CN109708750A

CN109708750A - 空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统

Info

Publication number: CN109708750A
Application number: CN201811509021.0A
Authority: CN
Inventors: 彭吉龙; 于钱; 聂翔宇; 易忠; 田东波; 张凯; 马子良; 冯桃君
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明公开了一种适用于空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，该系统中，光源发出的光经过单色仪入射到真空系统中的匀化光学系统，形成准直均匀光束，入射到漫反射板上，漫反射板两侧设置标准探测器和电离层远紫外探测器，漫反射后的光线分别进入标准探测器和电离层远紫外探测器，通过数据采集系统获得数值结果，电离层远紫外探测器的计数值结果与光谱辐亮度瑞利值的比值，即获得电离层远紫外探测器的灵敏度。本发明的标定系统，结构简单，容易搭建，且能够减小远紫外光的能量损失，提高出射光线的均匀性，提高了光谱辐亮度瑞利值标值测试结果的准确性。

Description

空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统

技术领域

本发明属于空间电离层探测技术领域，具体来说，本发明涉及一种空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统。

背景技术

通常，无线电信号在地球电离层(地球电离层是指：太阳电磁辐射照射到大气，使某一层大气部分电离，形成离子和电子的形式，主要位于距地面60km至约450km的高度之间，全球覆盖)传播时，路径会发生弯曲，传播速度也会变化，这将减弱无线电信号的传播效果。而电离层对无线电信号的影响主要来自于地球电离层的电子总含量，表现在电离层折射效应引起的延迟带来的误差。电离层对于卫星通讯、GPS导航等方面有着重要影响。比如，对于GPS信号，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响可达5m，而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，能达到150m的延迟误差。

国外IMAGE、TIMED以及COSMIC等卫星实验，证实了电离层中的O⁺与电子的复合过程产生的135.6nm夜气辉与电离层电子浓度有关，因此135.6nm夜气辉光探测有助于研究夜间电离层结构变化,进而对电离层对卫星通讯、GPS导航等方面的影响进行预判，减少损失。

在电离层高度，除原子氧135.6nm的夜气辉外，还存在130.4nm、120.6nm的远紫外辐射，以及200nm以上的散射光。现有电离层遥感探测仪器有一类是电离层远紫外探测器，采用单反射镜加能量探测器的方式，实现对电离层总电子含量的探测。电离层远紫外探测器设计的目标是抑制130.4nm及以下的短波辐射和200nm以上的长波辐射，并在135.6nm处获得高的灵敏度。光谱响应是电离层远紫外探测器最重要的性能指标，定标测试是电离层远紫外探测器研制的重要一环，是产品科学性和数据有效性的保障，是数据分析和应用的依据。

发明内容

为了能够方便、可靠实现电离层远紫外探测器灵敏度的标定，本专利采用在真空环境下光源出射光谱设定、出射光线准直匀化及光谱辐亮度标值测试方法的设计，实现空间电离层远紫外探测器灵敏度的标定。基于此，本发明的目的在于提供一种空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，旨在提高空间电离层远紫外探测器灵敏度标定的准确性。

本发明采用了如下的技术方案：

空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，包括光源、单色仪、真空系统、匀化光学系统、标准探测器、标准探测器数据采集系统、电离层远紫外探测器、电离层远紫外探测器数据采集系统、光阑和漫反射板，其中，光源发出的光经过单色仪入射到真空系统中，在真空系统中进入匀化光学系统形成准直均匀光束，并入射到漫反射板上，漫反射板入射光线的两侧上对称设置标准探测器和电离层远紫外探测器，一侧漫反射后的光线经过光阑进入标准探测器中，标准探测器数据采集系统获得电压值结果，根据电压值计算获得光谱辐亮度瑞利值结果，另一侧漫反射后的光线进入电离层远紫外探测器，电离层远紫外探测器数据采集系统获得计数值结果，电离层远紫外探测器的计数值结果与光谱辐亮度瑞利值的比值，即获得电离层远紫外探测器的灵敏度。

