的平衡電壓值，給出總腔的響應度，利用該響應度和光加熱過程輸出平衡電壓，計算出關快門后第一次電加熱所需電功率P1。經一段平衡時間，測溫電阻輸出平衡電壓V1。此時的V1并沒有完全復現光加熱輸出的平衡電壓VL。考慮該差異經過修正后的電加熱功率P2加載在總腔上，平衡后輸出的電壓為V2。那么產生VL的平衡電壓所需要的電加熱功率PH可以由兩點插值給出：

(1)

進入總腔的光功率PL為：

(2)

其中，T為窗口透過率，N為光電不等效系數，A為腔體吸收率，PS為被散射到吸收腔外的光功率，經過理論計算獲得。

總腔經過上述流程后測量出光功率，設計光功率測量精度0.02%。與主光闌面積結合能夠得到太陽總輻照度。

定標太陽光譜輻照度光譜腔由于響應度、時間常數等的限制，其熱容不能太大，這就限制了腔體的體積和質量，不能采用電替代方式，腔體沒有加熱片。光譜腔利用其吸收光功率后的溫度升高值與總腔進行定標。定標時，兩腔通過兩塊已知面積的光闌同時對太陽測量，光譜強輸出平衡溫度，總腔測量光功率，經過換算得到光譜腔吸收光功率，建立光譜腔吸收光功率與其溫度升高值之間的關系，完成光譜腔定標。光譜腔定標完成后，即可測量單色太陽光的光譜功率與輻照度。

3.3 創新點

我們經過深入細致的指標論證及性能評價研究，提出了可行的SCAR研制方案。通過優化腔型幾何尺寸以及選擇內壁吸收黑材料，實現了具有超高吸收比斜底腔的設計，斜底腔吸收比高達0.999 928±0.000 005。通過采用OHFC銅材料制作，改善了低溫環境下吸收腔的熱容和熱導，使得總輻照度腔和光譜腔具有較短的時間常數。

4 總結與展望

中科院長春光機所正在研制空間低溫絕對輻射計，其工作溫度20 K，包含有測量太陽總輻照度的總腔和定標太陽光譜輻照度的光譜腔，能夠實現0.02%精度水平的光功率測量，并且實現太陽光譜輻照度定標。該裝置與作為實驗室輻射基準的低溫輻射計相比，功率測量精度水平相當，系統集成度高，增加光譜輻射定標功能，更適合作為空間輻射基準使用，為我國建立獨立自主的在軌可溯源的遙感器輻射定標系統提供了重要保障。2020年將通過改進、總裝調試、熱沉高精度溫控、牽制光學系統配置以及加光測量和指標表征等工作，建成空間輻射基準儀器，并且為遙感器在高精度輻射定標服務。未來將以該儀器為核心，建立遙感器光譜輻射標準傳遞系統，并將其應用在航天領域，建成在軌直接溯源至國際單位制的定標系統，將遙感器輻射定標精度水平提高一個數量級，滿足用戶對遙感數據精度和溯源性的需求。