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準，解決航天儀器測量絕對精度低并且長期穩定性下降的問題，本論文介紹一種采用微機械技術把絕對輻射計微型化的新型絕對輻射計，可把它作為定標基準源引入光譜儀定標系統。其工作原理是利用光電等效性，用電功率標定光功率，采用雙測輻射熱計精確對稱補償技術，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，時間常數縮短8倍，重復性達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標準，使儀器的絕對定標精度提高1個量級。

關鍵詞:絕對定標定標基準微型化絕對輻射計ESR

中圖分類號:O571文獻標識碼: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精度可達0.5%，而一般的光譜儀等相對型儀器絕對定標精度只能達到5%，相差一個量級。其原因是由于定標原理、方法不同而引起的:絕對輻射計的定標原理是采用光電等效性，用可精確定標的電功率實時定標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準燈定標，在地面標定好發射后認為積分球或標準燈是不變的，定期對儀器進行標定。如20年內參加了5項任務(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，儀器內部校正燈用了氘燈、鎢絲燈和氦空心陰極燈三種標準光源分別校正紫外、可見和IR，儀器結構復雜，體積大，且長期在軌工作很難保證高穩定度。

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，目前做為風云三號氣象衛星的有效載荷已在軌工作一年多，獲得數據與國際上同期衛星測得數據符合良好。SIAR-2a、SIAR-2b放在瑞士世界(輻射)標準組WSG上，與WSG儀器同步測試6年，長期穩定性良好。本論文介紹的新型光電探測器ESR就是采用微機械等技術把絕對輻射計微型化后可引入光譜儀定標系統，給儀器提供長期實時的絕對標準，使儀器的絕對定標精度提高一個量級。

經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，因此ESR的時間常數要≤0.5s。以前研制的SIARs絕對輻射計測量最大輻射功率設計為100mW，動態范圍104，16bitAD采樣，最小可探測功率為10-5W，時間常數為15s。因此，因此，理想ESR應該比SIARs響應度提高103，時間常數下降30倍。

2結構

圖1是微型化絕對輻射計ESR的外觀照片，ESR由一個低導熱率絕緣懸掛系統支撐，維持較低的熱傳導，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的關鍵技術難點是需要在保證精度的前提下大幅縮短時間常數，這必須選用導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。

響應度和時間常數這兩個指標是相互制約的，熱導率增大，時間常數減小，但響應度下降，反之亦然。因此必須在二者之間權衡。

3電子學系統設計

圖2是ESR工作的電學原理框圖。整個系統從功能上可以分為信號產生，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。實際設計中，將硬件電路分三個模塊實現，分別是前置放大模塊，模擬信號處理模塊和數字處理模塊。

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成了四臂電橋，當工作測輻射熱計接受光譜輻射時，測輻射熱計產生溫差，即橋式電路有一溫差信號輸出到前置儀表放大器。

DSP作為系統的控制核心，系統主要控制過程包括:產生載波的AD9833的初始化和配置，進行數據采樣的AD的初始化和配置，外部IO口的設置，定時器設置，外設中斷的響應順序控制，電機的控制，串口數據的處理及傳輸，加熱PWM波的設置及控制，預熱控制流程，測光控制流程等。DSP以PID算法形成閉環處理，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 結果

光譜絕對測量儀器有以下幾個關鍵指標:靈敏度S，時間常數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

時間常數測量:實際計算中，采用多次計算時間常數并取平均的方法，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個輸出數據

最小可探測功率

Pm=S*Nb=8.552e-009w

儀器的良好重復性是定標精度的保障。在光源、環境等均穩定的試驗條件下，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 結語

本文的特色在于撇棄傳統的與絕對輻射計設計思路，而創新性地將熱傳導快、絕緣性能極好的金剛石片引入到絕對定標基準中，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度得到提高，經試驗測試，相對于傳統的SIAR和DCICAR絕對輻射計，靈敏度提高3個量級，時間常數縮短8倍，重復性良好，基本滿足作為光譜儀定標基準源的要求，但時間常數距理想情況還有一定差距，還需要進一步優化系統參數，不斷改進工藝，真正成為航天光譜儀的實時絕對定標標準，使在軌儀器的絕對定標精度提高一個量級。這也是未來航天儀器在軌定標的發展方向。

通過測試發現，環境的溫度變化，對系統測量精度產生很大影響，要進一步提高測量系統的精度，還要設計一套精密系統，進一步降低環境對絕對輻射計測量系統的影響。

在科學發展中，天上技術和地面技術是相互促進的，這種微型化絕對定標基準的更廣闊的應用空間應該是在地面。現在只是原理樣機，如果通過更深入的研究后轉化成地面定標標準探測器，一定會為地面輻射定標帶來很多方便。

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.光學學報， 2003.

[3]氣象衛星有效載荷技術.北京:宇航出版社，2005.