一种真空紫外光谱辐射计校准方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测试设备校准技术领域，尤其涉及一种真空紫外光谱辐射计校准方法及装置。

背景技术

通过该真空紫外光谱辐射计校准装置，可以实现对真空紫外光谱辐射计光谱辐射亮度响应度、光谱辐射照度响应度和波长准确度等多参数的校准。

真空紫外光谱辐射计的工作谱段刚好为空间物质成分重要的特征谱段，并且能够同时给出探测目标的真空紫外光谱信息，其具有的优势使得真空紫外光谱辐射计在航天技术迅速进步、空间科学研究空前发展的今天成为了世界各国争相关注的焦点，其屡被发射到太空中用以对地球、太阳系乃至整个宇宙进行观测，通过对这些不同天体目标真空紫外辐射强度和变化的观测，反演出多种物质的含量和变化规律，从而为日地空间环境、空间天气、宇宙起源等许多前沿科学研究提供大量的研究资料和可靠数据。

校准测试是真空紫外光谱辐射计发射前的必不可少的重要环节，是衡量产品能否正常应用的关键。国内目前尚无适用于真空紫外光谱辐射计的校准装置，由于真空紫外波段光能量在大气中存在严重吸收，故而无法在非真空条件下开展相应校准工作，必须提供真空校准环境才能实现真空紫外光谱辐射计的校准。前期其它单位研制的校准装置均在大气条件下的非真空环境中工作，只适用于可见光及红外波段，无法满足针对真空紫外光谱辐射计的校准，同时由于前期研制的校准装置中所用光源、单色分光系统、准直光学系统等分部件无法满足真空紫外波段性能指标要求，也无法实现真空紫外光谱辐射计的校准工作。导致在运载至太空中后才发现问题，严重影响空间探测计划的正常进行。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种发射前即在地面实验室对真空紫外光谱辐射计进行多参数校准的真空紫外光谱辐射计校准方法及装置，通过设计适用于真空紫外波段的真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外匀光系统、真空紫外准直光学系统、标准辐射计以及高真空度无油真空仓，实现对真空紫外光谱辐射计的参数校准。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种真空紫外光谱辐射计校准的方法，所述方法包括：光谱辐射亮度响应度校准、光谱辐射照度响应度校准和/或波长准确度校准，上述校准均是在无油真空仓中进行的，所述高真空度无油真空仓用以为校准装置提供模拟的真空环境，屏蔽外界的杂散光；所述高真空度无油真空仓上有至少一个真空转换插头及真空法兰接口。

本发明的校准方法能够对真空紫外光谱辐射计的多个参数进行校准，包括光谱辐射亮度响应度、光谱辐射照度响应度和/或波长准确度，能够有效保证真空紫外光谱辐射计探测数据的准确性。

真空仓是本发明中的重要部分，由于真空紫外波段光谱能量在大气中会被严重吸收，无法实现光谱能量的有效传输，故而无法实现真空紫外光谱辐射计校准装置的校准功能，导致在大气环境下无法开展真空紫外光谱辐射计的参数校准。因而，真空紫外光谱辐射计校准装置必须处于高真空度的真空环境中才能工作，国外先进计量机构也都是采用该方法，通过高真空无油真空仓系统提供高真空度的真空环境，保证所研制的校准装置能够实现对真空紫外光谱辐射计的校准功能。本发明所述的高真空度无油真空仓在其它校准装置中是没有的。高真空度无油真空仓能够满足一定的真空度要求，真空度可以达到小于9×10^-4Pa，提供洁净的真空环境，保证真空紫外光源发出的真空紫外波段光谱能量顺利传输而不被大气吸收，同时屏蔽红外辐射及可见光辐射等杂光干扰。真空法兰接口能够保证在接口处严格密封，真空仓外部配有各种接口，实现与抽真空系统、电缆和数据线的连接。

