红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源的研制

1 引 言

在一些特殊领域，对温度计量的要求极为严格，如气象卫星星载黑体温度传感器在轨标定技术。目前我国星载黑体在轨定标精度普遍处于1～1.5 ℃的水平[1]，温度量值在轨定标在准确性上还存在较大的误差。美国NASA针对监测气候变化的重大研究计划中，提出了利用微型相变固定点黑体辐射源实现在轨校准的方案[2]；俄罗斯全俄光学物理测量研究院搭建了小型相变固定点测量装置，为空间站建立在轨温度校准源[3]。固定点在发生相变时，其温度值可以长期处于稳定状态，镓固定点是ITS-90温标中重要的定义固定点，其温度值为29.764 6 ℃[4]。研究表明，镓固定点具有极高的复现性，可以给黑体提供非常稳定可靠的辐射源[5]。中国计量科学研究院利用该特性研制出的星载固定点黑体辐射源进行在轨定标大幅提高了温度量值传递的精度。

本文针对风云三号05星红外高光谱大气探测仪高定量化在轨定标需求展开了星载固定点黑体辐射源的研制。

2 星载固定点黑体辐射源的设计

2.1 黑体辐射源的设计

为了满足星载固定点黑体辐射源在轨定标的高定量化需求，设计了黑体辐射源主体口径为 115 mm，空腔深度182 mm，腔底锥角120°的黑体腔，辐射源整体结构见图1，设计指标见表1。使用基于蒙特卡罗算法的Steep3软件建模，模拟黑体空腔机械结构，计算黑体空腔在波长8～14 μm的发射率结果优于0.996，仿真结果见图2。

图1 黑体辐射源整体设计
Fig.1 Integral design of blackbody radiation source
1—黑体辐射源外壳；2—黑体辐射源主体；3—黑体腔；4—中部温度计阱；5—底部1温度计阱；6—聚四氟乙烯后盖；7—微型固定点位置；8—底部2温度计阱

传统的固定点坩埚由于在尺寸和装灌质量上显得过于冗重，不利于携带与安装。为此，中国计量科学研究院针对微型固定点结构设计并灌注微型镓固定点展开了研究，设计的星载固定点黑体辐射源见图3。图3(a)为灌注好的微型固定点，经实验证明，微型固定点装置灌装高纯镓固定点时，相变温坪的重复性优于0.002 ℃[6]；图3(b)为整机组装实物图；星载固定点黑体辐射源本身不具备降温冷却系统,图3(c)为单独设计水冷板固定在黑体辐射源的外壳上表面，通过水冷板与外部的恒温浴槽接通，对黑体外壳进行恒温控制。

表1 星载固定点黑体辐射源设计指标
Tab.1 Design indexes of blackbody radiation sources with fixed points on satellite

图2 黑体空腔发射率仿真结果
Fig.2 Emissivity results of blackbody cavity simulation

图3 星载固定点黑体辐射源
Fig.3 Blackbody radiation source with fixed points on satellite

2.2 黑体辐射源的热仿真

为了了解黑体辐射源在不同温度下的温度均匀性和不同区域的温度梯度分布，利用Comsol Multiphysicals仿真软件对黑体辐射源进行表面对表面辐射稳态热仿真分析。为了方便计算，建模时将原始模型进行一定的简化。实验环境温度设为 20 ℃，黑体空腔发射率设为0.996，黑体辐射源外壳上表面温度设为10 ℃，黑体腔的边界温度设为17 ℃；网格划分采用细化，细化网格数为114 075。仿真分析得到星载固定点黑体辐射源在17 ℃的三维温度分布和二维剖面温度分布均匀性如图4所示。经过热仿真分析，可以得出黑体辐射源在17 ℃的温度均匀性在0.01 ℃内。

图4 星载固定点黑体辐射源17 ℃仿真结果
Fig.4 Thermal simulation of spaceborne fixed point blackbody radiation source at 17 ℃

