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测量样品为两块铝制漫反板与一块HOD漫反板小样,如图1所示,从左到右依次为1号铝制漫反板、2号铝制漫反板与1号HOD漫反板。
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漫反射朗伯特性测量装置示意图如图2所示。使用氙灯作为光源,经平行光管准直和光阑限制光束后,照射漫反板样品,用CAS140 CT-152型光谱仪在固定方向接收信号,测量光谱辐射的相对值。为能调节入射光的角度,漫反板样品与CAS140 CT-152光谱仪的探头都固定在步进电机控制的转台上,转台可控制一个空间维度的角度变化。装置中使用的是反射式的平行光管,黑色挡板将氙灯与光谱仪的探头隔开,减小杂散光对测量的影响。装置搭建过程中,需确保平行光照射在漫夹持器反板中心,并且漫反板夹持器中心与圆形转台中心重合,方能保证在转动过程中平行光始终照射在漫反板中心,同时需保证从漫反板反射的光充满光谱仪探头的视场。以2号铝制漫反板作为测量装置稳定性监测样板,在相对角度0°、10°、−10°、20°与−20°下验证其重复性,漫反射特性测量装置重复性如表1所示,其重复性总波动为1.27%。
Relative angle/(°) Repeatability ratio range Repetitive fluctuation −20 1.0000-1.0062 0.62% −10 1.0045-0.9974 0.71% 0 0.9971-1.0043 0.72% 10 0.9944-1.0033 0.71% 20 0.9935-1.0019 0.74% Total 0.9935-1.0062 1.27% Table 1. Repeatability of the measurement device for diffuse reflection characteristics
漫反射朗伯特性测量实验中,分别对1号铝制漫反板与1号HOD漫反板进行测量,测量时操作步进电机控制转台每间隔5°进行一次测量,测量相对角度范围为−20°~30°,总角度间隔为50°。对实验中的相对角度进行测量,得到相对角度0°对应的实际角度为32°,所以漫反射朗伯特性测量实验中的实际角度为12°~62°。
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图3和图4给出了漫反射特性实验中对1号铝制漫反板和1号HOD漫反板在290~500 nm附近间隔约10 nm处探测器的响应值DN对其各自最大值进行归一化处理后的值。为了更加直观地展现两种漫反板的漫反射朗伯特性,选取290 nm附近数据将图3和图4中12°的归一化响应数值乘以cos(12°),然后将所得的数值与余弦函数作差,得到余弦偏差量,所得结果如图5所示。
由图3、图4中各波长曲线的重合度可知,铝制漫反板的波长依赖性略小于HOD漫反板。由图5中290 nm附近余弦偏差数据可知,HOD漫反板在62°的朗伯特性偏差约为10%,而铝制漫反板的朗伯特性偏差约为40%。图5中,12°下余弦偏差为0%是因为在该角度下进行归一化处理,此朗伯特性偏差结果亦为相对结果,目标在于对两种漫反板的余弦特性进行定性比较分析。结合图3、图4中各波长下的响应曲线的趋势与图5中290 nm附近的余弦偏差不难得出结论:小角度下HOD漫反板与铝制漫反板皆表现出良好的漫反射特性,但大角度下HOD漫反板的方向特性明显优于铝制漫反板,因此HOD漫反板的漫反射朗伯特性明显优于铝制漫反板。
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辐照衰减特性测量装置包括真空紫外辐照装置与反射率测量装置。其中,真空紫外辐照装置由真空紫外模拟光源和无油高真空系统组成。真空紫外模拟光源使用德国联邦物理技术研究院(PTB)标定的氟化镁窗口标准氘灯,其在紫外有较强的光谱强度。无油高真空系统包括干泵、低温泵以及真空室。真空紫外辐照装置如图6所示。
反射率测量装置用来获取漫反板经紫外辐照前后的反射率衰减状况,其简图如图7所示,与漫反射朗伯特性测量装置一样,使用氙灯作为光源,经平行光管准直和光阑限制光束后,照射漫反板样品,用CAS140 CT-152型光谱仪在固定方向接收信号,测量光谱辐射的相对值。反射率测量装置搭建完成后对其进行重复性实验,对采集样品原位、左移、右移与翻转的数据,验证装置的重复性。以2号铝制漫反板作为测量装置稳定性监测样板,其结果如图8所示,测得的反射率测量装置重复性波动小于1.32%。
紫外高光谱探测仪预期在轨工作寿命八年,每月定标一次,每次定标按20 min计算,总辐照时间为32 ESH。根据ASTM E490-00a标准的太阳120~200 nm光谱辐照度数据,太阳紫外光谱与氘灯光谱辐射分布,利用PTB标定的氘灯辐射强度数据可以计算出209 mm位置的光谱辐照度,在120~200 nm氘灯辐照度约等效为太阳辐照度的29.3倍,即氘灯辐照66 min即可达到太阳辐照的真空紫外辐照剂量。
辐照衰减特性测量实验中先用反射率测量装置对1号铝制漫反板和1号HOD漫反板的反射率进行测量,再将漫反板放置在真空紫外辐照装置的真空室中距离标准氘灯209 mm处,使用标准氘灯照射漫反板漫反板样品66 min后取出样品。依次对1号铝制漫反板和1号HOD漫反板进行真空紫外辐照。最后对32 ESH真空紫外辐照后的1号铝制漫反板和1号HOD漫反板再次进行反射率测量。
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图9给出铝制漫反板与HOD漫反板经32 ESH真空紫外辐照前后在仪器探测波段内反射率衰减状况。由铝制漫反板与HOD漫反板经紫外辐照后在290~500 nm的反射率衰减情况可知,在该波段内真空紫外辐照对铝制漫反板和HOD漫反板均有影响,主要表现在紫外波段,且波长越短,影响越大,该波段范围内的最大衰减都在最小波长290 nm处,其中铝制漫反板衰减约10%,HOD漫反板衰减约7.5%。HOD漫反板的紫外辐照衰减总体小于铝制漫反板。石英材料在真空紫外辐照后的衰减主要可能来自其硅氧键的断裂、石英材料所含杂质在真空紫外辐照下的变性或表面污染物附着,对于HOD漫反板而言,一方面其是由高纯度熔融二氧化硅组成,杂质含量极低,因此几乎没有杂质变性的影响;另一方面与以表面为漫射面的铝制漫反板不同,其是以内部微米级小气泡作为散射中心,表面污染物附着对其影响有待进一步考量,而真空紫外辐照下产生硅氧键的断裂在熔融石英内部产生缺陷中心的吸收可能是紫外波段衰减的主要因素。