进一步地，进行光谱辐射亮度响应度校准时：真空紫外光源发出的光经真空紫外单色分光系统分离出所需波长部分，再由真空紫外匀光系统作匀光处理后，经切换转台将标准辐射计和被校真空紫外光谱辐射计分别对准真空紫外匀光系统，继而实现光谱辐射亮度响应度的校准。

进行光谱辐射照度响应度校准时：真空紫外光源发出光后，将被校真空紫外光谱辐射计对准所述真空紫外光源，根据已知的光谱辐射照度标准值，实现光谱辐射照度响应度的校准。

进行波长准确度校准时：真空紫外光源发出光后，经真空紫外单色分光系统分离出所需波长部分，再由真空紫外准直光学系统准直，对准被校真空紫外光谱辐射计，实现波长准确度的校准。

本发明还提供一种能够实现上述方法的真空紫外光谱辐射计校准装置，所述装置包括光谱辐射亮度响应度校准机构、光谱辐射照度响应度校准机构和波长准确度校准机构。

进一步地，所述光谱辐射亮度响应度校准机构主要包括真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外匀光系统、标准辐射计、被校真空紫外光谱辐射计、切换转台、综合控制系统及软件系统和高真空度无油真空仓，真空紫外光源与真空紫外单色分光系统连接，置于高真空无油真空仓外部，真空紫外单色分光系统与高真空无油真空仓连接；真空紫外匀光系统、标准辐射计、被校真空紫外光谱辐射计和切换转台置于高真空无油真空仓内部，真空紫外匀光系统的入射端对准真空紫外单色分光系统的出射狭缝；标准辐射计和被校真空紫外光谱辐射计固定在切换转台的上表面；紫外单色分光系统的出射狭缝、真空紫外匀光系统入射端、标准辐射计及被校真空紫外光谱辐射计的光轴高度一致；标准辐射计、被校真空紫外光谱辐射计及切换转台通过高真空无油真空仓上的真空转换插头与高真空无油真空仓外部的综合控制系统及软件系统进行电路连接；

所述光谱辐射照度响应度校准机构主要包括真空紫外光源、被校真空紫外光谱辐射计、切换转台、综合控制系统及软件系统和高真空度无油真空仓，真空紫外光源、被校真空紫外光谱辐射计和切换转台置于高真空度无油真空仓的内部；真空紫外光源固定在高真空无油真空仓的一端；被校真空紫外光谱辐射计固定在切换转台6的上表面；真空紫外光源、被校真空紫外光谱辐射计和切换转台通过高真空无油真空仓上的真空转换插头与高真空无油真空仓外的光源控制器模块和综合控制系统及软件系统进行电路连接；

所述波长准确度校准机构主要包括真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、被校真空紫外光谱辐射计、切换转台、综合控制系统及软件系统、高真空度无油真空仓和真空紫外准直光学系统，真空紫外光源与真空紫外单色分光系统连接，置于高真空无油真空仓外的一端，真空紫外单色分光系统与高真空无油真空仓连接；被校真空紫外光谱辐射计、切换转台和真空紫外准直光学系统置于高真空度无油真空仓内部；真空紫外准直光学系统位于靠近真空紫外单色分光系统的一端；被校真空紫外光谱辐射计固定在切换转台的上表面；紫外单色分光系统的出射狭缝、真空紫外准直光学系统及被校真空紫外光谱辐射计的光轴高度一致；被校真空紫外光谱辐射计、切换转台通过高真空无油真空仓上的真空转换插头与高真空无油真空仓外的综合控制系统及软件系统进行电路连接。

进一步地，所述高真空无油真空仓的长度为2米，内径为1米，高真空度无油真空仓上有至少一个真空转换插头及真空法兰接口；真空紫外单色分光系统通过真空法兰接口与所述高真空无油真空仓连接。

进一步地，所述真空紫外光源主要包括：光源模块和控制器模块，所述光源模块内部的氘灯灯芯能够产生120～200nm波段的真空紫外波段光能量，其发光点直径为1mm；所述控制器模块对光源模块进行供电，电流漂移0.05％。