2.3 黑体辐射源的测试系统

中国计量科学研究院研制了我国首套真空低背景亮度温度计量标准装置。该装置可以利用液氮冷却来实现低温背景的工作环境，其上的标准黑体的工作温区为190～340 K，满足了我国风云气象微型红外载荷定标黑体的量值溯源需求[7,8]；该套系统可以模拟星载固定点黑体辐射源进行在轨定标作业的真空工作环境。因此，本文选择了在该系统中进行星载固定点黑体辐射源的性能测试。整套测试系统示意图见图5。

图5 星载固定点黑体辐射源测试系统
Fig.5 Test system of blackbody radiation source with fixed point on satellite

3 性能测试

3.1 黑体辐射源的性能测试

星载固定点黑体辐射源的黑体空腔底部和中部的温度计阱中插入了由中科院上海技术物理研究所提供的Pt1000高精度铂电阻温度传感器。该温度传感器校准后的准确度为±0.05 ℃，短期稳定性为±0.02 ℃。分别在黑体空腔的底部对称方向插入2支、在中部插入1支该温度传感器。

黑体的表面贴由中国空间技术研究院承接制造的聚酰亚胺航天级薄膜加热片，选用该加热片是因为其具有双进双出、双路加热的特点；黑体的表面共贴了5片该加热片，其中4片置于侧壁电阻为170 Ω，1片置于底部电阻为200 Ω，5片的连接方式全部采用并联，并联后的总阻值为35.05 Ω。星载固定点黑体辐射源的整体测试过程框图如图6所示。

图6 性能测试框图
Fig.6 Block diagram for performance test

黑体辐射源的性能测试除了发射率的测量，其余几个性能测试均在真空低背景亮度温度计量标准装置中完成。测试实验环境为

真空度：2.5×10-4～5.0×10-4 Pa

真空舱内温度：21～22 ℃

实验温度：-10～40 ℃

结合喀什市色满乡实际，大力发展蔬菜种植业、特色林果业、养殖业，在政策上给予支持，形成支柱产业，发挥产业支撑的保障作用，增强贫困户自我造血的能力［2］。

水冷板控温温度：10 ℃

3.1.1 黑体辐射源的空腔发射率测量

黑体辐射源的有效发射率是辐射测温计量标准中的重要影响因素[9]。对于发射率的测量方法，中国计量科学研究院建立了一套基于控制环境辐射变量的方法测量样品的发射率装置[10]，见图7。星载固定点黑体辐射源在波长8～14 μm的发射率测量分别采用处于大气下的TRT红外辐射传递源和在真空状态下的傅里叶红外变换光谱仪2套设备来进行测量。

图7 基于控制环境辐射测量发射率装置示意图
Fig.7 Schematic diagram of emissivity measurement device based on controlled ambient radiation

测量结果显示:TRT测量10次平均发射率为0.997 4；光谱仪测量结果优于0.998。模拟计算发射率、TRT测量发射率和光谱仪测量发射率3者对比结果见图8。

图8 发射率测量结果对比
Fig.8 Comparison of emissivity measurements

3.1.2 黑体辐射源的均匀性和稳定性测试

黑体辐射源的温度分布均匀性和稳定性均是评价黑体辐射源性能的主要指标。其中黑体辐射源的均匀性主要分为轴向均匀性和靶面均匀性。均匀性的好坏直接会影响到空腔的有效发射率，也会影响到辐射温度计温度溯源的可靠性和准确性[11]。黑体辐射源的稳定性则是在连续测量1个温度点时，黑体辐射源在该段时间内的温度变化值。均匀性的测量主要采用接触测温和非接触测温即辐射测温两种方法。

星载固定点黑体辐射源的均匀性和稳定性的测量采用接触测温法同时进行。黑体辐射源的轴向均匀性可以根据底部和中部的温度计得出，靶面均匀性可以根据底部对称的2支温度计得出。整个测试在真空低背景亮度温度计量标准装置中完成。图9为将黑体辐射源放置真空低背景亮度温度计量标准装置中。

