真空低溫環境紅外亮溫標準裝置設計

張俊祺 王文革 王闊傳 黃 賾 張 奇 劉 浩

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

目前，隨著航天技術、電子技術、傳感技術以及信息技術的發展，遙感信息的定量化研究成為熱點。而遙感測量數據的計量校準是遙感信息定量化的前提和重要組成部分，又是遙感信息與所反映的被觀測物真實參數之間的橋梁。

紅外遙感是天地觀測系統的重要觀測手段，而高精度的實驗室定標黑體輻射源，對于保持紅外載荷高精度的觀測水平具有決定性作用。所有的紅外探測儀器都需要經過量值定標，隨著紅外遙感儀器定量化水平的不斷提高，對于量值傳遞水平和黑體輻射源的性能提出的標準和要求也越來越高。

本文圍繞航天衛星遙感領域中對紅外亮溫溯源的迫切需求，設計了真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置的技術方案。通過標準裝置的建立，將為航天型號任務研制、試驗、衛星在軌亮溫測量提供可靠的計量保障，保證量值傳遞的準確，可以提高航天遙感的紅外遙感水平，同時在氣象、海洋與環境要素探測方面也將發揮積極、重要作用。

2 國內外研究現狀

目前，國內外許多科研機構已經開展紅外亮溫標準研究，并建立了裝置，例如：德國物理技術研究院(PTB)研制的真空低溫環境紅外亮度溫度標準裝置，已經用于歐洲局對地觀測項目傳感器的標定工作；美國標準技術研究所(NIST)為了滿足氣候變化監測計劃項目的高精度定標需求，研發了新一代紅外亮度溫度標準；俄羅斯全俄光學計量院VNIIOFI研制了真空紅外標定裝置和真空標準黑體輻射源。在國內，中國計量科學研究院研制的真空低溫環境紅外亮度溫度標準裝置已經用于風云氣象衛星的傳感器的校準工作。下面對各研究單位的標準裝置進行分別介紹。

2.1 德國物理技術研究院(PTB)

PTB針對空間紅外遙感輻射溫度和光譜輻射亮度建立了真空低溫環境亮度溫度溯源系統(如圖1所示)，通過固定點黑體復現亮溫基準，利用真空型傅里葉光譜儀和真空紅外標準輻射溫度計進行量值傳遞，實現了波長(1～1000)μm，溫度(100～700)K 范圍內輻射溫度和光譜輻射亮度的校準。

圖1 德國PTB真空低溫環境紅外亮溫標準裝置結構圖Fig.1 Germany PTB standard device structure diagram

2.2 美國標準技術研究院(NIST)

美國NIST為氣候變化監測計劃項目(CLARREO)研制了一套控制背景光譜輻射計和光譜光度計測量系統(CBS3)。CBS3系統實現了以固定點黑體為參考輻射源，以變溫黑體作為工作標準器，以傅立葉光譜儀和光譜傳遞輻射計作為傳遞儀器的量值傳遞體系，其裝置結構如圖2所示。

圖2 美國NIST的CBS3裝置結構圖Fig.2 NIST CBS3 device structure diagram

2.3 中國計量科學研究院(NIM)

中國計量科學研究院對紅外亮度溫度標準裝置開展了一定的研究，采用液氮冷卻真空實驗艙和真空測量光路實現低溫度環境下的工作環境，研制的標準黑體溫度覆蓋(190～340)K。該裝置由被校黑體真空低溫艙、光路切換機構、真空標準黑體輻射源、液氮冷卻黑體、真空低溫光路、傅立葉光譜儀測量系統和真空抽氣系統等組成。

綜上所述，國內外普遍采用的紅外亮溫量傳體系基本類似，都是以固定點黑體為標準參考源，通過傅立葉紅外光譜儀或其它光譜輻射計等儀器，實現亮度溫度的量值傳遞。具體實施方案和光路設計略有差別，其中德國PTB通過平面反射鏡和離軸拋物鏡的組合進行紅外輻射收集，可以同時測量多個固定點黑體，并同時采用傅立葉紅外光譜儀與寬帶紅外輻射溫度計作為傳遞儀器，光路簡單清晰。