光源模块内部为150W的氘灯灯芯，可以用作校准装置的光源，能够产生真空紫外光辐射，具有高稳定性等特点。

进一步地，所述真空紫外单色分光系统主要包括：真空紫外光栅、扫描旋转机械机构、电机驱动控制机构和光路偏转系统；其中真空紫光栅主要包括：光路折转反射镜、准直反射镜、平面光栅、会聚反射镜、入射狭缝和出射狭缝。

真空紫外单色分光系统用以对所述光源发射的光进行分光处理，将入射的真空紫外的辐射分为单色光，输出所需波长，以进行光谱特性的校准。

进一步地，所述真空紫外匀光系统由两块硬铝半球组合而成，每一块半球内壁具有漫反射表面，并在漫反射表面喷涂有氟化镁材料；所述真空紫外匀光系统的入射端口径为20mm，出射端口径为80mm、球体直径为350mm。

真空紫外匀光系统，用来对单色仪出射的真空紫外光辐射进行光均匀化处理，提供具有朗伯特性的均匀辐射出射面。

进一步地，所述标准辐射计包括：辐射亮度模式和辐射照度模式，所述辐射亮度模式由余弦校正器、探测器、转换器和放大器组成；所述辐射照度模式由遮光筒、光阑、探测器、转换器和放大器组成；辐射照度模式和辐射亮度模式光谱响应范围均为120nm～200nm。

标准辐射计分别提供标准辐射照度值和辐射亮度值，以完成对被校真空紫外光谱辐射计的参数校准。

进一步地，所述真空紫外准直系统由氟化锂透镜组成，其中，透镜焦距为500mm、透镜口径为60mm、透镜第一面曲率半径为1250mm、透镜第二面曲率半径为-1550mm、透镜厚度为15.6mm。

真空紫外准直系统用以对入射光进行准直，口径为60mm的透射式准直光学系统，将出射光束准直后，投射进入待校真空紫外光谱辐射计。

本发明有益效果如下：

采用本发明的真空紫外光谱辐射计校准方法及装置，可在发射前即在地面实验室真空紫外光谱辐射计的多个参数进行校准，能够及时发现真空紫外光谱辐射计有效载荷设计过程中存在的缺陷，减少其研制过程中的反复，节省研制经费，缩短研制周期，避免影响整体进度的顺利开展；同时，由于该校准针对多参数进行，有效保证了真空紫外光谱辐射计获取数据的准确性，对获取太阳和地球表面等日地空间环境的光谱信息等均有着重大意义。本发明设计的真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外匀光系统、真空紫外准直光学系统、标准辐射计以及高真空度无油真空仓能够满足真空紫外波段性能指标要求，实现真空紫外光谱辐射计的校准工作。本发明中光谱辐射亮度响应度测量不确定度U＝13％(k＝2)，光谱辐射照度响应度测量不确定度U＝13％(k＝2)，波长准确度测量不确定度U＝0.1nm(k＝2)。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为真空紫外光谱辐射计校准装置中光谱辐射亮度响应度校准机构的结构示意图。

图2为真空紫外光谱辐射计校准装置中光谱辐射照度响应度校准机构的结构示意图。

图3为真空紫外光谱辐射计校准装置中波长准确度校准机构的结构示意图。

其中：1-真空紫外光源，2-真空紫外单色分光系统，3-真空紫外匀光系统，4-标准辐射计，5-被校真空紫外光谱辐射计，6-切换转台，7-综合控制系统及软件系统，8-高真空度无油真空仓，9-真空紫外准直光学系统。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供一种真空紫外光谱辐射计校准的方法及装置，所述方法包括：光谱辐射亮度响应度校准、光谱辐射照度响应度校准和/或波长准确度校准，上述校准均是在无油真空仓中进行的。所述校准装置包括光谱辐射亮度响应度校准机构、光谱辐射照度响应度校准机构和波长准确度校准机构。

