1 前言
地球周围有一层很厚的大气，在地面上进行天文观测很不利，特别是天体发出的远红外光几乎全部被大气吸收;用卫星进行天文观测当然是一种很好的手段，但是它要求很高的技术和投人大量的经费;用高空气球进行红外天文观测介于地面观测和卫星观测之间，投人相当于卫星经费的很小一部分和相对简单的技术就能取得地面上无法取得的观测资料。我台的球载太阳红外观测就是在这样的情况下，于80年代开始筹建的。
太阳是红外辐射最强的天体，是我们用球载观测的第一个目标。太阳被用来试验该球载红外望远镜的观测技术及以太阳为目标的指向和跟踪等问题，为在卫星上进行红外观测打下基础。同时可以根据观测到的太阳亮度温度的变化，研究太阳光球层和色球层之间的负氢离子(H一，)数量的变化，进一步研究太阳的活动规律，把根据观测获得的亮度温度值作为改进太阳常数的数据。
2 红外光度计的结构
图1为以太阳为观测目标的红外光度计框图。太阳光经过红外窗口1达望远镜主镜2，再经副镜3和反射镜4，将会聚的红外光反射到镜筒外，经滤光片6后聚焦在探测器表面。另外，在光路中还需加进调制盘5。探测器将调制的光信号转变为相应的电信号，经前置放大器、交流放大器和带通滤波器后送到同步检波器，同时调制盘的调制频率信号经过低通滤波器和放大整形后也送到同步检波器作为参考信号，以此来完成观测信号的全波鉴相。检波后的输出信号一路在球上记录，另一路经PCM编码后，由遥测发射机送到地面。
2.1 红外窗口
用于观测太阳的红外窗口要求:l)将可见光全部挡住而让要观测波段的辐射尽量多的通过。如果不设窗口，经过望远镜聚焦后的太阳热量足以破坏滤光片和探测器，同时也将大大增加望远镜内部的温度;2)气球在30一40km的高空飞行，向着太阳和背着太阳，温差很大，故要求窗口材料在环境温度士80℃变化时不能变形，更不能断裂。根据上述的要求，塑料是作为窗口的理想材料。聚对苯二甲酸乙二醇脂ll]，能适应很宽的温度变化范围，有很强的抗拉强度，面积也可以很大，是比较理想的红外窗口材料。这种材料不足之处是颜色透明，可见光能同样透过。为此，在加工成形的过程中要经过高温染黑，其透过率特性曲线如图2所示。这种材料在温度一110一+160℃之间变化时性能稳定。当望远镜前面加了这种聚脂材料做的窗口之后，可将太阳的总能量减少到原来的1/183巧，从而保护了滤光片和探测器。
2.2 光学望远镜
本光度计所用之望远镜为口径150rn们。、焦比f/2.8的牛顿式望远镜。焦平面的1~相当于9.14角分，对18卿的衍射极限大约是34角秒。望远镜采用微晶玻璃以适应环境温度变化大的情况。主镜为非球面反光镜，副镜是平面反光镜。
望远镜的底座与吊篮之间由三点支撑，采用空间技术要求的避震结构，在三支点下的避震器，能承受17kg的望远镜和气球上邢寸的29加速度，当吊舱以大于79的减速着陆时，让避震器损坏，从而保护了望远镜及探测系统。
飞行过程中的指向和跟踪是根据太阳在天空的轨迹，求出方位和仰角随时间变化的数据，然后在地面用指令控制仰角和方位步进马达的转动，保持望远镜指向太阳。
2.3 调制盘的驱动
驱动器由晶振、分频和功放组成，驱动同步马达带动调制盘。把天空背景作为零电平，因此可采用普通方波调制盘的调制方式。系统噪声也可不考虑，因前置放大器的噪声(包括1/f噪声)与太阳的观测信号相比足够小。系统的调制频率定为20H式该频率在步进马达频率响应的高端，而探测器的响应率下降不大，对电路的制作也相对容易。
2.4 滤光片与探测器
由于球载观测时环境温度变化大，气球起飞和返回着陆时有震动和冲击，同时根据太阳的红外辐射强等特点，选用担酸锂(LiTaO3)热释电探测器，其等效噪声功率(NEP)平均为 5x10-9W/ Hz1/2居几l尽。为了增大观测视场和增加观测波段，上海技术物理所研制了特殊结构的探测器，采用Znse窗口，在同一真空组件内装三个圆形并联的LiTaO3元件，每个元件直径为1mm，三个元件组成等边三角形，每边长4.8mln，这样可增加观测视场约1倍，太阳像的直径为3.5mm，因此在观测的某一时刻，太阳像只能落到一个LiTaO3元件上。在三个元件中的两个前面装上峰值波长分别为4.6µm和18µm的滤光片，滤光片的透过率曲线见图3，另一个元件前面不装滤光片，以便在环境模拟试验和地面观测时作测试红外通道用。在环境模拟试验中，探测器与望远镜装在一起，当真空度下降到1333.32Pa、环境温度在1h内从-50°C增至+50℃时，探测器没有变劣的现象。