其中，匀化光学系统采用离轴两反光学结构，由一片平面反射镜和一片非球面反射镜构成，获取准直均匀光束，在反射镜面上镀制远紫外高反射率膜层。

其中，标准探测器前设置光阑，用于形成固定立体角。

其中，光阑采用遮光筒形式，为一带孔的圆筒，由标准探测器测量结果，计算获取光谱的辐亮度瑞利值标值。

其中，标准探测器及电离层远紫外探测器依照漫反射板法线对称放置，标准探测器和电离层远紫外探测器的通光孔朝向漫反射板，与漫反射板法线夹角小于30°。

本发明的标定系统，结构简单，容易搭建，且能够减小远紫外光的能量损失，提高出射光线的均匀性，提高了光谱辐亮度瑞利值标值测试结果的准确性，即提高了电离层远紫外探测器灵敏度标定的准确性。本发明不需要在电离层远紫外探测器标定过程中进行位移操作，降低了标定过程操作难度，减少标定过程中位移操作可能产生的测量误差，提高了电离层远紫外探测器灵敏度标定的准确性。

附图说明

图1是空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统示意图。其中：11-光源，12-单色仪，13-真空系统，14-匀化光学系统，15-标准探测器，16-标准探测器数据采集系统，17-电离层远紫外探测器，18-电离层远紫外探测器数据采集系统，19-光阑，110-漫反射板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统进行详细说明，这些具体实施方式仅用来示例本发明，并不旨在对其保护范围进行任何限制。

参见图1，图1显示了空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统示意图。其中，包括光源11、单色仪12、真空系统13、匀化光学系统14、标准探测器15、标准探测器数据采集系统16、电离层远紫外探测器17、电离层远紫外探测器数据采集系统18、光阑19和漫反射板110，其中，光源11发出的光经过单色仪入射到真空系统13中，在真空系统13中进入匀化光学系统14形成准直均匀光束，并入射到漫反射板110上，漫反射板110入射光线的两侧上对称设置标准探测器15和电离层远紫外探测器17，一侧漫反射后的光线经过光阑19进入标准探测器15中，标准探测器数据采集系统16获得电压值结果，根据电压值计算获得光谱辐亮度瑞利值结果，另一侧漫反射后的光线进入电离层远紫外探测器17，电离层远紫外探测器数据采集系统18获得计数值结果，电离层远紫外探测器17的计数值结果与光谱辐亮度瑞利值的比值，即获得电离层远紫外探测器的灵敏度。具体而言，光源11，本系统采用120W氘灯，主要辐射波长范围在115nm～400nm，光谱能量集中在120nm～200nm的波段范围；单色仪12，本系统采用真空紫外单色仪，用于选择电离层远紫外探测器探测的波长；真空系统13，由真空舱体及抽气系统组成，用于提供真空度优于10^-3Pa的真空环境；匀化光学系统14，由一片平面反射镜和一片非球面反射镜构成，对于单色仪出光进行准直匀化，形成平行的光束，对于远紫外光反射率优于50％；标准探测器15，选用硅光电二极管；标准探测器数据采集系统16，采用电流表，电流读数精度优于10fA；电离层远紫外探测器17，需要标定的产品；电离层远紫外探测器数据采集系统18，采用计数器，计数率优于10MHz；光阑19，采用遮光筒形式，为一个带孔的圆筒，用于形成固定立体角，实现标准探测器测试结果到光谱辐亮度瑞利值结果的转换；漫反射板110，适用波段115nm～400nm，用于形成均匀漫反射光。

本发明的系统进行操作时，首先将标准探测器15与电离层远紫外探测器17对称放置于漫反射板110法线的两侧，标准探测器15和电离层远紫外探测器17的通光孔朝向漫反射板110，其与漫反射板法线夹角小于30°；开启真空系统13，使舱内气压小于6×10^-3Pa；开启光源11，预热至少20min，使光源光辐射稳定；调整单色仪12，使单色仪出光波长为需要测试的远紫外波长；开启标准探测器数据采集系统16和电离层远紫外探测器数据采集系统18。

光源11的光经过单色仪12配套的汇聚镜将光源11的光能量汇聚在单色仪12的入射狭缝处，再经过单色仪12内的光栅进行衍射分光，在单色仪12出射狭缝处得到所选远紫外波长的光；

从单色仪12出射的光，经过匀化光学系统13，形成准直的均匀光束，照射到漫反射板110上；经过漫反射板110的朗伯反射，形成均匀漫反射光；一侧漫反射光通过光阑19后，到达标准探测器15，由标准探测器数据采集系统16获得测量的电压值；另一侧漫反射光到达电离层远紫外探测器17，由电离层远紫外探测器数据采集系统18，获得测量的计数值；