所述光谱辐射亮度响应度校准机构主要包括真空紫外光源1、真空紫外单色分光系统2、真空紫外匀光系统3、标准辐射计4、被校真空紫外光谱辐射计5、切换转台6、综合控制系统及软件系统7和高真空度无油真空仓8，真空紫外光源1与真空紫外单色分光系统2通过真空法兰接口连接，保证在接口处严格密封，置于高真空无油真空仓8外部，真空紫外单色分光系统2通过真空法兰接口与高真空无油真空仓8连接，保证接口处严格密封；真空紫外匀光系统3、标准辐射计4、被校真空紫外光谱辐射计5和切换转台6置于高真空无油真空仓8内部，真空紫外匀光系统3的入射端对准真空紫外单色分光系统2的出射狭缝；标准辐射计4和被校真空紫外光谱辐射计5通过螺纹接口固定在切换转台6的上表面；紫外单色分光系统2的出射狭缝、真空紫外匀光系统3入射端、标准辐射计4及被校真空紫外光谱辐射计5的光轴高度一致；标准辐射计4、被校真空紫外光谱辐射计5及切换转台6通过高真空无油真空仓8上的真空转换插头与高真空无油真空仓8外部的综合控制系统及软件系统7进行电路连接，真空无油真空仓8内所用连接线均为真空屏蔽线。

在光谱辐射亮度响应度校准过程中：

真空紫外光源1，用以实现120nm～200nm波段范围光源的输入；

真空紫外单色分光系统2，用以对光源发射的光进行分光处理，输出所需波长，其中焦距0.67m、F数4.7、光栅尺寸110mm×110mm、波长准确度±0.05nm、波长重复性±0.005nm；

真空紫外匀光系统3用以均匀光源，其通过对光进行多次漫反射，形成均匀的辐射面；

标准辐射计4，用以为光谱辐射亮度响应度的校准提供参考标准，其通过国际权威计量机构进行量值传递，得到标准辐射计的光谱辐亮度响应度；在探测器前安装余弦校正器即为辐射照度模式，在探测器前安装遮光筒和光阑即为辐射亮度模式；辐射照度模式和辐射亮度模式光谱响应范围均为120nm～200nm；

切换转台6，用以实现被校真空紫外光谱辐射计5与标准辐射计4的切换。所述切转换台为适用于真空环境的二维转台，二维转台用来放置被校的真空紫外辐射计和标准辐射计，实现二者之间的相互切换。二维转台需要进行特殊的真空化设计处理，具体为二维转台所用电机均应选用真空电机，满足9×10^-4Pa真空条件下的使用要求；二维转台内部的轴承、涡轮蜗杆表面需涂抹真空硅脂，不得使用真空条件下易挥发的润滑油，防止影响真空仓内的真空度以及洁净度；二维转台的电路连接线，需采用真空屏蔽线，防止真空条件下的高压放电现象的发生；所述切换转台具体参数为转台直径500mm、转台承重100KG、转台重复定位精度0.01°、转动范围360°；

综合控制系统及软件系统7包括：工业控制计算机、数据采集电路、综合控制器及系统软件等，综合控制系统用来对各个分系统进行控制与数据采集，包括对分光系统中光栅的转动、真空紫外标准辐射计与被校真空紫外光谱辐射计的切换、数据的采集和捕获等，并根据软件中的数学模型进行分析处理，输出参数校准结果，绘制校准曲线，并提供对整个系统的供电；综合控制系统及软件系统数据采集速率500KS/s、采集精度16位、采集量程±10V；

高真空无油真空仓8，用以为校准装置提供模拟的真空环境，屏蔽外界的杂散光，提高参数校准准确度，高真空度无油真空仓8包含真空转换插头6个、真空法兰接口5个、工作功率1000W、仓内洁净度100级。