2.5 红外接收机
太阳的红外信号经前置放大后送到接收机进行交流放大，再经滤波鉴相和同步检波得到直流输出。接收机线路在大动态范围内信号应有良好的输人一输出线性特性并稳定可靠同。接收机的增益分为二档，在高空观测时，增益采用4倍，在地面试验及定标时采用叨O倍。积分常数为15，最大电压输出为SV。在滤波器部分采用三级运算放大器组成的带通滤波器，它用参差调谐的方法组成Q值较高、工作较稳定的滤波系统。滤波器的3dB带宽约为20士1.5比，通带内的波动小于ZdB，在一25一+45℃范围内，滤波特性无明显的变化。
在同步检波部分，采用单运放组成的全波鉴相器。它的工作效率高，检波线性范围大，使整机有良好的大动态输人·输出线性特性。用信号发生器的20周信号输出标定接收机的输出信号，得到大动态范围的非线性误差小于14%(P一P）。用自制的500K黑体定标，在光阑孔大于3mm时测得输人一输出非线性误差小于6%。
3 单个探测器和红外光度计的实验室定标
对单个探测器定标是为了挑选适合于本工作的探测器。对红外光度计定标是为了得到它的响应率，以便在观测数据的归算中，求得太阳在所观测波段的强度。
3.1 探测器定标
探测器的响应率定义为探测器接收到单位辐射功率时能够输出的电信号量(电压或电流)，即:
式中:Ks—输出电压，V;
Br—接收到的辐射功率，W。
测量探测器的装置见图4，由于测量精度在很大程度上决定于黑体炉的辐射稳定度，所以，我们用的黑体炉阅，经国家标准黑体对比检定，温度测定精度为士0.05℃，温度稳定度为0.1℃/5h，在5的K和573K两个温度点上的有效发射率。=0.99土0.01。光阑盘与黑体联在一起，光阑孔的大小从1一5mm共分为5档，并且可以转动。调制盘的调制速度可在1一100周之间变化。探测器和前置放大器放在同一个盒子内，并由支架支撑在导轨上，使得它与光阑孔之间的距离可以任意改变。
从图4中我们得到:
单个探测器的定标，采用20Hz的调制频率，光阑孔直径从1mm变至5mm，测得5个Vs值，然后算出5个值，最后取其平均值为该探测器在20Hz调制时的响应率。
3.2 红外光度计的整机定标
定标设备框图见图5。黑体炉的出光孔放在平行光管的焦点上，出光孔的像经平行光管后变为平行光，将红外光度计对准平行光管，红外光度计的电输出在均方根电压表中读，在该装置中，Br用下式表示:
公式中的x系数在这里不必求出，因为实验室定标和球载观测时都采用相同的装置，因此系数相互抵消。
这里应注意:1)望远镜所成的光孔像的面积A2和元件接收面积A0之间必须A0≥A2，否则测得的Br便不对;2)如果输出信号太弱，可将窗口拆除，待定标结束之后，将得到的结果再乘上窗口的透过率。
4 天文观测的归算方法和结果
我国球载太阳红外光度计的观测始于1981年，每年8一9月在河北省香河县的放球场进行。采用零压式30000m3气球，吊蓝总重189kg，飞行高度35km左右，望远镜对太阳的指向和跟踪由地面指令控制，观测到的信号通过遥测发射机传到地面，同时为了保险起见，在球上也有记录。
观测的目的是要得到太阳在观测波段的亮度温度值，其归算按如下步骤进行:
假定光度计所接收到的与太阳能量相对应的终端输出电压值为Va，则:
由每组观测数据求出一个太阳的亮度温度值，其中λ取峰值波长，c1和c2为常数。经多组观测的结果平均后，得到波长在18µm的亮度温度值为4685士136K[6]，与国际的20µm采用值4648士186K相接近。
参考文献
1 郭棋伟.红外技术，1992.14(4):11
2 郭棋伟，邹惠成.红外研究，1984.13(3):176
3 昊钟奇.中国科学院上海天文台年刊，1983(5):273
4 赵建海.中国科学院上海天文台年刊.1982(4):289
5 C. Frohlich，Conten叩orary Meaattes of the Solar cot>stant.Berlin: Sprtnger, 1976. 93一109
6 邹惠成.天文学报，1984.25(1):1
本文作者：郭棋伟
