基于大口径高温固定点黑体的光谱辐射照度国家基准量值复现新方法

采用国际前沿的大口径高温固定点黑体新技术,中国计量科学研究院NIM(National Institute of Metrology)组建了大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体辐射源,在3020.11 K的融化点温度,实现了250~2500 nm光谱辐射照度、相关色温和分布温度基准的量值复现。这是国际上首次将大口径高温固定点黑体技术成功应用于光谱辐射度基准复现领域。针对大口径固定点黑体熔化温坪曲线的特点、以及测量期间温坪曲线中间部分缺失的问题,提出了固定点熔化温坪拐点温度计算新方法,重构了缺失的熔化温坪曲线。采用光谱比较法,通过双光栅光谱比较测量系统将黑体的量值传递至光谱辐射照度副基准灯组,完成光谱辐射照度基准量值的复现和保存。新的量值复现方法将黑体温度的测量不确定度减小为0.36 K,缩短了量传链,实现光谱辐射照度最佳测量不确定度0.25%(k=2)。在250~2500 nm,基于固定点新方法和传统变温黑体法进行量值复现的平均偏差为0.42%,将两种方法相结合,最终实现我国光谱辐射照度基准的测量不确定度(k=2)为:250~400 nm,U rel=1.9%~0.43%;400~1000 nm,U rel=0.43%~0.25%;1000~2200 nm,U rel=0.25%~0.76%;2200~2500 nm,U rel=0.76%~2.4%。基于固定点黑体的光谱辐射照度量值复现技术已经应用于遥感仪器的辐射定标,用于提升仪器的测量准确度。

一种太赫兹探测器绝对光谱响应度测量方法研究

绝对光谱响应度是探测器的重要技术参数之一,随着太赫兹探测技术的发展,精确测量太赫兹探测器的绝对光谱响应度变得越来越重要。由于在太赫兹波段缺乏连续可调谐的太赫兹光源以及分光系统,因此无法采用传统测量红外探测器绝对光谱响应度的方法来实现对太赫兹探测器绝对光谱响应度的测量。基于反射法测量了2~10 THz相对光谱响应度,通过CO 2泵浦气体激光器作为泵浦光源测量了2.52和4.25 THz绝对响应度,转化得到2~10 T Hz探测器的绝对光谱响应度,并且对2.52和4.25 THz绝对响应率和相对光谱响应度这两个频率点进行了相互验证,2.52和4.25 THz绝对响应度测量值之比为0.753,相对光谱响应度测量平均值之比为0.749,两者之差仅为0.004,因此,说明本文采用的反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应度的方法是可行的。另外水汽在太赫兹波段的测试有很大的影响,对1.5~10 THz波段大气的衰减特性进行了测试,试验表明水汽对太赫兹波有明显的衰减作用,在不同环境湿度下测量时会产生不同的结果,因此在太赫兹探测器测量过程中需要严格的控制大气的湿度,从测试数据可得到,大气中的湿度越小越好。特别是在3.3 THz波段之前,由于本身的信号比较弱,如果水汽过大或测试过程中变化较大,将严重影响测试效果。该系统可以满足太赫兹探测器的研制、生产、检测和应用,它可以为材料的选取、工艺改进、数据补偿、光学系统设计、图像处理提供指导,同时也可以推动太赫兹武器装备效能的重要依据。因此,太赫兹探测器绝对光谱响应度的测量对器件设计制造者、成像装备系统设计制造者以及器件使用者来说都具有非常重要的指导意义。

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400~900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面:(1)低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400~900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2)实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3)针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.00025;(4)针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400~900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%~0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400~900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内,验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。

溯源至低温辐射计的硅陷阱探测器紫外波段绝对光谱响应度测量（英文）

介绍了溯源至低温辐射计的紫外绝对光谱响应度测量装置,对硅陷阱探测器在三个激光波长点进行了绝对光谱响应度校准实验.测量了硅陷阱探测器的空间均匀性和非线性系数,分析了影响测量准确度的各不确定度分量.实验表明:硅陷阱探测器在紫外波段266、325、379nm三个激光波长点处的绝对光谱响应度测量扩展不确定度分别为0.19%、0.14%、0.11%,可作为紫外波段光辐射功率基准保持和传递的标准探测器,用于提高紫外波段光谱辐射度的校准能力.