标准探测器15测试结果可以通过公式(1)计算转换为光谱辐亮度瑞利值。

其中：

λ—入射光线波长(μm)；

U_λ—标准探测器测量值(V)；

R_k—标准探测器跨阻(Ω)；

R_A(λ)—标准探测器波长λ响应度(A/W)；

S—加光阑后探测器有效面积(m²)；

Ω—标准探测器光阑立体角(sr)。

标准探测器15与电离层远紫外探测器17对称放置于漫反射板110法线的两侧，标准探测器15测得的光谱辐亮度瑞利值，可以作为电离层远紫外探测器17的光谱辐亮度瑞利值，电离层远紫外探测器数据采集系统18测得的计数值结果与光谱辐亮度瑞利值的比值，即可获得电离层远紫外探测器17的灵敏度结果。

区别于已有标定方法，本发明中采用在标准探测器15前设置光阑19的方式，形成固定立体角，使得匀化光学系统出射的准直均匀光束经漫反射板反射后，可由标准探测器15的测量结果，经公式(1)获取光谱的辐亮度瑞利值。已有标定方法，无光阑19，其利用公式(2)获取光谱的辐亮度瑞利值。

其中：

λ—入射光线波长(μm)；

U—标准探测器测量值(V)；

R_k—标准探测器跨阻(Ω)；

R_A(λ)—标准探测器波长λ响应度(A/W)；

S—标准探测器有效面积(m²)；

R(λ)—漫反射板的反射率；

BRDF(λ)—漫反射板双向漫反射函数(sr^-1)。

其中漫反射板110的反射率R(λ)的测量不确定度达到3％，漫反射板双向漫反射函数BRDF(λ)的测量不确定度达到6％。而光阑19引入的不确定度主要由光阑19尺寸测量误差引入，根据三坐标测量仪的测量不确定度可知，尺寸偏差不超过±0.008％，由此引入的不确定度为0.032％，减少了光谱的辐亮度瑞利值的测量误差，即减小了灵敏度标定误差。

区别于已有标定方法，本方法使用的匀化光学系统14，采用离轴两反光学结构方式，代替单镜透射式光学结构。单镜透射式光学系统的远紫外光透过率通常低于40％，本方法匀化光学系统14远紫外光通过率优于50％，能够减小远紫外光的能量损失；单镜透射方式会使光线产生色散，两反光学结构设计可以消除光线色散，本方法匀化光学系统14可以提高出射光线的均匀性，减小光谱的辐亮度瑞利值的测量误差，即减小了灵敏度标定误差。

区别于已有标定方法，本发明采用标准探测器15前设置光阑19的方式及标准探测器15与电离层远紫外探测器17对称安装的方式，在电离层远紫外探测器17灵敏度标定过程中不需要进行位移操作。已有标定方法，首先将标准探测器15转至匀化光学系统14出射光区域，获得测量结果后，将漫反射板110转至匀化光学系统14出射光区域，获取电离层远紫外探测器17测量结果。由转台定位精度误差产生的测量不确定为1.1％，本发明标定方法消除了由此带来的灵敏度标定误差。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims

1.空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，包括光源、单色仪、真空系统、匀化光学系统、标准探测器、标准探测器数据采集系统、电离层远紫外探测器、电离层远紫外探测器数据采集系统、光阑和漫反射板，其中，光源发出的光经过单色仪入射到真空系统中，在真空系统中进入匀化光学系统形成准直均匀光束，并入射到漫反射板上，漫反射板入射光线的两侧上对称设置标准探测器和电离层远紫外探测器，一侧漫反射后的光线经过光阑进入标准探测器中，标准探测器数据采集系统获得电压值结果，根据电压值计算获得光谱辐亮度瑞利值结果，另一侧漫反射后的光线进入电离层远紫外探测器，电离层远紫外探测器数据采集系统获得计数值结果，电离层远紫外探测器的计数值结果与光谱辐亮度瑞利值的比值，即获得电离层远紫外探测器的灵敏度。

2.如权利要求1所述的空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，其中，匀化光学系统采用离轴两反光学结构，由一片平面反射镜和一片非球面反射镜构成，获取准直均匀光束，在反射镜面上镀制远紫外高反射率膜层。

3.如权利要求1所述的空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，其中，标准探测器前设置光阑，用于形成固定立体角。

4.如权利要求1所述的空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，其中，光阑采用遮光筒形式，为一带孔的圆筒，由标准探测器测量结果，计算获取光谱的辐亮度瑞利值标值。

5.如权利要求1所述的空间电离层远紫外探测器灵敏度标定系统，其中，标准探测器及电离层远紫外探测器依照漫反射板法线对称放置，标准探测器和电离层远紫外探测器的通光孔朝向漫反射板，与漫反射板法线夹角小于30°。