1 引 言
为深入研究全球环境变化和气候变迁规律,需要精确测量太阳辐照度并长期连续监测其微小变化。卫星上观测太阳辐照度的绝对辐射计,在太阳紫外辐射的照射下,其黑体接收腔的吸收率会下降,影响对太阳辐照度的精确测量及对其微小变化进行长期连续监测。美国太阳活动年任务(SMM)卫星上的测量太阳辐照度的有源腔型辐射计辐照度监测器ACRIMI在其工作的9.75年期间,锥腔吸收率下降0.06%[1],折合每年下降0.006%,欧空局太阳日光层观测器/太阳辐照度变化和引力振动(SOHO/VIRGO)上两种类型的绝对辐射计锥腔吸收率都有不同程度的下降,比利时的DIARAD每天下降0.29×
,瑞士的PMO6每天下降3.34× [2],折合DIARAD每年下降0.01%,PMO6每年下降0.12%。吸收率的下降情况随腔形结构(圆锥腔、倒锥腔、圆柱腔)、涂黑材料以及涂黑层是漫反射或镜反射而有所不同。为了研究紫外辐照对星载太阳辐射监测仪的绝对辐射计锥腔吸收率的影响,进行了实验室模拟测量实验。根据正在研制的风云三号气象卫星上的太阳辐射监测仪[324]在轨道上工作测量太阳辐照度时太阳辐照绝对辐射计(SIARs)[526]接收的紫外辐照量(紫外辐照度mW/cm2×天数),在实验室用相当于卫星寿命期间太阳辐射监测仪被照的紫外辐照量的汞灯紫外光照射锥腔,定期用可同时测量镜、漫反射率的全半球反射比吸收率测量装置测量其吸收率,监测其随时间变化情况。实验结果表明:风云三号卫星太阳辐射监测仪上用的锥腔,在卫星上例行工作一年接收的紫外辐射量,使其吸收率下降0.002%,最大情况下降0.003%。
2 锥腔紫外辐照实验方法
2.1 风云三号卫星太阳辐射监测仪简介
风云三号卫星太阳辐射监测仪由三套相同的宽视场SIARs互成一定角度安装构成[324]。在卫星上把三台绝对辐射计朝向飞行方向安装,在卫星从地球阴影飞出的北极附近,太阳在其视场上扫过的时间内进行太阳辐照度测量[728]。每台绝对辐射计的视场角如图1所示。无遮拦视场(slope angle)为18.4°(太阳光斑全部入射辐射计),半强度视场(opeNIng half angle)为26°(太阳光斑遮拦一半所对应的视场),全视场为34°(这一视场是太阳光刚入射所对应的视场)。
风云三号气象卫星上的太阳辐射监测仪三个通道的光轴位于XOY平面上,分别与卫星X轴成22°、27°、32°夹角,与Z轴垂直,与-Y轴成68°、63°、58°夹角,分别定义为AR1、AR2和AR3通道。太阳辐射监测仪三视场角及其组合排列如图2所示。
太阳辐射监测仪共有三种在轨工作模式:通道自测试模式、太阳辐照度测量模式和冷空间测量模式。卫星进入轨道,仪器加电开机后,自动进入通道自测试模式,然后进入等待状态;当太阳光进入绝对辐射计视场时,开始太阳辐照度测量;可采用冷空间测量来校正仪器的温度与背景辐射[9]。在极轨道太阳同步气象卫星上采用这种测量方法,可以在每一天,每一圈轨道上都能测得太阳辐照度数据。从图2可看出三台绝对辐射计的视场角大部分重叠,在此期间可两台或三台仪器同时测量。在实际应用中,通常采用三台绝对辐射计中两台进行例行测试,另一台定期测量,以便对长期工作的两通道进行稳定性考核,也就是对长期工作接收紫外辐照的两台绝对辐射计的锥腔吸收率变化情况进行考核、校正。
2.2 紫外辐照光源
太阳辐射中短于400 nm的紫外辐射占太阳总辐射量的8.7%,太阳平均总辐照度为136.7mW/,所以紫外辐照量为136.7 mW/×8.7%=12.3 mW/。
