球冠型入射光学系统中等效辐射平面位置的计算

　　1　引　言

　　太阳紫外光谱辐射测量装置的测量对象是包括太阳直射和天空散射在内的2π球面度立体角范围的总光谱辐射照度,因此要求测量仪器的入射光学系统必须具备较好的余弦响应特性。为了满足大角度立体角测量的需求,必须设计特殊的漫透射器件,来提高整个系统的余弦响应特性,使其接近理想探测器的响应。由于测试光源(太阳)与定标光源(卤钨灯)在大小、形状和方位上的不同,差的余弦响应将导致较大的测量误差。文献报道和实验测试表明:经过合理的设计,非平面型余弦漫射器的余弦特性要优于平面型器件[1~9]。

　　本文研制的入射光学系统由聚四氟乙烯积分球、磨砂石英球冠型余弦漫射器和修正环组成。在±30°、±60°、±75°、±80°入射角范围内,余弦误差分别小于0.23%、1.14%、2.5%、5.0%。积分余弦误差=0.94%,能很好地满足太阳紫外光谱辐射地面测量的需求。图1和图2是研制的新型入射光学系统的组成结构和余弦误差。其中修正环的应用能够很好地改善75°以上入射光线的角度响应特性[1, 6, 7]。

　　但是,非平面型入射光学系统的应用在改善系统角度响应特性的同时,也引入另外一个问题。太阳紫外光谱辐射测量装置在定标时,从入射光学系统到光源的定标距离是一个非常重要的参数,也是早期国际比对所反映的主要误差源之一[1~3]。而对于非平面三维实体的入射光学系统,应以它的什么位置作为距离的起始点,是否存在一个具有物理意义的固有平面成为必须回答的问题。

　　当定标距离与入射光学系统的纵向尺寸相比足够大时,抵达入射光学系统的光谱辐射照度与定标距离符合距离平方反比定律。对于图1所示的入射光学系统,当定标距离为500 mm时,1 mm的距离测量误差将导致0.4%的辐射照度测量不确定度。由于入射光学系统的纵向尺寸相对较大(32.5mm),如果定标时只是简单地以球冠顶点和底部平面作为距离测量的起始位置,对应的光谱辐射照度的差异可能高达13%,必将导致较大的测量误差。

　　针对上述问题,引入等效辐射平面接收器(Equivalent radiation plane receiver, EPR)的概念,根据漫射器的几何形状、漫射器上的光谱辐射照度分布及接收系统的角度响应特性[1~3],采用数学分析方法对该组合入射光学系统的等效辐射平面位置进行了近似和精确计算,分析了影响等效辐射平面位置的因素,并用实验统计方法进行验证。采用所描述的等效辐射平面计算方法,能有效解决采用非平面型漫射器的太阳紫外光谱辐射测量装置的精确定标问题,减小距离测量误差,改善定标的不确定度。

　　2　等效辐射平面位置的理论计算方法