相关光子自校准光谱辐照度测量不确定度分析

1 引言

近年来,人类对于气候研究日益增多。太阳作为地球辐射收支平衡的主要能量来源,在气候演变过程中发挥着重要作用。目前对于太阳光谱辐射研究,主要有太阳总辐照度和光谱辐照度两种监测方式,以美国为首的发达国家发射了多种太阳观测载荷,对太阳光谱开展了持续40 多年的辐射观测,太阳总辐射能量变化不超过0.3 %,为了对太阳微幅变化进行长期观测,需要研制高精度高稳定的太阳辐射观测仪器。例如2003 年美国发射的SORCE 卫星携带了太阳光谱辐照度观测仪器(SIM),设计指标达到0.1 %,在轨运行的实际观测精度达到2 %[1]。

目前,在轨卫星光学载荷主要采用星上定标器和场地替代定标方法,定期开展辐射定标和校正,如美国中分辨率成像光谱仪(MODIS)搭载星上漫反射板开展太阳反射波段(380～2 500) nm 辐射定标。常用的星上定标器主要有常温电替代辐射计(ESR)、比值辐射计、漫反射板、黑体等。这些仪器响应变化监测也依赖于实验室校准结果,在轨运行期间定标器自身衰变难以精确评估[2]。

为了实现对太阳光谱辐射变化的长期稳定监测,安徽光机所提出一种太阳光谱辐照度监测方案,利用相关光子作为辐射定标光源,将自校准和辐射观测模式集成一体,对太阳反射波段的光谱辐照度进行精确测量,预期达到0.3 %测量不确定度的科学目标[3]。相关光子辐射定标光源的优越性已经在多篇论文中进行了报道,可应用于单光子探测器的量子效率和红外光源的光谱辐亮度测量[4-6],将其集成到传统的辐射观测仪器,可周期性地校正仪器响应度变化[7-9]。

介绍了自校准光谱辐照度测量原理和测量装置,建立了“通道量子效率→光谱光子数率→光谱辐射功率响应度→光谱辐照度”量值传递链路和辐射测量模型。利用488 nm 单色光源导入积分球、平行光管形成准直的光谱辐照度光源,测量了光源的光谱辐照度,并与参考辐照度计测量结果进行了比对,分析和评估了两种定标方法的测量不确定度,验证相关光子自校准光谱辐照度测量的原理可行性。

2 光谱辐照度测量原理

2.1 相关光子自校准光谱辐照度测量

相关光子自校准光谱辐照度测量仪具有2 种工作模式:自校准模式和观测模式,自校准模式定标通道的绝对功率响应度,观测模式测量得到目标光源的绝对光谱辐照度。2 种工作模式的差异仅在于扫描镜的指向,所有其它光路传输路径保持完全一致,可以最大程度地保证二者的等效性。两种工作模式交替运行,实现自校准的绝对光谱辐照度测量。

目标观测模式下,测量系统的工作体制与目前多光谱空间遥感器基本相同。其输出信号脉冲数率与有效接受辐射通量的关系可以表示为:

参考辐照度计由3 片反射式的硅陷阱探测器和直径为5 mm 的精密孔径光阑构成,绝对光谱辐照度响应度在488 nm 波长点溯源至中国计量科学研究院,参考辐照度计接收相同光谱辐照度单色光源的光通量为:

联合式(1)至式(3),模拟探测器的通道绝对功率响应度可以表示为:

式中:Mc——符合计数;MCA——意外符合计数;MA——有效触发计数;MAB——背景有效触发;α——符合丢失校正因子;β——线性修正因子;τ——晶体的光学损耗。

模拟探测器接收的光通量可以表示为:

同时，在国家现代林业湖北东宝森工科技产业园基础之上，当地新增了住房和城乡建设部绿色建筑建材产业园，顺应了国家产业政策导向，增强了产业发展带动功能。2016年，东宝区绿色建筑建材家具产业成为湖北省重点成长型产业集群。

式中:V0——自校准模式输出的电压值;Rc——模拟探测器观测相关光子的增益阻抗;RΦ——模拟探测器的通道响应度。

在自校准的模式下,校准后的待定标的通道量子效率为:

另一方面，由于科研人员意识不够、建设随意性强，而项目过程监管又不到位，经常出现国产进口随意改、指标配置随意变、数量价格任意调，导致与项目批复大相径庭，给项目的执行、审计和验收带来了许多麻烦。

