摘 要: 基于对 FY-3 紫外臭氧垂直探测仪( SBUS) 106动态范围线性测量的需求，提出了一种将中性减光片法和双光阑法相结合的思路，两者相互弥补，得出了 SBUS 整个动态范围的线性度，并进行了非线性修正。不确定度析得出该方法的合成标准不确定度为 0. 44%，而传统的距离平方反比定律法对于 103-104动态范围的合成标准不确定度为 0.62% ，证明了该方法对于大动态范围光电探测器系统线性测量的有效性和优越性。
0 引 言
光电探测器系统对入射光强响应的线性是光电探测系统的重要参量之一，其测量方法有距离平方反比定律法、中性减光片法、偏振片法、比尔衰减法及双光阑法等[1]。
距离平方反比定律法是通过改变光源至光电探测系统入射光瞳的距离定量改变光强，测量系统的输出，考察系统的线性。该方法比较经典，且直观有效。由于环境杂光影响及精密导轨长度所限，所检验的动态范围一般只有103-104。
通常单个单色仪的杂光水平为 10-3，通过中间狭缝串接在一起的双单色仪则可达 10-6左右。SBUS 即是一台光栅双单色仪，其电子学系统的最小量化信号到满量程最大信号间有 106量级的动态范围，因此在定标过程中要考察整个动态范围内的线性，距离平方反比定律法则不太适用，采用中性减光片法和双光阑法相结合可以实现单色仪入射信号106动态范围的变化。
1 测量原理
中性减光片法通过更换透过率已知的中性减光片达到逐步衰减入射光强，测量系统的输出进而考察其线性。该方法对距离、前置光学系统及待测系统的安放等均没有严格的要求，一旦光源达到稳定状态即可开始测试，且受环境杂光影响小。但需精确测量所用中性减光片的透过率，且实验室中一般只配备几片减光片，因此该方法通常不单独运用。双光阑法根据非相干光的叠加原理，分别测量光阑 A、光阑 B 及光阑 A+B 打开时整个系统的输出A'、B' 及( A + B) '，若( A + B) ' = A' + B'，则系统在( A'+ B') /2 处是线性的，若( A + B) ' ≠ A' + B'，则系统在此点非线性[2—5]。系统的线性度为
改变光源强度，扩大测量范围，测得一组不同辐射通量下的线性度 Ll，L2，…，Ln。在线性区域内令某点( A + B) 'k处非线性修正系数 k= 1，并以此归一化，则任意点( A + B) 'm处的非线性修正系数 Cm为
由这些非线性修正系数和相应的输出信号值，通过线性内插得到一条非线性修正系数曲线。该方法简单、精确，广泛用于光度、辐射及光谱仪器系统线性度检测，美国 SBUV 和 SBUV/2 即采用此方法检测其线性度[6]，但其直接依赖于光源的动态范围。
SBUS 光电倍增管的 2 个增益高压 900V 和1500V 可实现 102动态范围，其余14动态范围则由107/108/109三档输出电流放大器实现，2 档增益高压及 3 档电流放大器间一共有 6 种组合，对应 6 种档位。标称透过率为 10%、1%、0. 1%、0. 01% 的 4片中性减光片可实现信号 104量级的衰减，加上光源自身 20 倍以上及双光阑 5 倍左右，总的入射信号改变达到 106，满足 SBUS 线性测量的先决条件。对于光源某一个信号下，通过加入对应的中性衰减片，用双光阑法给出整个动态范围内 6 个点的线性情况。逐步调节光源电流，重复以上步骤，实现 106整个动态范围的线性测试。
2 测量装置
测量装置如图 1 所示。高稳定性石英卤钨灯置于石英透镜 1 的前焦点处，其发射光线经该透镜准直后依次通过中性减光片、双光阑屏和石英透镜 2成像在 SBUS 入射狭缝上，经光栅双单色仪分光后被光电倍增管接收，输出电信号经计算机采集与处理显示为相应的电压值。激光器用于调节和校准光路。石英卤钨灯由高稳定性电源供电，通过改变卤钨灯的电流可以改变其光强。4 片中性减光片固定在有 6 孔的减光片轮中，另外 2 孔一个全通一个全闭，全通孔可以看作衰减片透过率为 1，全闭孔用来挡直射光从而给出暗背景信号，通过磁钢霍尔定位保证每次旋入光路的为指定孔。双光阑固定于石英透镜 2 上，左右滑动依次为光阑 A、A + B、B。
3 测量过程及实验结果
将 SBUS 置于 900V107档，减光片轮通孔旋入光路，双光阑开口为 A+B，调节卤钨灯电流使 SBUS读出值为 9V 左右，卤钨灯稳定半小时，用双光阑法检测该点的线性。旋入标称透过率为 10% 的减光片，SBUS 档位升至 900V108，再用双光阑法检测线性。依次旋入 1%、0. 1% 和 0. 01% 的减光片，SBUS档 位 相 应 升 为 900V109( 1500V107) 、1500V108、1500V109档，其中 900V109( 1500V107) 代表此两档对应相同的减光片，这样对于卤钨灯同一个电流可以测出整个动态范围内 6 个点的线性。逐步衰减卤钨灯电流，重复以上步骤，得到 SBUS 整个动态范围的离散线性如图 2 所示。
