可见-近红外(488～944 nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究

报道了可见-近红外波段(488～944nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0．016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见-近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0．028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。     

绝对辐射计溯源至低温辐射计实验测试

开展了绝对辐射计溯源至低温辐射计的计量技术研究。选用激光作为光源,采用光斑非全覆盖绝对辐射计接收面的辐射功率模式进行校准实验。利用溯源至低温辐射计的陷阱探测器作为标准器定标激光器功率,然后通过替代法将量值传递至绝对辐射计。通过绝对辐射计光阑面积校准,实现激光功率与绝对辐射计测量辐照度的转化。通过对陷阱探测器的校准、绝对辐射计锥腔不同位置空间响应均匀性、锥腔的波长选择性等特性的分析,对实验所用绝对辐射计校准不确定度进行了详细评估,得到的校准不确定度为0.86%(包含因子k=2)。     

光纤激光功率溯源至低温辐射计方法

介绍了1.3 μm/1.5 μm光纤激光功率溯源至低温辐射计的测量方法,与传统溯源至绝对辐射计的方法相比较,最终利用低温辐射计法通过633 nm波长稳定光源标定陷阱式探测器,然后用陷阱式探测器将量值传递到陷阱式量传探测器,最后通过1310 nm/1550 nm通信用光功率稳定光源通过热释电光功率计标定InGaAs光电探测器并用于测量光纤功率。实验结果表明,溯源至低温辐射计的光纤功率测量方法在1310 nm及1550 nm波长点处对一标准光功率计修正系数测量的相对标准差分别为0.0011及0.0007,其测量不确定度可优于0.6％(k=2),在保证量值一致性的同时有效降低了测量不确定度,提高量值传递精度。     

低温辐射计热结构设计与分析

低温辐射计利用低温超导下的电替代测量原理,将光辐射计量溯源到可以精确测量的电参数测量,是目前国际上光功率测量的最高基准.本文实验研究了低温辐射计的热路结构,系统分析了腔体组件与热链材料的热学特性对低温辐射计响应率和时间常数特性参数影响的机理.在此基础上,设计了由黑体腔、热链和支撑结构组成的热结构机械件,搭建了低温辐射计特性参数测试系统,并针对OHFC铜、6061铝、304不锈钢和聚酰亚胺四种不同热链材料测试了低温辐射计的时间常数和响应率,时间常数跨度为23—506 s,响应率跨度为35.5—714.8 K/W.结果表明,在腔体组件确定的情况下,通过调节热链的材料和结构,可以实现对低温辐射计特性参数的调控.实验结果对低温辐射计特性参数指标分配和指导下一代低温辐射计的研制具有一定参考价值.     

低温辐射计光功率修正因子测试与分析EI北大核心CSCD

为了确保低温辐射计测量准确度,开展了低温辐射计光功率修正因子的研究。介绍了低温辐射计测试系统光路结构和光功率的测量过程。分析了影响低温辐射计光电加热等效替代的四个主要因素。利用搭建的影响因子测试装置,对布儒斯特窗口透过率、杂散光和黑体腔吸收率三个影响因子进行了测试;采用有限元分析方法,对光电加热不等效性因子进行了仿真计算。测试和仿真计算了自主研制低温辐射计光电加热等效替代修正因子,结果显示,布儒斯特窗口在632.8 nm处的透过率为0.996817,杂散光修正因子为0.999013,黑体腔吸收率为0.999950,光电不等效性修正因子为1.009240±0.000010。该研究结果可用于低温辐射计的修正,对低温辐射计各功能模块的设计、测量不确定度的提高以及低温辐射计的研制具有一定参考价值。     

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

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、379 nm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.     

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.     

低温辐射计的结构优化方案设计

传统低温辐射计的布儒斯特窗口会对传递探测器的绝对光谱响应率定标产生较大的影响。文中阐述了低温辐射计对传递探测器的传统定标过程;分析定标过程中因布儒斯特窗口及窗口复现导致定标精度降低的原因;提出一种新的定标结构。该结构中低温辐射计和传递探测器安置于同心弧形轨道上,二者通过精密电机的控制可以分时切入定标光路,实现传递探测器相对于低温辐射计的绝对定标。新的定标结构能够完全消除布儒斯特窗口在传递探测器定标过程中的影响,降低测量激光功率约50%的不确定度,可以进一步降低辐射定标溯源基准的不确定度,提高定标的精度。     