在辐射观测模式下,模拟探测器的绝对光谱辐照度响应度可以表示为:

后脉冲概率处理方法如式(13)所示:

原理样机接收的绝对光谱辐照度可以表示为:

165 Effect of antiosteoporotic active fraction from Er-Xian Decoction on retinoic acid-induced bone loss in rats

传递过程中两者的光子计数率相同,死时间对非线性影响可以忽略。因此,式(11)可以简化为:

联合式(2)、式(4)和式(6),可以获得被测光源的光谱辐照度为:

2.2 参考辐照度计光谱辐照度测量

式中:M——光子计数器输出的脉冲数率;Φ0——有效接收的辐射通量;λ——入射光波长;ηDUT——待定标通道的量子效率;h——普朗克常数;c——光速。

式中:Ir——参考辐照度计采集电流值;Rr——参考辐照度计的绝对功率响应度。

利用参考辐照度计观测单色光源的光谱辐照度为:

式中:Ar——参考辐照度计孔径光阑的有效面积。

3 光谱辐照度比对测量实验

3.1 相关光子自校准光谱辐照度测量系统

相关光子自校准光谱辐照度测量仪包括2 种工作模式,自校准和观测模式,自校准模式。自校准模式,266 nm 泵浦激光依次通过格兰泰勒棱镜、λ/2 波片和焦距为75 mm 透镜后,分别聚焦至7 块非共线BBO 晶体(5×5×2) mm 中心,晶体的相位匹配角为41.7 °,42.45 °,43.26 °,44.14 °,45.17 °,46.3 °,47.63 °,产生(380～1 000) nm 宽波段相位匹配的相关光子对,如图1 所示。用扫描镜切换相关光子定标光源和目标光源,自校准模式产生时间、空间上相互关联的宽波段相关光子[10],利用分色片进行光谱分离,入射至(350～550) nm,(500～1 000) nm 两路Offner 色散模块,每路光子经1 ∶9的分束器,分别聚焦至硅单光子探测器和模拟探测器,单光子探测器接收自校准的相关光子辐射源,模拟探测器分别接收相关光子和目标光源,实现相关光子自校准和辐射观测,相关光子自校准光谱辐照度测量系统示意图如图2 所示。

图1 利用7 块非线性晶体制备(380～1 000)nm波段相关光子的角度分布图Fig.1 Angle distribution of correlated photons in(380～1 000) nm prepared by seven nonlinear crystals

图2 相关光子自校准光谱辐照度测量系统示意图Fig.2 Schematic diagram of correlated photon self-calibration spectral irradiance measurement system

信息处理箱采集单光子探测器以及模拟探测器信号,驱动控制箱对各功能模块进行供电以及电机驱动控制,上位机软件实现对各模块的软件调用,完成相关光子自校准太阳光谱辐照度仪的自校准,以及辐射观测模式的自动测量功能[11]。

3.2 参考辐照度计

参考辐照度计由中国计量科学研究院研制,由3 片反射式硅陷阱探测器和5 mm 精密孔径光阑组成,主要有2 个方面的考虑:

1)增加量子效率,入射光经过5 次反射后,反射率仅为单个光电二级管反射率的1 %;

2)第1、2 个硅光电二级管的入射面相互垂直,入射角相等,第3 个光电二级管正入射,保证探测器对入射光偏振状态非敏感[12]。

参考辐照度计内置光电探测器在488 nm 波长的绝对功率响应度溯源至低温绝对辐射计,联合精密孔径光阑面积测量,可以获得绝对光谱辐照度响应度。

3.3 比对测量装置

相关光子自校准光谱辐照度比对测量实验装置如图3 所示,488 nm 激光经稳定控制后导入到直径为40 mm、出光口为4 mm 的辐照度积分球内,积分球出光口对准焦距550 mm、直径50 mm 平行光管的焦点位置,形成准直、均匀稳定的单色辐照度光源。在距离平行光管出口约500 mm 位置处,依次将自校准光谱辐照度仪和参考辐照度计平移切入至测量光路,采集两种测量仪器的信号值和背景值。

图3 相关光子自校准光谱辐照度比对测量示意图Fig.3 Schematic diagram of correlation photon self-calibration spectral irradiance comparison measurement