由图可知，SBUS 的高档位测的是小信号，各档位基本处于一条直线上。由放大图看到 1500V109档在大信号下出现非线性，1500V107、900V109、900V108三档之间存在轻微的线性偏离。对各档位分别进行曲线拟合，其中 1500V109档为三次多项式拟合，其它档均为线性拟合。取线性度最好的1500V108档中一点，根据式( 1) 、( 2) 求得整个动态范围内各档位非线性修正系数如图 3 所示。
根据图 3 对各档位进行非线性修正后如图 4所示，对卤钨灯的每一个电流，整个动态范围内对应6 个点的线性，这 6 点可看作整个动态范围上的一个线性标尺，通过改变初始卤钨灯的电流，使得相邻两标尺逐点递进，这样可以实现一系列标尺在 SBUS动态范围内沿线性曲线上下移动，图 4 即为某一标尺在整个线性曲线上的位置。
4 不确定度分析
测量过程中不确定度来源包括卤钨灯稳定性、中性减光片引入不确定度、杂散光、SBUS 光栅双单色仪波长重复性、光电倍增管疲劳、输出电流放大器的零点漂移等。表 1 为中性减光片结合双光阑法与以往距离平方反比定律法不确定度的比较。
实验中采用高稳定性电源给卤钨灯供电，稳流模式下卤钨灯稳定性达 0. 01% /h[7]。
中性减光片采用美国 Andover 公司生产的紫外可见红外金属型中性密度滤光片，在 lambda950 分光光度计上进行透过率测试，测量重复性为0. 2%，此外中性减光片透过率因测量与实际使用存在一定差别，该不确定度大小为 0. 1%[8]。
由于 SBUS 光栅双单色仪使探测器与叠加光路部分隔开，光栅双单色仪内部杂散光抑制能力达10-6量级，而为保证信号强度选择 380nm 进行线性测试，在如图 1 所示固定距离下，外部杂散光干扰的影响约为 0. 3%，若采用距离平方反比法，距离测量不确定度为 0. 3%，随着距离不断延长，外部杂散光影响将达到 0. 5%。
用汞灯线谱检测 SBUS 光栅双单色仪波长重复性为 ± 0. 02 nm，对 于 测 试 波 长 处 不 确 定 度 为0. 01% 。
SBUS 高压开启时间越长，光电倍增管的稳定性会发生一定的变化，表现为光电倍增管的疲劳特性，在整个实验过程中，此不确定度影响估计为0. 2%。
输出电流放大器的零点漂移来自电路噪声及数字电路自身的稳定性，通过多次采集( 取 21 次) 取平均值及去背景信号的方法减小其影响，其不确定度为 0. 1%。
5 结 论
中性减光片和双光阑法两者结合，不仅克服了中性减光片法需要大量减光片以及双光阑需要大动态范围光源的缺点，同时也发挥了中性减光片法杂光影响小及双光阑简单精确的优点。不确定度分析表明，距离平方反比定律法测量动态范围为 103-104的合成标准不确定度为 0. 62%，而中性减光片结合双光阑法对 106动态范围测量的合成标准不确定度为 0. 44%。
FY-3 SBUS 正样产品经杂光分析及实验证明，所采用的光栅双单色仪方案杂光水平达到 4. 5 ×10-6水平。通过采用中性减光片法和双光阑法相结合扩大了线性测量的动态范围，使得在实验室有限距离条件下，提高了线性测量的精度，有效实现了SBUS 探测信号 106动态范围的变化。同时，通过加大中性衰减片的衰减程度或者增加光阑数，可以为后续更大动态范围仪器线性测试提供一种可行参考。
参考文献:
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[8]周磊，郑小兵. 高精度分光光度计测量光谱透过率[J]. 光电工程，2006，33( 12) : 32—38.Zhou L，Zheng X B. High-accuracy spectrometer for measurement ofspectral transmissivity[J]. Opto-Electronic Engineering，2006，33( 12) : 32—38.
收稿日期: 2011-05-31; 收到修改稿日期: 2011-10-14 E-mail: yangxiaohu861106@ 163. com
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 41074126) ; 吉林省青年科研基金资助项目( 20090118)
作者简介: 杨小虎( 1986-) ，男，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生，从事空间紫外遥感仪器辐射定标方面研究。
导师简介: 王淑荣( 1961-) ，女，研究员，从事空间紫外遥感仪器方面的研究。E-mail: srwang@ ciomp. ac.cn。