距离平方反比定律在光谱辐射照度测试中的应用研究

提出了距离平方反比定律在光谱辐射照度测试中的应用,并进行了实验验证和数据分析,得出通过距离平方反比定律得到的计算值与实测值的偏差,偏差在250~700nm范围内小于2%,其他波长范围内不大于7%。对该测试方法进行了不确定度分析,其测量不确定度为U_(rel)=8.5%~9.6%(k=2)。解决了光谱辐射照度标准灯在不同距离条件下测试的困难,为光谱辐射照度标准灯的测试和应用带来更多的可能。

太阳辐照度绝对辐射计真空中腔温响应测量

为了对风云三号C星太阳辐射监测仪的太阳辐照度绝对辐射计的在轨性能进行定量表征,进行了正样产品的太阳辐照度绝对辐射计真空环境中腔温响应特性的测量工作。相同加热功率下的辐射计腔温瞬态响应表明,由于缺少空气对流这一传热途径,使得真空环境中辐射计腔温趋于平衡的时间常数延长为29.23 s,所以标定主腔温升单位输出码值对应的加热功率时,采样时间应该设定为5 min。真空环境中主腔温升的输出码值与所加加热功率之间经测量为良好的线性关系,稳定性良好,保证了绝对辐射计在轨的测量性能。不同采样时间的辐照度测量结果表明,尽管测量过程中主腔温度变化较小,但也需要足够长的采样时间才能使腔温达到平衡值。因此FY-3C星太阳辐射监测仪在轨测量时自测试和辐照度测量均应将采样时间设定为5 min。

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。

用于探测器中红外绝对光谱响应度测量的激光源

为了实现中红外探测器绝对光谱响应度高准确度的测量,从理论和实验上研究了中红外波段激光的功率稳定性的提高和光束质量的优化方法。采用声光调制和反馈控制的方法,把中红外激光的功率稳定性提高到0.1%以内;根据高斯光束传输理论计算了所需空间滤波器的各项参数,设计了中红外空间滤波器,搭建了相应的实验装置,显著提高了中红外激光光束质量。为中红外绝对光谱响应度的高准确度测量提供了一个可靠的中红外波段激光光源。

光谱辐射照度测试研究

介绍了光谱辐射照度的测试方法.该方法以高温黑体为基础复现光谱辐射照度,并将复现获得的量值采用替代法对光谱辐射照度标准灯进行量值传递与测试,具有测量不确定度高等优点.同时,给出了采用这种方法的测量结果,介绍了BB3200K型高温黑体及光谱辐射照度测量装置.测量结果表明,采用本文方法可获得高稳定性和理想的测量结果.

200～400 nm短波紫外光谱辐射照度国家基准装置的研究与建立

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题,基于高温黑体辐射源, 2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。组建氘灯副基准灯组,实现基准量值的独立复现、保存和传递。在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系,为各应用领域提供最高溯源标准。针对基准系统中温度测量、带宽、信噪比、荧光等主要误差源,逐一突破关键测量技术,提升基准的测量准确度:将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体,采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证,在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K,将200 nm的测量不确定度减小0.2%;针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差,提出基于微分求积的七点带宽修正法,在200 nm,误差减小0.86%;提出绝对和相对互补型测量原理,将200 nm的测量重复性误差减小约20倍;采用选择性滤波技术,成功消除系统内荧光对测量结果的影响。 3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K,腔底不均匀性小于0.17 K,测量期间黑体温度漂移小于0.2 K,双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。氘灯副基准的标准测量不确定度为: 200~250 nm, U rel =4.0%~1.3%;250~330 nm, U rel =1.3%~1.2%;330~400 nm, U rel =1.2%~1.9%,整体技术指标达到国际先进水平。研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白,使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对,与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。在250~400 nm重合波段,两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%,在声称的不确定度范围内一致。