风云三号卫星太阳辐照度监测仪在轨运行时锥腔接收太阳光的时间为4 min/轨道圈(101min),即年被照射的累积照射天数为365×4/101?5(天)。
对锥腔进行紫外辐照试验采用的是1 000 W紫外汞灯,在距灯管中心250 mm处的紫外辐照度等于在地球大气层外太阳紫外辐照度的2倍。用上述紫外灯在250 mm处照射(太阳辐射的2倍),因此照射7.5天即相当于一年的照射量。所以三年的照射量需要照射22.5天。试验中每照射10天(相当于在卫星上工作了1.25年)后测量一次观测其反射率的变化。
2.3 测量仪器
绝对辐射计的测量原理是利用光电等效性,锥腔对光的吸收率能否准确测量,直接影响测量光的准确性。不同结构的锥腔及内表面不同的吸收材料都导致锥腔的吸收率有差别,而且很多材料的表面都既不是纯镜反射,也不是纯漫反射,而是两种反射以一定比率的混合。一般的测量装置只是单纯的镜反射或漫反射测量装置,且由积分球开口射出的光没有测量到。我们研制出了一种新型的镜、漫反射率可同时精确测量的新型全半球积分测量装置[10],见图3。用此装置对风云三号卫星太阳辐射监测仪的SIARs绝对辐射计的锥腔反射比随紫外辐照变化情况进行了测量、考核。
光源发出的光线经光阑、凸透镜会聚后入射到半反半透镜,有一半光线被反射进积分球照射到待测锥腔或标准反射板上,光线一部分被吸收,另一部分被待测锥腔或标准白板向四周反射,经积分球ωA立体角(除去入射光开口ωB)的漫射作用被接收器A接收;在开口ωB立体角被反射的光线沿入射光的原路返回到半反半透镜上,透过半反半透镜的光被会聚反射镜收集后被接收器B接收。接收器A和接收器B是采用硅光二极管电流放大输出形式的接收器,标准白板为用硫酸钡制作的反射率大于90%的漫反射平面,光源采用由高精度稳压稳流源供电的100 W卤钨灯,光阑孔径为3 mm,使光源发出的光经过光阑后变为孔径为3 mm的圆形光,经凸透镜会聚后射到半反半透镜,然后被反射进积分球照射到待测锥腔或标准白板上形成直径为6 mm的圆形光,全部落入待测锥腔内。
图3所示的实际测量系统中,入射光的开口对放反射板的中心位置的立体角为ωB,反射板的半球立体角的其余部分的立体角为ωA,也就是ωA+ωB=(2π)半球,即ωA=半球-ωB。在这种系统中实际测量时分两次获得全半球(2π)的反射比因子。
该测量装置测得的锥腔的反射率计算公式为
式中,UA为测待测锥腔时接收器A的输出电压改变量;
USA为测标准白板时接收器A的输出电压改变量;
UB为测待测锥腔时接收器B的输出电压改变量;
USB为测标准白板时接收器B的输出电压改变量;
ρS为标准白板的反射率;
θ为积分球开口半角。
从公式(1)可看出锥腔反射率ρ等于漫反射率(第一项)和镜反射率(第二项)的和。锥腔的吸收率ε=1-ρ。
黑体锥腔的反射比很低(),漫反射标准白板反射比大于90%,因此,它们的反射光强度相差3~4个量级,因此探测器信号输出必须在4个量级以上线性才行。由于所用硅光二极管采用了电流放大,它在6个量级输出信号同光照强度是线性的。但是,为了验证它的线性,用逐步增加中性滤光片来分级降低光强的方法来验证[10]。测量实验结果重复性,从实验结果可以看出在量级,其线性是好的,可以用这个装置测量反射比为10-4量级的黑体锥腔的反射比。
3 实验结果与分析
为了考查风云三号卫星太阳辐照度监测仪中SIARs绝对辐射计圆锥腔在空间太阳紫外光照射下腔吸收率的变化,选择与风云三号SIARs圆锥腔结构、工艺完全相同的三个圆锥腔,进行了紫外光照射老化实验。