大口径红外辐射计的光谱定标

介绍了大口径红外辐射计的光谱定标方法。研制了大口径红外辐射计。该辐射计主要由前置光学系统, 红外探测器(热释电探测器和碲镉汞探测器2～14 μm), 机械斩波器,锁相放大器,信号采集器等组成。首先对大口径红外辐射计的光谱定标方法进行了分析,然后建立红外辐射计光谱定标的测量装置,并分别测试腔体热释电探测器和HgCdTe探测器的响应非线性,最后用腔体热释电探测器在该测量装置上对HgCdTe探测器进行红外光谱响应度校准实验。通过两种相对光谱响应度测量方法的对比,给出多次测量结果的平均值及两种方法的对比分析。分析结果表明,测量系统的不确定度优于3.4%。     

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1.000 25;(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。     

低温辐射计不同结构黑体腔吸收率仿真与实验测量

目前,国际最高光辐射功率基准为低温辐射计,其可探测光谱范围覆盖真空紫外到太赫兹波段(115 nm～T Hz),利用真空低温超导条件下的电替代测量原理,将光辐射功率参数溯源到可以精确测量的电参数进行高精度测量,实现超宽光谱范围的光辐射绝对功率测量,其测量不确定度达到10-5量级,尤其在国防军事和光辐射计量领域,光电有效载...     

Calibration chain design based on integrating sphere transfer radiometer for SI-traceable on-orbit spectral radiometric calibration and its uncertainty analysis

In order to satisfy the requirement of SI-traceable on-orbit absolute radiation calibration transfer with high accuracy for satellite remote sensors,a transfer chain consisting of a fiber coupling monochromator(FBM) and an integrating sphere transfer radiometer(ISTR) was designed in this paper.Depending on the Sun,this chain based on detectors provides precise spectral radiometric calibration and measurement to spectrometers in the reflective solar band(RSB) covering 300–2500 nm with a spectral bandwidth of 0.5–6 nm.It shortens the traditional chain based on lamp source and reduces the calibration uncertainty from 5% to 0.5% by using the cryogenic radiometer in space as a radiometric benchmark and trap detectors as secondary standard.This paper also gives a detailed uncertainty budget with reasonable distribution of each impact factor,including the weak spectral signal measurement with uncertainty of 0.28%.According to the peculiar design and comprehensive uncertainty analysis,it illustrates that the spectral radiance measurement uncertainty of the ISTR system can reach to 0.48%.The result satisfies the requirements of SI-traceable on-orbit calibration and has wider significance for expanding the application of the remote sensing data with high-quality.     

近红外高精度光辐射标准探测器的实验研究

在594nm和785nm两个波长上,用以低温辐射计标定过的陷阱探测器作为基准,对两个响应未知的陷阱探测器进行了绝对标准的传递。为此建立了一种辐射定标的新型测量光路,估算和分析了在光路调整时影响测量精度的关键环节,其中包括光功率传输效率以及光路色散效应的影响。分析了在传递过程中各主要环节的不确定度,总传递不确定度小于0 045%。     

低温辐射计黑体腔吸收率分析

低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统,其光辐射测量不确定度可达10-5量级,目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究,亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量,发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件,并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔,系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素,在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、腔体长度、黑材料漫反射系数、黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。研究结果表明：在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关,且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上,其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5,表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求,后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正;在黑体腔结构和口径确定的情况下,黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高,在40 mm后变化趋缓,并在65 mm后逐渐趋于平衡,考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制,认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适;黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响,随着黑材料漫反射系数的提高,腔体吸收率呈现近似线性下降,所以在选择黑体腔涂黑材料时,在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑;黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中,腔体吸收率提升了0.05个百分点,且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上,表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92;腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响,光线位置越靠近斜底腔顶点处,腔体吸收率越高,但整体吸收率变化不明显,光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点,几乎可以忽略,认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

Characterization of silicon photodiode-based trap detectors and establishment of spectral responsivity scale

Spectral responsivity scale was established at National Metrology Institute of Turkey (UME) between 350 and 850 nm wavelength ranges. The scale is based on UME made reflection type trap detector consisting of three single element silicon photodiodes. Various measurements systems were established in order to make optical characterization of trap detectors like linearity, polarization sensivity, uniformity and spectral responsivity. The absolute responsivity linked to the absolute optical power was obtained using improved laser stabilization optics and electrical substitution cryogenic radiometer system at discrete laser wavelengths. Using physical models for the trap detectors, reflectance and internal quantum efficiency the scale was realized with an expanded uncertainty of 0.05%.