基于长波红外探测器绝对光谱响应度测量的激光源

为满足长波红外探测器绝对光谱响应度参数的高准确度测量要求,提高长波红外激光的功率稳定性,优化激光光束质量,研制了一套长波红外激光源。针对Cd Te晶体的电光效应设计了一套提高长波红外激光功率稳定性的实验系统。利用激光光束传输原理设计了长波红外波段空间滤波器,并分析了其各项参数的计算方法。实验结果表明:长波红外激光的光功率不稳定度提升至0.1%以上,长波红外激光的光束质量也得到显著提升,满足了长波红外探测器绝对光谱响应度高准确度测量对光源的性能要求。

400～1700 nm绝对光谱响应度校准和量值传递

介绍了高准确度光辐射功率校准原理和方法,利用低温辐射计作为主标准器,以陷阱探测器作为传递标准,激光器作为光源,通过激光功率稳定装置,校准了硅陷阱探测器和铟镓砷陷阱探测器的绝对光谱响应度。选取476.1,488,514.7,521,568,632.8,647.1,785,852,980,1 064,1 550,nm共12条谱线完成了校准实验,绝对光谱响应度测量不确定度均优于0.05%。通过量子效率模型得出了硅陷阱探测器的绝对光谱响应曲线。利用In Ga As陷阱探测器分立波长点的绝对光谱响应度与相对光谱响应曲线进行了验证分析。结果表明,2种陷阱探测器均可用作传递标准进行高准确度的可见光和近红外光辐射功率校准和量值传递。

基于低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率测量

长波红外光谱(8~14μm)是介于中红外和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的光谱辐射波段和地球"第三大气窗口",相对于短波和中波光谱辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外光电探测器在红外光谱成像、红外侦察、光谱探测等领域得到广泛使用。绝对光谱响应率作为表征探测器响应能力的主要参数之一,对其高精度标定的需求亟待解决。现在传统方法,即基于标准辐射源的定标方法已无法满足诸多高精度绝对光谱响应率的应用需求。目前,国内还没有建立基于激光光源和低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率校准装置,主要原因是缺少光功率稳定、光束质量高的激光光源,以及性能稳定的长波红外传递标准探测器。针对此问题,开展了以激光为光源,以低温辐射计为光功率测量基准的长波红外绝对光谱响应率量值溯源技术研究。课题组选用可调谐CO2稳频激光器作为光源,以低温辐射计作为光功率测量基准;采用CdTe晶体电光调制器搭建了激光功率稳定控制系统;根据光束传输理论,搭建长波红外空间滤波器以优化光束质量;采用积分球与HgCdTe探测器组合,研制了性能稳定可靠的标准传递探测器,建立了长波红外探测器绝对光谱响应率高准确度校准装置,实现长波红外光谱范围(9.2~10.8μm)探测器绝对光谱响应率的高准确度校准测量。选择可调谐激光器输出的波长值9.62和10.60μm分别对积分球型HgCdTe探测器进行了测量。实验结果表明,(1)利用低温辐射计准确测量光功率,光功率测量不确定度优于0.30%~0.42%(k=2);(2)探测器绝对光谱响应率测量不确定度优于0.80%~1.02%(k=2),其他波长点可参考分析。该工作实现了基于激光光源的长波红外探测器绝对光谱响应率的高准确度校准。

集成光电探测器绝对光谱响应度测试研究

分析了光电探测器的结构及光谱响应度的测试原理,基于LabVIEW图形化软件,研制了一套0.2～1.1 μm的光电探测器绝对光谱响应度测试装置.本系统采用单光路小光点标准替代法进行测量,系统组成灵活并可扩展,配合自行研制的驱动电路和采样保持电路,可以满足不同器件的需要.采用本系统对上海技物所研制的多种集成光电探测器的绝对光谱响应度进行测试,测试结果表明了系统的可行性.