4 测量结果及分析

4.1 通道量子效率测量

自校准模式下,以266 nm 激光器作为泵浦光源,通过自发参量下转换方法制备488 nm 和585 nm相关光子对,其中585 nm 作为触发通道,488 nm 作为待定标通道,分别用硅单光子探测器进行探测,将两路信号接入时间数字转换器(TDC)记录两路同时到达的触发计数和符合事件。将泵浦光偏振方向旋转90 °,关闭自发参量下转换过程,测量触发背景计数和意外符合计数。设置待定标端的延迟为10 ns,测量10 次,每次测量60 s,测量结果如表1所示。

透射式GaN光电阴极的入射光光路是先经过衬底材料,再透过缓冲层,最后才能作用于GaN光电发射层(参见图4)[20]。如果缓冲层-发射层界面处缺陷较多,在此处被复合的光电子也会增多,造成阴极的光电发射性能变差,所以透射式GaN阴极光电发射效率的高低会受到缓冲层-发射层界面质量的影响。

表1 通道量子效率测量结果@488 nmTab.1 Measurement results of channel quantum efficiency@488 nm

由表1 可知,符合计数和触发计数值较大,相对标准偏差较小;触发背景计数和意外符合计数值较小,相对标准偏差较大。符合计数与意外符合计数的比率约为3,触发计数与意外触发背景计数的比率约为50。符合计数和意外符合计数为同时测量,泵浦光源波动对符合测量精度的影响较小,触发计数和触发背景计数不是同时测量,泵浦光源波动对有效触发计数测量有一定的影响。量子效率10 次测量均值为0.004 15,重复性约为3.5 %,主要由泵浦光源的非稳定性和测量系统较低的符合计数引起的,通过更换更高稳定性的泵浦激光器、增加测量时间等方法,可有效提升量子效率测量的稳定性和重复性[13]。

（二）主产区分布情况出以巷口镇、火炉镇、白马镇和长坝镇等乡镇为代表的部分乡镇虽然肉牛养殖的绝对数量不低，但是单位面积或者单位农业人口的产出量很少，而以文复乡、桐梓镇、接龙乡、后坪乡和双河乡等乡镇不仅绝对数量较高，其平均产出量同样很高，究其原因有二：其一这些乡镇的大部分地区海拔高度高于800米，适宜肉牛生长，其二饲草饲料资源比较丰富。山羊的分布同样如此。

蒙古谚语《智慧集》中有关于长生天最高神主为霍尔穆斯塔的说法。《智慧集》成书于十六世纪前，那么这种说法或许比成书时期更早。乌其拉图在对蒙古史诗《江格尔》研究时指出，《江格尔》中有这样的诗句：

4.2 修正因子

通道量子效率测量过程中,使用单光子探测器、时间数字转换器等测量仪器,在光子探测、计数过程中存在死时间和后脉冲影响,符合计数测量值出现丢失或增加等实际情况。需要对单光子探测器的死时间、后脉冲以及符合丢失等信号采集和处理过程的测量数据进行修正[14,15]。

1)符合丢失

《2017年中国大学生创业报告》数据显示，大学生创业中遇到的最大困难是资金问题，任何群体创业，筹融资困难是创业者遇到的最大难题。而且大学生创业的资金有75%是自有资金，即自己、家人还有创业合作伙伴，充分表明大学生群体融资渠道窄。作为学生群体，没有充足的资金支持是完不成创业项目，因为学生相当于社会的“弱势群体”，筹融资时信用度低，不能取得外部融资的支持，对于家庭条件不太好的学生，由于筹融资困难的问题，一些很优秀的项目被迫终止，大学生创业遇到相应的挑战。

（3）同时考虑外界温度的影响，将混凝土的外界温度设置为变量 T2（其范围为5℃-25℃），而浇筑温度 12.7℃保持不变，其余条件如（1）设置。

符合丢失的修正因子为:

式中:NDUT——待定标通道的光子计数率;tdelay——两个通道的延迟时间。

2)单光子探测器非线性

单光子探测器的非线性是后脉冲和死时间造成的,非线性修正因子为:

（1）登船手续简便安全高效。旅客抵达邮轮始发港码头后，可先凭船票寄托大件行李，将行李交码头工人，按照预先分配的房号，系上行李贴条的大件行李会在开船前送至指定船舱房间门外。这样，旅客只要携带随身物品小件即可登船。