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漫反射朗伯特性测量装置与反射率测量装置的测量不确定度主要来源与其相对不确定度贡献预估如表2所示,其中角度测量允许0.5°误差,引起不确定度小于0.9%,光谱仪杂散光小于10−4,分配不确定度为0.1%,光谱仪信噪比大于20 dB,贡献不确定度为1%。漫反射朗伯特性测量装置与反射率测量装置测量信号重复性波动分别为1.27%与1.32%,分配不确定度为1.32%。反射率测量装置与漫反射朗伯特性测量装置的合成标准不确定度为2.02%。
Sources of uncertainty Relative uncertainty contribution Xenon lamp stability 0.5% Angle measurement error 0.9% Spectrometer response nonlinearity 0.5% Spectrometer signal-to-noise ratio 1.0% Spectrometer stray light 0.1% Repeatability of measuring device 1.32% Combined uncertainty 2.02% Table 2. Measurement uncertainty of device
Diffuse reflection characteristics measurement of new type spaceborne solar calibration diffuser in ultraviolet band
doi: 10.3788/IRLA20220339
- Received Date: 2022-05-18
- Rev Recd Date: 2022-07-11
- Publish Date: 2023-01-18
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Key words:
- HOD diffuser /
- aluminum diffuser /
- on orbit instrument /
- radiation attenuation /
- diffuse reflection Lambertian characteristics
Abstract: The Lambertian diffuse reflectance characteristics of the spaceborne solar calibration diffuser and its radiation attenuation characteristics directly determine the long-term accuracy and stability of the on-orbit radiation calibration of space remote sensing instruments. In order to effectively improve the on-orbit radiation calibration accuracy of spaceborne ultraviolet hyperspectral detection instruments, based on the introduction of commonly used solar calibration diffuse reflector materials in the field of space remote sensing, a new type of ultraviolet wavelength diffuser material is proposed: high purity opaque fused silica material HOD, and the diffuse reflection Lambertian characteristics and radiation attenuation characteristics of the new high purity opaque Fused silica HOD diffuser and the traditional aluminum diffuser are compared by testing. The results show that after 32 equivalent solar hours (32ESH) of vacuum ultraviolet irradiation, the attenuation of the high purity opaque Fused silica HOD diffuser at the wavelength of 290 nm is 7.5%, which is better than 10% of the traditional aluminum diffuser. And the Lambertian maximum cosine deviation of the traditional aluminum diffuser around 290 nm is about 40%, while the high purity opaque Fused silica HOD diffuser is about 10%. Therefore, the diffuse reflection characteristics of the new high purity opaque Fused silica HOD diffuse reflector in the ultraviolet band are better than those of the traditional aluminum diffuser. The high purity opaque Fused silica hod diffuser has better diffuse reflection Lambertian characteristics and stronger vacuum ultraviolet radiation attenuation characteristics, so it can improve the long-term accuracy of the on-orbit radiometric calibration of space ultraviolet remote sensing instruments.