图9 黑体辐射源安装在真空舱中
Fig.9 Blackbody radiation source installed in vacuum chamber

黑体辐射源的均匀性和稳定性测试之前，通过真空舱外的恒温浴槽与贴在黑体辐射源上的水冷板给黑体辐射源降温，保证黑体辐射源中的微型镓固定点处于凝固状态，为相变复现实验做好准备；当微型镓固定点凝固后，将黑体辐射源的外壳温度控制在10 ℃；通过EurothermEPC3004单回路温控表PID控制黑体表面加热片的功率输出，将黑体控制在17 ℃；由Fluke1595A测温电桥测量并采集黑体辐射源底部和中部的温度。测量原理图见图10。

图10 均匀性和稳定性测量原理图
Fig.10 Schematic diagram of axial uniformity and stability measurement

均匀性测量结果为轴向均匀性优于0.02 ℃(TMax,central-TMin,bottom)，靶面均匀性优于0.01 ℃(Tbottom1-Tbottom2)，具体结果见表2。90 min稳定性测量结果见图11，稳定性均优于0.002 ℃。下标“bottom”、“central”分别表示“底部”、“中部”。

表2 17 ℃黑体辐射源均匀性测量结果
Tab.2 17 ℃ blackbody radiation source uniformity measurement results ℃

图11 黑体辐射源17 ℃(90 min内)稳定性
Fig.11 Blackbody radiation source stability of 17 ℃ in 90 minutes

3.1.3 黑体辐射源的亮度温度测试

星载固定点黑体辐射源作为在轨定标的黑体辐射源，可以进行周期性的温度自校准。校准的过程是使用辐射温度计测量星载固定点黑体辐射源的亮度温度进行校准，经过校准的辐射温度计再去测量被测目标。

在实验室测量星载固定点黑体辐射源的亮温是通过傅里叶红外变换光谱仪和190～340 K的标准黑体作为一套红外亮温标准量值传递体系对星载固定点黑体辐射源进行亮温测量[12,13]。测量原理图见图12。

图12 亮温测量原理图
Fig.12 Brightness temperature measurement schematic

星载固定点黑体辐射源的亮温测试选择为17 ℃。使用温控表将星载固定点黑体辐射源控制在17 ℃，黑体辐射源的接触温度传感器测出的温度为17.239 ℃。利用恒温浴槽将标准黑体控制在与星载固定点黑体辐射源相近的温度，标准黑体接触温度为17.247 ℃。通过光谱仪测量标准黑体和星载固定点黑体辐射源的辐射信号，利用OPUS光谱处理软件得出两者辐射信号的比值，在普朗克定律的基础上建立数据处理方程反算出星载固定点黑体辐射源17 ℃在8～14 μm的亮度温度。10次测量结果见图13。

图13 亮度温度测量结果
Fig.13 Measurement results of brightness temperature

由图13可知，星载固定点黑体辐射源在17℃的亮度温度低于实际接触温度。因为黑体不是理想黑体，有效发射率低于1，则黑体辐射源的亮度温度与实际接触温度是不同的[14]。

3.1.4 黑体辐射源的相变温坪复现

星载固定点黑体辐射源安装了4个微型镓固定点，灌注高纯镓总质量105.36 g。

液态镓金属存在很严重的过冷效应。因此，为了确保镓固定点完全凝固，每次进行相变温坪复现实验前，先通过恒温浴槽让黑体辐射源处于-10 ℃的状态下保持10 h；等待镓完全凝固完成后，开始相变温坪复现实验。相变温坪复现实验原理见图14。

图14 相变温坪复现实验原理图
Fig.14 Experimental schematic diagram of phase change temperature plateau reappearance

星载固定点黑体辐射源的整个相变温坪复现实验的加热过程分成两个阶段来完成。

第一阶段是由温控表外部模拟控制直流电源进行PID控制输出。此阶段由温控表内部的PID控制算法控制直流电源的输出功率，从而来进行控温。选择控制温度为29 ℃，等待29 ℃完全稳定后，进行第二阶段恒功率加热控温。经实验观察记录，当29 ℃稳定后，IT6922B直流电源的平均输出功率为7.59 W(输出电压16.5 V，电流0.46 A)。