发散光照射方法标定空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度

以辐射度学为理论基础,推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式,分析了影响两种照射方法定标结果的因素。通过相关的测试实验,数值估算了采用发散光照射方法为仪器进行辐照度定标时所引入的定标方法误差。计算结果表明,在假设平行光辐照度值均匀及发散光源为朗伯光源的情况下,采用发散光照射方法定标时所引入的定标方法误差小于1.2%。数值估算结果对于采用发散光照射方法为空间紫外遥感仪器进行光谱辐照度定标具有一定的指导意义。

基于低温辐射计的探测器绝对光谱响应率测量

探测器的绝对光谱响应率是衡量光电探测器性能优劣的重要参数,直接反映其光电转化的能力。通过对低温辐射计,功率稳定系统光路调整的介绍,基于低温辐射计,对探测器可见光范围的7个波长的绝对光谱响应率进行了高精度测量,分析了测量结果。

近红外绝对光谱响应度传递标准的研制

在光辐射计量中,陷阱探测技术是一种重要的探测技术,陷阱探测器是光辐射功率基准量值保持和传递的主要媒介。 InGaAs 陷阱探测器常被作为（900～1700）nm 波段光辐射计量的传递标准。本文基于陷阱探测技术,针对近红外波段量值传递的需求,研制了 InGaAs 陷阱探测器,并进行了性能测试。测试结果显示：在1064nm处绝对光谱响应率为0.7098A/ W,测量不确定度达到0.1%,在（0.1～3） mW 内,其非线性指标优于0.99993,1h 测试非稳定性为0.00495%,空间非均匀性达到0.05%,满足作为传递标准的技术要求。

太阳辐照度绝对辐射计的定标新方法

为了扩展动态测量范围,提高对较低的激光功率的测量不确定度,对太阳辐照度绝对辐射计的测量方法进行了研究与改进。首先,重复测量各个激光功率的响应度,分析由响应度引入的系统误差对测量不确定度的影响;其次,提出改进的测量方法,通过两次电定标实时修正光功率附近小功率区间的响应度;最后,使用新方法和传统方法测量各个功率的激光,比较测量不确定度。实验结果表明:根据宽功率区间获得的响应度的相对不确定度为2.7%,测量较低的激光功率时,不可忽略由响应度引入的误差。当激光功率低于20 m W时,改进方法的相对测量不确定度仍为0.1%,具有更好的稳定性,补偿了响应度误差。因此,电定标与光定标差距非常大,不具备可比性,需两者结合实现全动态范围定标;该方法可以扩展动态测量范围,对于定标太阳辐照度绝对辐射计具有重要意义。

太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性修正

针对绝对辐射计光电不等效性来源复杂、实验测量难度大的特点,提出了修正太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)光电不等效性的有限元单元法。结合SIAR的测量方法,对真空中辐射计的腔温响应进行了实验测试。基于有限元单元法,建立了与实验腔温度响应相对误差仅为0.14%的有限元模型,对接收腔的温度响应进行了实验测试。测试结果显示:入射光功率为73.8mW时,接收腔与热沉之间的温度差异约为0.85K,响应的时间常数为29.8s。运用建立的有限元模型对SIAR的光电不等效性进行了评估和修正。结果表明:太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性来源主要为不同加热途径和不同加热区域引起的偏差,SIAR的光电不等效性因子N为0.999 621±0.000 004。该修正模型完善了仪器的修正体系,提高了测量精度,为绝对辐射计的发展提供了可靠的数据来源。

UVA探测器照度响应度的量值复现方法与国际比对

对UVA探测器照度响应度的量值复现方法进行了详细的讨论。分析比较了光源的光谱辐射照度法、探测器的绝对光谱响应度法、热释电探测器法、绝对辐射计法和与标准紫外辐射照度计比较法等5种方法的原理和测量结果。以此为理论基础,中国计量科学研究院(NIM)参加了由亚太计量规划组织(APMP)举办的国际上首次"UVA探测器的照度响应度国际比对APMP PR-S1"。比对结果表明:在7个参加实验室中,NIM的量值与国际参考值最为接近,窄波段UV365照度响应度和宽波段UVA照度响应度与国际参考值的偏离量分别为-0.57%(k=2)和-0.53%(k=2)。在特定条件下,宽波段紫外辐射度的量值复现不确定度也由原来的10%(k=1)改善为2.0%(k=1)。