3)晶体后端面的损耗

式中:Tdead——单光子探测器的死时间;pa——后脉冲概率;NDUTSC——自校准模式待定标通道光子计数率;NDUTO——标准传递时的光子计数率。

式中:V1——观测目标光源的输出电压值;Ro——观测目标光源的增益阻抗。

后脉冲测量装置采用的是连续模式的激光光源,通过分析单光子探测器脉冲的统计分布,测量得到不同光子计数率下单光子探测器的后脉冲概率。此时光子计数率2×105s-1,测量10 次,每次测量100 s,得到的后脉冲曲线如图4 所示。

图4 后脉冲概率测量曲线图Fig.4 The curve of after-pulsing probability

式中:As——孔径狭缝的有效面积。

式中:MTotal——总的时间间隔计数;n——测量的时间间隔数;u500——500 ns 后的时间间隔计数的均值;N——光子计数。

不同的成因对物质组成和结构产生不同的影响，成分和结构又影响土的物理力学性质。红粘土作为特殊土，并且在贵州省分布范围广泛，是贵州主要城市所在地分布的主要土类，与当地人们生活密切相关，在对红粘土有关问题进行研究时要注意它复杂而有别于其他土类的特殊性的成因，从其所具有的特殊性的本质了解红粘土有助于工程实践应用。

测量得到的待定标通道的后脉冲概率如表2所示。

表2 10 次测量的后脉冲概率Tab.2 After-pulsing probability for 10 measurements

由表2 可知,待定标通道的单光子探测器10 次测量的后脉冲概率的平均值为0.144 058 2,相对标准偏差约为0.8 %,后脉冲概率对通道量子效率测量不确定度影响约为0.1 %,将测量结果代入式(12),计算得到非线性修正因子β值为0.874 1。

最出人意料的是，工作队员身为公安干警的特殊身份也助力了曼来村的扶贫工作。其中，打拐英雄李锋强的驻村就安定了很多村民的心。过去，村里妇女被拐卖的案件时有发生，男人们怕老婆被拐农闲时也不敢出门打工，这是村民无业致贫的一个主要原因。现在，驻村工作队里有了打拐英雄，村里的男人们都开玩笑地说，“这回去打工再也不怕老婆被拐跑了”。

晶体光学损耗包括晶体吸收和晶体反射端面损耗。理论上相关光子等效发光点在晶体的中心位置,相关光子只穿过晶体内部和后端面。高精度实验测量得到光学损耗的难度较大,且理论计算和实际测量的结果相差极小。计算晶体在488 nm 的吸收损耗、反射损耗和透射损耗,3 种损耗的乘积即为晶体后端面的光学损耗,晶体后端面的光学损耗为0.984。

4.3 标准传递

利用相关光子光源开展量值传递过程中,将相关光子同时导入到自校准和辐射观测模式中,采集光子计数值和模拟探测器的电压值,利用光子计数值和通道探测效率,可以获得相关光子光源的光谱光子速率;利用模拟探测器测量相关光子光源,获得绝对功率响应度。联合孔径光阑面积,获得观测通道的绝对光谱辐照度响应度。

为了减小光源的波动对标准传递精度影响,待定标通道单光子探测器和模拟探测器同时接收相关光子,光子计数器记录脉冲值,模拟探测器测量电压值,测量时间为100 s,放大器增益选择1013Ω,采集频率为0.1 Hz,每组测量20 个数据。半波片旋转45°,关闭自发参量下转换过程,测量背景信号值。将测量结果代入式(4)和式(5),获得绝对功率响应度和绝对光谱辐照度响应度。将原理样机扫描镜切换到图3 所示的均匀辐照度光源,测量输出电压值,代入式(7)可得光源的辐照度值。

