高精度光辐射定标和标准传递方法

简 宁及 第 卷 第 期 年 月 科 考 孟 叙 高精度光辐射定标和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 传递方法 郑 小 兵 吴浩宇 章骏平 刘 玉成 周 威 王 乐意 乔延利 中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感部 , 合肥 · · · 摘要 报道 了国内基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递研究与实验 可见波段 个波长的定标结果表明 , 低温辐射计测量激光绝对功率的不确定度 , 陷阱探测 器绝对响应率的不确定度 , 证 明了以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理 性与可行性 关键词 辐射定标 低温辐射计 陷阱探测器 光辐射定标的 目的是确定光探测器的输出 电流 、 电压等 与人射绝对光通量的定量关系 一般首先需要建立一个共同的光辐射初级标准 , 之后通过不同精度等级的传递标准构成传递 链 , 直至最终用户探测器 辐射定标的作用体现在 保证探测器的精度能够满足应用需求 保证探测器的输出反映被测量值的真实变化 , 校正探测器性能的 自然衰变对测量结果的 影响 通过共同的标准保证不同平台上不同探测器在不同时间对同一 目标观测结果的可 比 较性 近年来包括中国在内的世界各国相继开展了大规模的地球观测 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 为保证测量结果的 定量化水平和可利用价值 , 对光电探测器的辐射定标精确水平提出了越来越高的要求 例如 在长期观测 中要求星载传感器的响应在数月甚至数年里变化小于 这意味着标准传递链在 到达用户传感器时的不确定度要远小于 因此 , 常规的辐射定标和标准传递技术已经难以 满足这样的要求 , 主要原 因之一是光辐射初级标准本身的精度较低 , 沿用 已久的黑体辐射源 在可见波段的典型不确定度为 一 ‘」 另一原因是标准传递过程难以保证较高的精度 , 目前建立在各级辐射源 黑体或灯 基础上的传递链到达应用仪器时的不确定度往往高于 〔’〕 国际标准组织和发达国家从 年代开始以低温绝对辐射计为基础建立了新型高精度光辐 射初级标准 , 并采用基于探测器的标准传递链取代传统的基于辐射源的标准传递链 由于综 合应用 了电替代 、 液氮和液氦双层冷屏蔽以及超导等先进技术 , 低温辐射计测量光辐射达到了 前所未有的精确程度 可见波段典型不确定度为 一 , 〕 与此相应 , 新的探测器传 递标准的不确定度也达到 一 目前我 国的国家标准仍然基于传统的标准辐射源 为适应我 国空间遥感技术的迅速发展 , 在 “ 中国遥感卫星辐射校正场 ” 项 目的支持下 , 我们在 国内开展了基于低温辐射计的高精度光 辐射定标和标准传递技术的研究 近期建成 了可见波段 一 高精度初级标准 , 研制 了硅光电二极管陷阱式探测器作为传递标准 定标实验表明 , 低温辐射计和陷阱探测器的不 确定度分别小于 和 基于低温绝对辐射计的高精度初级标准 低温辐射计利用 电替代原理测量光辐射的绝对功率 人射光使辐射计内部接收腔的温度 升高 , 达到热平衡后挡住人射光 , 用 电加热产生 同样温升所需要的电功率即等于实际的人射 光功率 , 其中温度和 电加热功率分别用锗电阻温度计和 电桥精密测量 这一过程可 以用下式 科 考 五 叙 第 卷 第 期 年 月 简 手及 所示的测量方程表示 。 ‘叽 。 、厂 二 一下一一 一 几 卜卫 又 八 其中 , 尸 是入射激光功率 , 是辐射计窗 口 的透过率 , 是接收腔的吸收率 , 是表示光加热和 电加热等效程度的因子 , 尸 是电加热功率 锥管形的接收腔内壁涂覆了高吸收率 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 , 人射光 在其中多次反射后接近于完全被吸收 腔体处于液氮 和液氦 双层冷屏蔽下 , 隔绝 了环境热辐射 , 也使光和 电加热过程达到极高的等效性 低温下导线及接头均处于超导状态 , 其欧姆损耗可 以忽略 表 所示是实验室现有 型低温辐射计的主要性能指标 表 低温辐射计的主要性能指标 光谱范围单 功率范围小 接收器响应 时 ’ 一 接收器响应率 · 绝对准确度 腔体吸收率 液氦保持时间 一 低温辐射计结构上 的特点使其适合于测量具有 良好空间特性的激光的绝对功率 , 其实验 装置如图 所示 低温辐射计的窗 口反射损失是主要 的不确定性因素之一 为尽可能降低反射 率 , 人射激光首先通过一个 一 棱镜以产生垂直线偏振光 , 其消光比优于 辐射计的 窗 口需要精密调节 , 以保持人射角为 角 激光束穿过 型激光功率控制器后 , 强 度起伏 爪 为减少激光束高阶空间模式产生的散射光斑 , 系统配置了 模块式空 间滤波器 , 由两个 火 显微物镜和 个 林 直径的铂铱合金针孔组成 直角分束棱镜的作用 有两个 其前表面 的反射光由一个陷阱探测器接收 , 输出信号被用来校正功率的长时间缓慢 起伏 经过校正后 的人射光功率起伏 通过棱镜 的后表面可 以观察接收腔 的微弱 反射光 , 以将激光束精确地调节到接收腔底部的中心 为了确保双层冷屏蔽的效果 , 通过机械 泵 、 涡轮分子泵和吸附泵的先后作用使真空度达到 一 一 低温辐射计的运 行由计算机 自动控制 迎⋯⋯⋯⋯⋯液、、、 图 低温辐射计测量激光绝对功率的装置 基于陷阱探测器的高精度传递标准 对于传递标准的要求是 响应率高 、 响应波段宽 、 线性范围大以及温度系数小 同样为了 减小反射损失对精度的影响 , 光敏面的反射率应当尽量小 在可见 一近红外波段 , 硅光电二极 简 宁及 第 卷 第 期 年 月 科 考 五 叙 管是满足上述条件的最好选择 , 它的制造工艺成熟 , 性 能稳定而廉价 单个光电二极管的窗 口 反射率较高 , 约 为 , 并且容易受到灰尘 、 湿度的影响 , 不利于高精 度辐射测量 为此我们设计了由 个硅光电二极管构成 的反射式陷阱探测器 , 其几何结构如图 所示 个硅 管均为特制的 一 型无窗 口 硅光电二 极管 , 有效光敏面积为 人射光在 个光电二极管的光敏面上依次经历了 次反射后沿原路返 回 这种设计的优点是 总反射 率大为降低 , 约为单个光电二极管反射率的 , 反射 损失所引起的测量不确定度也随之降低约 个量级 一 一 一 一一 图 片反射式陷阱探测器的几何结构 一 为相同的 一 型无窗 口硅 光电二极管 第 , 个硅管的人射面相互垂直 , 入射角相等 , 第 个硅管正人射 , 从而保证了探测器对人射 光的偏振状态是非敏感的 这在许多应用中有重要的意义 多次吸收提高了光电转换效率 和灵敏度 个硅管在电气上并联 , 总光电流经过前置放大器转换为输出电压后 由 型 位数字记录仪测量 在图 中 , 低温辐射计测量激光的绝对功率后 , 将陷阱探测器切人到光路中 , 测量其输出 电压 在考虑了线性 、 光敏面上的响应均匀性 、 偏振敏感性以及测量过程中的稳定性等因素后 , 陷阱探测器的绝对响应率可以用下式所示的测量方程表示 二 了 、 了 。 。 一 。‘“ 七 万 ’ 其中 , 尸 是人射激光功率 , 是光敏面上的响应均匀性因子 , 代表响应的非线性 , 是偏振敏 感性因子 , 为实测 的输出电压 , 代表稳定性 我们测量了上述各项 因子及其不确定度 , 证 明陷阱探测器完全可 以满足高精度传递标准的要求 具体测量过程限于篇幅不再赘述 不确定度评估 根据 式所示 的测量方程 , 低温辐射计测量激光绝对功率时 , 不确定度的主要来源有以 下 项 电加热功率的测量不确定性 窗 口 反射率的测量不确定性 腔体吸收率的 测量不确定性 光加热和 电加热的非平衡不确定性 我们测量了其中的 、 和 项 , 腔 体吸收率及其不确定度引用 了低温辐射计的出厂标定 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 根据 国际通行的不确定度评估规 范 , 总不确定度取为上述 项不确定度的平方和的平方根 在可见光波段的 个波长测量 了激光功率 , 波长分别是 , 巧 , , , , 和 每个波长均在 一 林 范围内以 林 为间隔测量了 个级别的激光功率 表 列 出了 个波长激光绝对功率的不确定度 , 所有不确定度均取 个功率级别中的最大值 根据 式所示的测量方程 , 利用低温辐射计标定陷阱探测器的绝对响应率时 , 不确定度 因素主要有 以下几项 低温辐射计测量激光绝对功率的不确定度 光敏面的响应均匀 性 偏振敏感性 线性 其他因素 , 包括杂散光 、 温度漂移 、 数据采集误差等 总定 科 考 五 叙 第 卷 第 期 。。。年 月 简 寸及 表 低温辐射计测量激光绝对功率的不确定度 一 不确定度来源 激光波长 加热器功率 窗 口透过率 腔体吸收率 非等效性因子 一 总不确定度 标不确定度取为这 项不确定度的平方和的平方根 通过实验测量了上述 项 因素的不确定度 , 结果见表 表 陷阱探测器光谱响应率定标的不确定度 一 勺 不确定度来源 激光波长 人射激光功率 线性 响应均匀性 偏振敏感性 稳定性 输出电压 。 总不确定度 ‘ 石 】 一 , 产 结论 与基于辐射源 的辐射标准及传递技术相 比 , 基于低温辐射计的定标和标准传递技术将光 辐射测量的精度提高了近两个量级 陷阱探测器作为一种全固化 、 体积重量小 、 功耗低的传递 ︸、︸,‘ 门二 标准 , 在计量学 、 空间遥感等领域将有应用前景 近期我们还将研制短波红外 的陷阱探测器 , 这一波段在遥感领域有重要的应用意义 参 考 文 献 , , , , , , , , , 林 , , 一 , , 一 , , , 名 , 一 一 收稿 , 一 一 收修改稿