在风云三号卫星上用的绝对辐射计圆锥腔前加的主光阑是半球反射型的,所以增加了腔的吸收率。这次老化考核实验的主要目的是为了研究在紫外光照射下腔吸收率的变化情况。整个考核和测量过程中圆锥腔前未加半球型反射主光阑,因此,它的吸收率比风三卫星上用的情况要低(也就是反射比高一些)。
测量结果列入表1。
从测量数据可以看出,在所用的测量装置中,这时锥腔的小两个量级,所以可以用代表半球的反射比。
从三个锥腔的紫外辐照老化情况来看,可以明显看出紫外辐照老化后反射率增加的情况(即吸收率降低)。大约紫外照射60天(相当于在风云三号上工作7.5年)后反射率从1.8×增加到2. 3×,即相当于每年反射率提高÷7.5/.04。这种锥腔加反射半球主光阑(风云三号卫星上用的情况),其反射率为5×以下,这时估算的反射率增加值为,也就是说每年反射率要增加0.002%左右,也就是吸收率每年降低0.002%。
本模拟实验计算时按在轨测量时每一圈轨道有4 min接受太阳光照射,但实际测量模式采样时间是可变的,如果按最长采样时间6 min计算,吸收率变化最大情况就是每年降低0.003%。
4 结 论
紫外辐照老化引起的锥腔吸收率下降,对长期监测太阳辐照度来说是必须考虑的。从本实验可得出紫外辐照对腔的吸收率是有影响的这一点说明结论是肯定的,但由于地面试验条件同卫星在轨工作环境不完全一致,不能完全模拟真实在轨太阳紫外辐照情况:(1)在紫外谱段,太阳光是连续的,汞灯是线谱(253.7 nm、365 nm),(2)地面模拟实验时光源离锥腔较近,辐射加热也加速了锥腔的氧化,所以本次老化试验结果不能作为定量依据。实际在轨测量中保留一个绝对辐射计定期以比对的方法监视例行测量的绝对辐射计变化并进行修正是必要的。SMM采用三个ACR通道:通道A正常工作,通道B一个月工作一次,通道C三个月工作一次,用于比对测量。VIRGO采用两个PMO6和两个DIARAD,一套例行测试,另一套定期工作与其比对,标定例行工作通道的下降情况。为了监测和校正长期监测太阳辐照度的绝对辐射计锥腔的逐步下降情况,风云三号卫星太阳辐射监测仪上配备了三套SIARs:其中两台SIARs进行长期例行测量工作;一台SIARs绝对辐射计作为标准,大部分时间快门关闭不工作,只是定期的同另两个SIARs同时观测太阳,以监测它们的稳定性和吸收率的变化,并对其测量数据进行校正。
从报道的试验结果可以看出,PMO6下降最快,而与它在同一个卫星上的DIARAD下降就小得多,PMO6采用45°倒锥镜反射黑,DIARAD采用漫反射黑,所以有资料认为漫反射黑的抗紫外辐照性能好于镜反射黑,所以美国最近SORCE卫星上的TIM采用把电镀出来的镍磷镜反射黑通过刻蚀的方法变成纯漫反射黑。SIARs的锥腔与ACRIM的类似,只是ACRIM的锥腔是纯镜反射黑,而SIARs的锥腔是镜漫反射混合黑,所以实验结果也比较接近。
本实验反映出紫外辐照对绝对辐射计锥腔的吸收率是有影响的,可为将来的星载太阳辐射监测仪在轨测量和校正提供必要的参考。通过将来的卫星飞行实验的比对实验还可以反过来验证本老化考核实验的符合程度,以便进一步改进地面模拟考核实验的方法与手段,还可以通过实验来指导接收腔的设计工作,以达到最优化。
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作者简介:方 伟(1965-),女,主任设计师,研究员,山东大学光学系本科毕业,中国科学院研究生院博士毕业,从事绝对辐射测量技术、航天光学遥感技术等研究。E2mail:fangw@ciomp.ac.cn