3 真空低溫環境紅外亮溫標準裝置

北京航天計量測試技術研究所針對航天紅外亮溫平臺和紅外亮溫在國防系統內的定量化需求，設計了真空低溫環境紅外亮溫標準裝置。本項目與國內外主要研究單位設計指標對比如表1所示。

表1 設計指標對比Tab.1 Design index comparsion

3.1 溯源體系

真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置，量值傳遞的層次分為三層，如圖3所示，第一層為汞固定點、鎵固定點、銦固定點和鋅固定點黑體作為參考源，直接采用ITS-90國際溫標的參考值，第二層為利用兩個真空變溫黑體參考源實現100K～700K溫度范圍的覆蓋，將變溫黑體的量值通過傅立葉紅外光譜儀和真空紅外標準輻射溫度計傳遞給第三層用戶黑體。為了使量值傳遞盡量接近實際工況，設計了變溫真空實驗系統，滿足實際定標需要。

3.2 裝置設計方案

裝置主要包括：真空黑體艙、真空固定點黑體、旋轉平面鏡艙、零位黑體、真空變溫黑體、冷卻光路系統、離軸反射鏡艙、真空紅外標準輻射溫度計、真空傅立葉紅外光譜儀等部分組成。裝置構成如圖4所示。

真空黑體艙用于放置被較黑體輻射源，采用真空環模技術，利用液氮對內壁熱沉進行制冷，利用真空機組進行抽真空處理，用于模擬太空工作環境，其內壁涂有高發射率涂層，減少環境背景輻射影響。真空黑體艙外壁上設置了多個觀察法蘭窗口及真空航插接頭，實現被較黑體與外部的電氣連接。艙體內部設有高精度電控導軌，可實現多個被較黑體切換及其他拓展性功能。最大可測黑體尺寸約為600mm。

旋轉平面鏡艙為長方體結構，其內部環境同樣采用抽真空及液氮制冷處理；其內部裝有可精確定位的可旋轉高反射率鏡片，可以在固定點黑體、真空變溫黑體、零位黑體、被校黑體之間進行光路的切換。出光口位置留有安裝孔，用于安裝與鎖相放大器相配合的斬波器，從而實現微弱信號的測量。

零位黑體將黑體空腔浸泡在液氮中，以此作為真空傅里葉紅外光譜儀的零點信號。

固定點黑體分別采用汞固定點、鎵固定點、銦固定點和鋅固定點黑體作為參考源。

圖3 真空低溫環境紅外亮溫溯源鏈Fig.3 Low background infrared temperature tracing chain

圖4 真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置結構圖Fig.4 Standard device structure diagram

真空變溫黑體分兩部分組成，溫度范圍覆蓋(100～700)K，作為紅外遙感亮度溫度傳遞溯源標準。

旋轉平面鏡艙和離軸反射鏡艙通過冷卻管式光路系統連接。待測黑體與標準黑體的輻射信號，經旋轉平面鏡片反射后，通過冷卻光路進入到后續探測光路中。

冷卻管式光路系統設置有多個溫度監測點，用于監測艙內環境，同時設有多個液氮冷卻光闌，從而降低雜散光的影響。

離軸反射鏡艙內，安裝有可移動導軌，用于真空紅外標準輻射溫度計與離軸橢球反射鏡之間的切換。

裝置光路示意圖如圖5所示，其中光路部分為被校黑體熱輻射經反射鏡反射至傅里葉光譜儀示意圖。

圖5 真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置光路圖Fig.5 Light circuit diagram of the device

待測黑體輻射源等輻射源發出的輻射通過旋轉平面鏡切換，分別進入測量光路，經過冷卻管式光路系統，經離軸橢球面反射鏡匯聚進入真空傅立葉紅外光譜儀的入口，通過光譜儀探測器進行光譜輻射亮度測量。通過切換可以選擇使用真空紅外標準輻射溫度計或者真空傅立葉紅外光譜儀作為紅外輻射測量儀器。

