電子科技論文發(fā)表期刊推薦《世界電子元器件》雜志是由信息產(chǎn)業(yè)部主管、全國發(fā)行的月刊。它權(quán)威報道并分析國內(nèi)外電子元器件行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，提供半導(dǎo)體、元器件最新設(shè)計方案，集研發(fā)、應(yīng)用和解決方案為一體，是了解世界電子元器件行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展的重要信息窗口。
　　摘要：為滿足FY-3紫外臭氧垂直探測儀高精度太陽紫外光譜輻照度觀測，開展了整機(jī)角度響應(yīng)特性的研究，建立了一套200nm～400nm角度響應(yīng)定標(biāo)裝置，并基于四階泰勒級數(shù)構(gòu)建了任意入射角度下光譜輻照度響應(yīng)度訂正函數(shù)，在軌數(shù)據(jù)分析表明相對偏差優(yōu)于0.5%。

　　關(guān)鍵詞：紫外,角度響應(yīng),定標(biāo)

　　風(fēng)云三號是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，它進(jìn)入北極上空出陰影后，搭載于其上的紫外臭氧垂直探測儀進(jìn)入太陽模式，儀器漫反射板展開，移入光路，太陽輻射經(jīng)漫反射板進(jìn)入儀器，進(jìn)行太陽紫外光譜輻照度測量。一年四季中，隨著太陽在黃道上的運(yùn)動以及衛(wèi)星的軌道漂移，太陽輻射對漫反射板的入射角在不斷變化，漫反射板雙向反射分布函數(shù)BRDF是入射角度和波長的函數(shù)，紫外臭氧垂直探測儀所使用的鋁制漫反射板在真空中使用可經(jīng)受惡劣的條件，而且性能穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是漫反射朗伯特性稍差，不是理想的朗伯體，隨入射角度的增大，其偏離朗伯特性的程度也逐漸增大，因此，為了提高測量精度，我們不能直接使用余弦定律來獲得各角度下的光譜輻照度響應(yīng)度，而需要標(biāo)定不同入射方向儀器的響應(yīng)并歸一到輻照度響應(yīng)度定標(biāo)時的入射方向，從而建立任意入射角度和任意波長下光譜輻照度響應(yīng)度訂正函數(shù)，在軌時就可以根據(jù)實(shí)際的太陽入射方向進(jìn)行訂正[1-2]。

　　1 角度響應(yīng)測試裝置

　　紫外臭氧垂直探測儀角度響應(yīng)測試裝置如圖1所示，主要由光源、前置光學(xué)系統(tǒng)(選用)和變角轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺裝置等組成。此裝置采用鹵鎢燈和氙燈作為光源，前置光學(xué)系統(tǒng)由一凹面鏡和一平面鏡組成，光源經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)后以平行光照射到鋁漫反射板上，然后進(jìn)入紫外臭氧垂直探測儀的入射狹縫，也可采用光源一定距離處直接照明鋁漫反射板的方式。在光源與儀器距離足夠大的條件下(1000mm)，兩種照明方式經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)偏差不大，可以忽略，美國SBUV/2采用的是光源直接照明前置漫反射板[3-5]，因此我們最終也采用這種方式來標(biāo)定儀器光譜輻照度角度響應(yīng)特性。

　　變角轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺主要由方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、俯仰轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)及其步進(jìn)電機(jī)等組成。測量時，將紫外臭氧垂直分布探測儀固定在俯仰轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺上。變角轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺的方位轉(zhuǎn)動架繞豎直軸轉(zhuǎn)動，俯仰轉(zhuǎn)動架繞水平軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍為±900。臭氧垂直探測儀角度響應(yīng)特性測量裝置使用準(zhǔn)直激光器調(diào)平后，在激光器的指示下裝配臭氧垂直探測儀頭部于二維轉(zhuǎn)臺上，使其前置漫反射板中心與轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心位置重合，期間不可避免帶來了一定的裝調(diào)誤差，為了考察這樣的裝調(diào)誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，我們分別使漫反射板中心與激光器指示中心和指示中心左右4mm位置重合，得到三種裝配條件下臭氧垂直探測儀歸一化輸出值最大偏差1.1%。實(shí)際裝配精度優(yōu)于2mm，估計引入偏差小于1%。