第二阶段关闭温控表控制的直流电源，改用E3633A直流电源进行恒功率输出。当第一个阶段PID控制29℃稳定时，在IT6922B输出功率的基础上增加一定功率来完成微型镓固定点的相变。为了保证相变复现时间，所增加的功率不能过高。经过计算选择7.59 W的基础上再增加(1±0.1)W的功率进行恒功率加热，即电源输出电压为17.5 V，电流0.496 A，8.68 W的恒功率进行相变温坪复现的第二阶段加热。

本文共进行了4次相变实验。将4次相变实验分成2组，前2次为1组，后2次为1组。为了验证镓固定点长期的稳定性，前2次相变实验和后2次相变实验，中间相隔23天。在通过满足航天应用的力学冲击等实验后，镓固定点的复现性优于0.03 ℃。测试结果见图15。2组实验选择底部1位置的温度计绘制成1张总的曲线图，见图16。

图15 相变复现实验
Fig.15 Phase transition recurrence

拐点值是镓固定点相变完成时的瞬间温度值，对于拐点值如何正确选取一直是一个需要深入研究的问题。对于此，本文分别取相变温坪上的数据和相变结束后的升温数据进行线性拟合，两条拟合直线的交点值即为拐点值[15]。利用此方法分别对4次不同时间(06-08等)相变复现实验进行拐点值选取。拐点值见表3。

表3 拐点值汇总
Tab.3 Inflection point summary ℃

图16 4次不同时间相变实验
Fig.16 Four different time phase transition experiments

4 不同恒功率加热对相变温坪复现时间和拐点值的影响

探究不同加热功率对相变温坪复现时间长短的影响，同时也验证了对星载固定点黑体辐射源上负载的输出功率的控制。不同功率值与相变温坪拐点值之间存在y=kx+b的线性关系[16]。选择功率为8.68，9.48，10.18，10.68 W进行实验，图17为底部1温度传感器不同恒功率加热情况下对相变温坪复现时间和拐点值的分析,其中9.48 W是对功率与拐点线性关系的验证。

表4为不同位置的温度传感器在不同加热功率下的拐点值。

本文在已知加热恒功率值的情况下，对增加功率值和拐点值之间线性关系进行了验证，增加功率值与实验拐点值见表5。

表4 不同恒功率加热功率拐点值
Tab.4 Inflection point of heating power with different constant power ℃

表5 增加功率值与相变温坪复现拐点值
Tab.5 Increasing power value and inflection point value of phase transition temperature plateau

图17 不同恒功率加热的相变复现曲线
Fig.17 Reappearance of phase transitions by heating with different constant power

对表5进行y=kx+b线性拟合，拟合公式为：

y=0.575 1x+29.482

式中：x为增加功率值；y为相变温坪复现拐点温度值。线性拟合因子R2=0.999 7。

同样将9.48 W-7.59 W=1.89 W代入到拟合公式中，得出的拐点值为30.569 ℃；经实验验证，在PID控温29 ℃稳定状态下，使用E3633A增加1.89 W即9.48 W的恒功率加热下，得出的拐点值为30.574 ℃，差值为0.005 ℃。结果表明理论值与实际值基本吻合。

5 结 论

研制的红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源是我国首次将微型固定点运用于星上在轨定标技术中的黑体辐射源。经实验论证，黑体辐射源的发射率优于0.997，均匀性优于0.02 ℃，稳定性优于0.002 ℃(90 min内)，微型镓固定点复现性优于0.03 ℃。

对红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源在基于PID控制29 ℃稳定后输出功率的基础上，再增加用于完成微型镓固定点相变的加热功率和拐点值之间存在较好线性关系的验证。在满足红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源工作环境的条件下，当加热功率越小，相变温坪复现的时间会越长，拐点值也会越接近镓固定点的温度值29.764 6 ℃。红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源的成功研制，对于我国将微型固定点用于星上在轨温度定标和计量溯源有着重大的意义。