4 分系統設計

4.1 真空變溫黑體

真空變溫黑體被分為中溫黑體和低溫黑體兩種。低溫變溫黑體提供(100～450)K范圍內的黑體輻射參考源，黑體采用液氮冷卻方式，液氮流經環繞在熱沉體表面的環形通道，設置一大一小兩個出口。采用腔體三段控溫，每個加熱段內均配有兩支鉑電阻傳感器，一支對應溫度控制器，另一支獨立監測溫度用于修正溫控器的設定溫度。

中溫變溫黑體的輻射溫度范圍為(423～700)K，腔體采用三段加熱方式。每段均配有相應的PID溫度控制器，鉑電阻傳感器布置在不同部位獨立監測溫度變化，黑體腔體采用純銅材料，腔內涂層材料為高發射率黑色涂層，建立精密控溫系統對腔內溫度分布進行監測，保證腔體軸線方向較小的溫度梯度。外殼結構與低溫變溫黑體類似。

4.2 固定點黑體輻射源

理想純金屬的熔化和凝固發生在唯一的溫度下，并包含熔化潛熱的吸收和釋放。如果利用足夠量的金屬，當金屬發生凝固和熔化時，潛熱可以維持金屬在相變過程中處于恒定的溫度，產生溫坪效應。本技術方案就是利用從純金屬在壓力一定時，固液兩相共存的溫度恒定的特點來實現標準輻射黑體輻射源。

本項目建立汞、鎵、銦、鋅固定點黑體輻射源，空腔開口30mm，空腔深度200mm，底部采用圓錐設計，底部夾角120°。空腔有效發射率經過計算達到0.999 9，內部采用高發射率涂層。其具體參數如表2所示。

表2 固定點黑體參數Tab.2 Anchor black body parameter

4.3 液氮冷卻零位黑體

液氮冷卻零點黑體輻射源利用真空內置杜瓦，將黑體腔浸泡在液氮中，使其保持液氮溫度，以此作為傅里葉光譜儀零點信號。腔底采用倒錐形式，并涂有高發射率涂料。

4.4 真空紅外標準輻射溫度計

研制真空紅外標準輻射溫度計，設計光譜范圍為(8～14)μm，溫度測量范圍為(123～700)K，作為紅外亮溫傳遞標準。

本技術方案設計的紅外傳遞輻射溫度計采用密封結構與真空環境進行隔離。為了保證光路系統和探測器以及電氣系統的正常工作，密封結構內設計了氮氣增壓系統，保證密封結構內的氣壓，并避免低溫條件下的結露、結霜等情況。紅外傳遞輻射溫度計采用主動控溫和被動絕熱設計來保證低溫環境下使用。主動控溫系統采用精密控溫的循環流體對紅外傳遞輻射溫度計整個結構進行控溫，保證紅外探測器與光路系統等工作在(-20～25)℃范圍內。被動絕熱設計通過在紅外傳遞輻射溫度計外殼結構內設計絕熱真空層來實現，由于真空層的導熱性能很差，減小了整體結構的漏熱損耗。

4.5 真空傅立葉紅外光譜儀

在真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置中，采用全真空型傅立葉紅外光譜儀，光譜范圍為(1～1000)μm，光譜儀的最低工作壓力達到102Pa。光譜儀采用DTGS、液氮制冷MCT、遠紅外Bolometer探測器組合實現(1～1000)μm的測量光譜范圍。光譜儀與真空系統采用窗片隔離。光譜儀與專用斬波器配合，采用相敏檢波技術手段提高信噪比。

5 結束語

為了滿足氣候變化監測、氣象預報和防災減災以及全球遙測量值一致性等的重大需求，研制真空低溫環境紅外亮度溫度標準裝置，對于紅外遙感定量化水平的提高具有重要的意義和現實需求。

紅外遙感定量化水平的提高除了儀器本身性能影響，其定標水平也起到至關重要的作用。為了提高航天遙感定量化水平，本文設計了真空低溫環境紅外亮溫計量標準裝置技術方案，裝置的測量溫度覆蓋(100～700)K，光譜范圍覆蓋(1～1000)μm。通過該裝置的建立將為我國紅外遙感水平的提高提供重要保障。