　　程控轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺，得到紫外臭氧垂直探測儀不同入射角度下的光譜輻射響應(yīng)。測試中涵蓋漫反射板所有應(yīng)使用的角度范圍。為了得到不同波長下的定標(biāo)數(shù)據(jù)，鹵鎢燈和氙燈交替使用可以實(shí)現(xiàn)200nm-400nm波段范圍內(nèi)的整機(jī)角度響應(yīng)定標(biāo)。

　　綜合考慮太陽輻射對漫反射板的入射角(α、b)年際變化并留適當(dāng)余量后，給定α變化范圍-4°～+14°，測量間隔2°，b變化范圍12°～39°，測量間隔3°，這里α為太陽光線與衛(wèi)星XY平面的夾角，b為太陽光線與衛(wèi)星軌道平面(即XZ平面)的夾角。

　　2 角度響應(yīng)訂正函數(shù)

　　我們將不同入射角度下儀器響應(yīng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)歸化至輻照度響應(yīng)度定標(biāo)時的正入射方向后，對歸化數(shù)據(jù)進(jìn)行了切比雪夫多項式、非線性高斯函數(shù)和泰勒級數(shù)等擬合函數(shù)的比較，在滿足擬合精度要求的前提下，最終選擇了結(jié)構(gòu)形式較為簡單的泰勒級數(shù)擬合：

　　事實(shí)上紫外臭氧垂直探測儀角度響應(yīng)不僅是入射角度的函數(shù)，而且與入射波長相關(guān)。為了檢驗(yàn)波長對測試結(jié)果的影響，分別使用石英鹵鎢燈和氙燈考察儀器在 254nm、300nm、365nm和400nm波段下各角度下的輸出歸一值，從中發(fā)現(xiàn)整機(jī)角度響應(yīng)特性具有一定的波長依賴性。圖4給出了α=-80，b 變化范圍-20°～ 35°條件下4個波長處的歸一化響應(yīng)值，歸一于α=-80，b=0。由于鋁漫反射板為近似朗伯余弦體，因此同時給出了朗伯余弦體的理想輸出值。由圖可以看到300nm處的角度響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)余弦偏差最小，254nm處的角度響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)余弦偏差最大，365nm和400nm處的值介于兩者之間，實(shí)際定標(biāo)時我們標(biāo)定了200nm、250nm、280nm、310nm、340nm、380nm和400nm 等7個波長的角度響應(yīng)，并分別擬和響應(yīng)函數(shù)，因?yàn)殡S波長變化較為緩慢，中間波長的角度響應(yīng)函數(shù)通過插值獲得。

　　這樣在軌太陽光譜輻照度計算公式如下：

　　式中[E]為太陽光譜輻照度，[V]為儀器輸出信號，[R0]為正入射條件下整機(jī)光譜輻照度響應(yīng)度，[Gfit]為角度訂正函數(shù)。

　　表1給出2013年6月25日第一軌三次太陽12特征波長太陽光譜輻照度測量數(shù)據(jù)，經(jīng)角度響應(yīng)修正后的相對偏差優(yōu)于0.5%，這里不僅包含角度定標(biāo)誤差，還有儀器自身穩(wěn)定性。

　　3 結(jié)束語

　　開展了紫外臭氧垂直探測儀角度響應(yīng)特性研究，建立了整機(jī)角度響應(yīng)定標(biāo)裝置，利用四階泰勒級數(shù)構(gòu)建了角度響應(yīng)訂正函數(shù)，函數(shù)結(jié)構(gòu)形式簡單且擬和殘差很小。通過對7個波長的角度響應(yīng)標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)其隨波長變化較為緩慢，因此采用插值的方法獲得全波段角度響應(yīng)訂正函數(shù)。在軌實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明：包括角度定標(biāo)誤差和整機(jī)穩(wěn)定性的綜合偏差約為0.5%。

　　參考文獻(xiàn)：

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