在对被校真空紫外光谱辐射计5的光谱辐亮度响应度参数进行校准时，首先开启真空紫外光谱辐射计校准装置，将高真空无油真空仓8进行抽真空，达到预定的真空状态，点亮校准装置中的真空紫外光源1，将标准辐射计4移入光路中，对准真空紫外匀光系统3的出口处，通过综合控制系统及软件系统7读取标准辐射计4在不同波长位置的响应信号值；控制切换转台6转动，将被校真空紫外光谱辐射计5移入光路中，对准真空紫外匀光系统3的出口处，通过综合控制系统及软件系统7读取被校真空紫外光谱辐射计5在不同波长位置的响应信号值。

光谱辐亮度响应度校准原理如下：

假定到达被校真空紫外光谱辐射计5的单色光谱辐射量为H(λ)，被校真空紫外光谱辐射计5的输出信号V₁(λ)正比于：

V₁(λ)＝c·H(λ)·S_T(λ)>

式中，c是常数。然后把被校真空紫外光谱辐射计5切换成标准辐射计4，标准辐射计4的输出信号V₂(λ)为：

V₂(λ)＝c·H(λ)·S_B(λ)>

式中，S_B(λ)为标准辐射计4的光谱响应度，从式(1)和式(2)可以得到被校真空紫外光谱辐射计5的光谱辐亮度响应度S_T(λ)为：

所述光谱辐射照度响应度校准机构主要包括真空紫外光源1、被校真空紫外光谱辐射计5、切换转台6、综合控制系统及软件系统7和高真空度无油真空仓8，真空紫外光源1、被校真空紫外光谱辐射计5和切换转台6置于高真空度无油真空仓8的内部；真空紫外光源1固定在高真空无油真空仓8的一端；被校真空紫外光谱辐射计5通过螺纹接口固定在切换转台6的上表面；真空紫外光源1、被校真空紫外光谱辐射计5和切换转台6通过高真空无油真空仓8上的真空转换插头与高真空无油真空仓8外的光源控制器模块和综合控制系统及软件系统7进行电路连接，真空无油真空仓8内所用连接线均为真空屏蔽线。

在光谱辐照度响应度校准过程中：

真空紫外光源1，其通过国际权威计量机构进行量值传递，得到在一定距离处的标准辐照度值，通过真空紫外光源1用以实现120nm～200nm波段范围一定距离处标准光谱辐照度的输入；

被校真空紫外光谱辐射计5在一定距离处对准真空紫外光源1，接收真空紫外光源1的光谱能量；

切换转台6，用以实现调节被校真空紫外光谱辐射计5与真空紫外光源1的光轴对准；所述切换转台6的结构和参数与光谱辐射亮度响应度参数校准装置相同；

综合控制系统及软件系统7及高真空无油真空仓8的作用与光谱辐射亮度响应度参数校准装置中的作用相同。

在对被校真空紫外光谱辐射计5的光谱辐照度响应度参数进行校准时，首先开启真空紫外光谱辐射计校准装置，将高真空无油真空仓8进行抽真空，达到预定的真空状态，点亮校准装置中的真空紫外光源1，控制控制切换转台6转动，将被校真空紫外光谱辐射计5对准真空紫外光源1的，通过综合控制系统及软件系统7读取被校真空紫外光谱辐射计5在不同波长位置的响应信号值，实现光谱辐照度响应度校准。

光谱辐照度响应度校准原理如下：

假定到达被校真空紫外光谱辐射计5的单色光谱辐射量为H(λ)，被校真空紫外光谱辐射计5的输出信号为V(λ)，其中，H(λ)是可以在权威计量机构校准准确得到的，通过公式(4)计算得到被校真空紫外光谱辐射计5的光谱辐照度响应度S(λ)为

