電子科技論文發(fā)表期刊推薦《世界電子元器件》雜志是由信息產業(yè)部主管、全國發(fā)行的月刊。它權威報道并分析國內外電子元器件行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，提供半導體、元器件最新設計方案，集研發(fā)、應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，開展了整機角度響應特性的研究，建立了一套200nm～400nm角度響應定標裝置，并基于四階泰勒級數(shù)構建了任意入射角度下光譜輻照度響應度訂正函數(shù)，在軌數(shù)據分析表明相對偏差優(yōu)于0.5%。

　　關鍵詞：紫外,角度響應,定標

　　風云三號是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，它進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入太陽模式，儀器漫反射板展開，移入光路，太陽輻射經漫反射板進入儀器，進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受惡劣的條件，而且性能穩(wěn)定可靠，缺點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度，而需要標定不同入射方向儀器的響應并歸一到輻照度響應度定標時的入射方向，從而建立任意入射角度和任意波長下光譜輻照度響應度訂正函數(shù)，在軌時就可以根據實際的太陽入射方向進行訂正[1-2]。

　　1 角度響應測試裝置

　　紫外臭氧垂直探測儀角度響應測試裝置如圖1所示，主要由光源、前置光學系統(tǒng)(選用)和變角轉動二維轉臺裝置等組成。此裝置采用鹵鎢燈和氙燈作為光源，前置光學系統(tǒng)由一凹面鏡和一平面鏡組成，光源經前置光學系統(tǒng)后以平行光照射到鋁漫反射板上，然后進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)，兩種照明方式經實驗檢驗偏差不大，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定儀器光譜輻照度角度響應特性。

　　變角轉動二維轉臺主要由方位轉動機構、俯仰轉動機構及其步進電機等組成。測量時，將紫外臭氧垂直分布探測儀固定在俯仰轉動二維轉臺上。變角轉動二維轉臺的方位轉動架繞豎直軸轉動，俯仰轉動架繞水平軸轉動，轉動范圍為±900。臭氧垂直探測儀角度響應特性測量裝置使用準直激光器調平后，在激光器的指示下裝配臭氧垂直探測儀頭部于二維轉臺上，使其前置漫反射板中心與轉臺的轉動中心位置重合，期間不可避免帶來了一定的裝調誤差，為了考察這樣的裝調誤差對實驗結果帶來的影響，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%。實際裝配精度優(yōu)于2mm，估計引入偏差小于1%。

　　程控轉動二維轉臺，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。測試中涵蓋漫反射板所有應使用的角度范圍。為了得到不同波長下的定標數(shù)據，鹵鎢燈和氙燈交替使用可以實現(xiàn)200nm-400nm波段范圍內的整機角度響應定標。

　　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 角度響應訂正函數(shù)

　　我們將不同入射角度下儀器響應的定標數(shù)據歸化至輻照度響應度定標時的正入射方向后，對歸化數(shù)據進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，最終選擇了結構形式較為簡單的泰勒級數(shù)擬合：

　　事實上紫外臭氧垂直探測儀角度響應不僅是入射角度的函數(shù)，而且與入射波長相關。為了檢驗波長對測試結果的影響，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)整機角度響應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處的角度響應值與標準余弦偏差最小，254nm處的角度響應值與標準余弦偏差最大，365nm和400nm處的值介于兩者之間，實際定標時我們標定了200nm、250nm、280nm、310nm、340nm、380nm和400nm 等7個波長的角度響應，并分別擬和響應函數(shù)，因為隨波長變化較為緩慢，中間波長的角度響應函數(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光譜輻照度響應度，[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，經角度響應修正后的相對偏差優(yōu)于0.5%，這里不僅包含角度定標誤差，還有儀器自身穩(wěn)定性。

　　3 結束語

　　開展了紫外臭氧垂直探測儀角度響應特性研究，建立了整機角度響應定標裝置，利用四階泰勒級數(shù)構建了角度響應訂正函數(shù)，函數(shù)結構形式簡單且擬和殘差很小。通過對7個波長的角度響應標定，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訂正函數(shù)。在軌實測數(shù)據分析表明：包括角度定標誤差和整機穩(wěn)定性的綜合偏差約為0.5%。

　　參考文獻：

　　[1] Young E R， Ciark K C，Bennett R B，et al. Measurements and parameterization of the bidirectional reflectance factor BaS04 paint[J].Applied Optics，1980，32(4)：799-804.

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