4.4 测量不确定度分析

分析原理样机光谱辐照度测量的各项不确定度来源,包括光谱光子数率、绝对功率响应度、绝对光谱辐照度测量引入的不确定度分量,如表3 所示。其中光谱光子速率测量不确定度包括通道量子效率、修正因子(符合丢失、后脉冲概率、后端面光学损耗)、单光子探测器脉冲计数值,光谱光子数率的测量不确定度约为3.5 %。由表1 可知,紫外泵浦光源的非稳定性约为3 %,导致通道量子效率、单光子探测器记录光脉冲数以及模拟探测器电压测量值的不确定度变大。绝对光谱辐照度测量不确定度由模拟探测器的输出电压、太阳狭缝面积决定,太阳狭缝面积采用通量比较法进行比对测量,标准孔由中国计量科学研究院进行校准,太阳狭缝面积测量不确定度约为0.5 %,主要由标准孔、太阳狭缝与积分球光源的距离差异、辐照度模拟光源非均匀性等因素引入的。相关光子方法测量单色光源的光谱辐照度合成不确定度约为3.8 %。

表3 相关光子方法测量单色光源的光谱辐照度@488nmTab.3 Spectral irradiance measurement of monochromatic light sources based on correlated photons method@488 nm

标准传递探测器测量光谱辐照度测量不确定度主要由电流输出值、绝对功率响应度、孔径光阑面积3 种因素引入的,如表4 所示,合成不确定度为0.18 %。经初步比较,2 种方法测量结果的相对偏差约为4.2 %。

表4 标准传递探测器方法测量单色光源的光谱辐照度@488 nmTab.4 Spectral irradiance measurement of monochromatic light sources based on standard transfer detectors method@488 nm

降低相关光子方法测量不确定度有以下技术路径:

1)采用国外商用泵浦激光器,经功率稳定后的稳定性可达0.15 %,可将通道量子效率、单光子探测器记录光脉冲数、模拟探测器测量相关光子光子数率的测量不确定度均降至0.2 %以内;

2)太阳狭缝卸下再校准,重新装调,太阳狭缝面积测量不确定度降至0.05 %。

城南污水厂工程由上海院和油田院共同设计，项目部编制施工作业方案时充分落实设计意图，听取施工技术人员建议，并报请有关专家审核把关，根据方案确定可行的技术手段和管理方法后，对施工所有人员进行现场技术安全交底。如在桩基施工过程中，将洛阳铲式掏桩器改进为螺旋切割式掏桩器，工作效率提高了300%。研制了多缝式自流平管养护器，在夏季实施混凝土养护，减轻了养护人员的作业负荷，并降低了在高空作业时的风险。工程建设过程中，不断地完善特殊环境下的安全管理制度和操作规程，以控制工程施工过程中设施、人员、过程（工艺）和环境等永久性或暂时性的变化［8］，提高人机系统的“安全、经济、高效”综合效能。

经过上述系统优化后的光谱辐照度测量不确定度可达0.39 %。

5 结束语

针对气候观测对太阳光谱辐照度观测的高精度定量需求,提出一种相关光子自校准的光谱辐照度测量方案,介绍了光谱辐照度测量原理和系统组成,开展了相关光子光源的标准传递实验,获得488 nm 波长绝对光谱辐照度响应度,搭建了高精度比对实验装置。与低温辐射计校准过的参考辐照度计进行了初步比对,2 种定标方法得到光源的光谱辐照度相对偏差低于4.2 %,验证了相关光子定标方法用于光谱辐照度响应度量值传递的有效性。开展了相关光子自校准光谱辐照度测量不确定度分析,光谱光子速率测量是主要的不确定度来源,降低测量不确定度有2 种方法:

1.2.3 培训方式 ①基本操作技能培训:按计划每个月集中培训1项操作，主要采取带教老师赴上级医院观摩培训的方式，组织护士观看操作视频，老师操作演示，现场指导，护士分组进行训练。②社区护理服务培训:主要包括健康人群与高危人群的健康管理，社区居家护理，急、危重病人的院前急救与转诊，社区传染性疾病的护理及消毒隔离指导，健康教育指导及如何建立健康信息档案等。③院前急救培训:重点对门诊及社区站点护士，每个月1次进行心肺复苏、简易呼吸机操作训练、绿色通道及猝死急救演练等，熟练掌握及时转诊的流程。

1)用功率稳定的266 nm 泵浦激光器制备相关光子辐射定标光源,减小自校准和辐射观测模式量值传递过程的不确定度;

2)优化太阳狭缝面积测量装置,降低太阳狭缝面积测量不确定度。有望将光谱辐照度测量不确定度降低至0.39 %以内,将在未来的量子坎德拉复现、空间辐射基准、军工计量等领域具有重要的应用前景。