所述波长准确度校准机构主要包括真空紫外光源1、真空紫外单色分光系统2、被校真空紫外光谱辐射计5、切换转台6、综合控制系统及软件系统7、高真空度无油真空仓8和真空紫外准直光学系统9，真空紫外光源1与真空紫外单色分光系统2通过真空法兰接口连接，置于高真空无油真空仓8外的一端，真空紫外单色分光系统2通过真空法兰接口与高真空无油真空仓8连接；被校真空紫外光谱辐射计5、切换转台6和真空紫外准直光学系统9置于高真空度无油真空仓8内部；真空紫外准直光学系统9位于靠近真空紫外单色分光系统2的一端；被校真空紫外光谱辐射计5通过螺纹接口固定在切换转台6的上表面；紫外单色分光系统2的出射狭缝、真空紫外准直光学系统9及被校真空紫外光谱辐射计5的光轴高度一致；被校真空紫外光谱辐射计5、切换转台6通过高真空无油真空仓8上的真空转换插头与高真空无油真空仓8外的综合控制系统及软件系统7进行电路连接，真空无油真空仓8内所用连接线均为真空屏蔽线。

在波长准确度校准过程中：

真空紫外光源1，与光谱辐射亮度响应度参数校准装置中的作用相同；

真空紫外单色分光系统2，用以对光源发射的光进行分光处理，输出所需波长，其参数与光谱辐射亮度响应度参数校准装置相同；

被校真空紫外光谱辐射计5在一定距离处接收平行光，接收特定波长的光谱能量；

切换转台6，用以实现调节被校真空紫外光谱辐射计5与平行光的光轴对准；所述切换转台6的结构和参数与光谱辐射亮度响应度参数校准装置相同；

综合控制系统及软件系统7及高真空无油真空仓8的作用与光谱辐射亮度响应度参数校准装置中的作用相同；

真空紫外准直光学系统9，用以实现对光进行准直处理，形成平行光。

在对被校真空紫外光谱辐射计5的波长准确度参数进行校准时，首先开启真空紫外光谱辐射计校准装置，将高真空无油真空仓8进行抽真空，达到预定的真空状态，点亮校准装置中的光源氘灯1，开启真空紫外单色分光系统2，用以对光源发射的光进行分光处理，输出所需特定波长，真空紫外准直光学系统9，对特定波长光进行准直形成平行光，将被校真空紫外光谱辐射计5移入光路中并对准平行光光轴，通过综合控制系统及软件系统7读取被校真空紫外光谱辐射计5的波长测量结果，通过综合控制系统及软件系统7后续处理，得到被校真空紫外光谱辐射计5的波长校准结果。

被校真空紫外光谱辐射计5波长测量结果为λ_i，真空紫外光谱辐射计校准装置设置的标准波长为λ_c，则波长准确度校准结果为：

λ_ω＝λ_i-λ_c>

本发明中光谱辐射亮度响应度测量不确定度U＝13％(k＝2)，光谱辐射照度响应度测量不确定度U＝13％(k＝2)，波长准确度测量不确定度U＝0.1nm(k＝2)。

综上所述，本发明实施例提供了一种发射前即在地面实验室对真空紫外光谱辐射计进行多参数校准的真空紫外光谱辐射计校准方法及装置，通过设计适用于真空紫外波段的真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外匀光系统、真空紫外准直光学系统、标准辐射计以及高真空度无油真空仓，实现对真空紫外光谱辐射计的参数校准。采用本发明的真空紫外光谱辐射计校准方法及装置，可在发射前即在地面实验室真空紫外光谱辐射计的多个参数进行校准，能够及时发现真空紫外光谱辐射计有效载荷设计过程中存在的缺陷，减少其研制过程中的反复，节省研制经费，缩短研制周期，避免影响整体进度的顺利开展；同时，由于该校准针对多参数进行，有效保证了真空紫外光谱辐射计获取数据的准确性，对获取太阳和地球表面等日地空间环境的光谱信息等均有着重大意义。本发明设计的真空紫外光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外匀光系统、真空紫外准直光学系统、标准辐射计以及高真空度无油真空仓能够满足真空紫外波段性能指标要求，实现真空紫外光谱辐射计的校准工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。