一种基于气体吸收特征谱的红外光谱定标器的制作方法

本发明涉及红外光谱仪定标技术领域，具体是涉及一种基于气体特征吸收谱的红外光谱定标器，用于超高光谱分辨率红外光谱仪高精度光谱定标。

背景技术：

对于红外光谱仪，按照分光方式来分，主要包括窄带滤光片式、光栅式和干涉式光谱仪。窄带滤光片式光谱仪主要缺点是其光谱分辨率受到窄带滤光片的带宽限制，不能获得很高的光谱分辨率。光栅式光谱仪能实现较高光谱分辨率，获取信息的速度快，但很难实现宽带连续的超高光谱探测；干涉式光谱仪(傅里叶变换光谱仪)具有超高的光谱分辨率、高的光谱稳定度、超宽连续谱段和高的光学效率等优点，被广泛的应用于大气探测、环境监测、星际探测、军事侦察等不同的应用领域。例如，在大气遥感探测领域，目前国内外都在极力发展红外傅里叶变换光谱探测仪技术。国际上，在轨运行的红外傅里叶变换光谱探测仪如法国的iasi、美国的cris、德国的mipas、加拿大的ace、美国的tes和日本的tanso等。我国2016年发射升空的风云四号气象卫星—干涉式大气垂直探测仪(giirs)和2017年发射升空的风云三号气象卫星d星—红外高光谱大气探测仪，也都是红外傅里叶变换光谱仪。

随着红外光谱探测类遥感仪器的应用技术的发展，数据的定量化要求也越来越高，这就对红外傅里叶变换光谱仪的定标精度提出了新的挑战。红外傅里叶变换光谱仪定标分为辐射定标和光谱定标。红外傅里叶变换光谱仪探测辐射量的大小与光谱位置和线型密切相关，即准确的仪器辐射定标必须有准确的光谱通道定位。光谱定标就是要确定仪器线形函数ils(instrumentlineshape)和中心波数的定位。因此，红外傅里叶变换光谱仪实现高精度光谱定标的关键是建立标准谱线源。

目前，红外傅里叶变换光谱仪光谱定标源主要包括：稳频红外激光器和黑体辐射源+气体吸收室。稳频红外激光器输出的红外激光输出功率高、谱线宽度极窄，适合ils和单一波长的光谱定标，但由于稳频红外激光器输出谱线单一，波长需要通过高精度波长计进行传递，导致光谱定标误差较大。黑体辐射源+气体吸收室作为光谱定标源，是利用气体室内特定气体(如nh3、co和ch4等)的特征吸收谱作为光谱定标的标准。在一定的温度和压强下，气体吸收谱(nh3、co和ch4归一化特征吸收谱分别如图2、图3和图4所示)是气体的物质特征，是光谱定标的标准。同时，采用气体吸收谱线的多条孤立吸收峰进行光谱定标，可有效减小非线性带来的误差，提高光谱定标精度。

目前，实验室光谱定标试验中，通常采用在黑体辐射源出口处放置气体吸收室的方法，即黑体辐射源与气体吸收室相互独立，导致每次试验都必须完成黑体辐射源与气体吸收室之间的精确装配，不但降低了工作效率，而且也增加了装配的不确定性。另外，目前已发明的红外气体吸收室受到口径、视场和吸收光程的限制。已发明的长吸收光程气体吸收室，光程达到了10m甚至100m，但气体吸收室的口径仅几个毫米，且仅能满足小口径和发散角极小的红外辐射通过。对于超高光谱分辨率红外光谱仪(如光谱分辨率达到0.01cm^-1，甚至更高)，要求气体吸收谱线自展宽量需达到10^-3cm^-1量级，为减小气体自身的洛伦兹展宽量，需控制气体室内的压强小于1000pa，这只能通过减小充入气体的摩尔量。充入气体的摩尔量减小，气体的吸收系数α减小。为获得良好的气体特征吸收峰，保证谱定标精度，根据比尔定律，气体室的吸收光程需要达到1m以上。而目前已发明的大口径、大视场红外气体吸收室的吸收光程仅为几十厘米。不能满足超高光谱分辨率红外傅里叶变换光谱仪高精度光谱定标需求。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于气体特征吸收谱的红外光谱定标器。解决了超高光谱分辨率红外傅里叶变换光谱仪高精度光谱定标对于大口径、大视场、高吸收率、极窄精细气体特征吸收的红外辐射基准定标源的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

红外光谱定标器技术方案如图1所示：它的组成为面黑体辐射体1、辐射体温度控制器2、抛物镜pm13、抛物镜pm24、抛物镜pm37、抛物镜pm411、双面反射镜5、红外窗口镜6、气体舱9、抽气阀门8、充气阀门10和隔热波纹管12。面黑体辐射体1与辐射体温度控制器2组成红外辐射源。面黑体辐射体1通过隔热密封波纹管12与气体舱9、红外窗口镜6、抽气阀门8和充气阀门11构成密闭气体室。密闭气体室通过抽气阀门8与抽真空系统连接，由真空系统将内部抽成真空状态，特定高纯气体(如nh3、co和ch4等)经充气阀门11定量充入气体室内，形成特定高纯气体吸收工质。抛物镜pm13、抛物镜pm24、抛物镜pm37、抛物镜pm411中心对称安装于气体室内，抛物镜焦点位于对称中心，双面反射镜5安装在抛物镜pm24和抛物镜pm37之间，构成长光程光路系统。面黑体辐射体1发出的红外辐射，依次经双面反射镜5的a面、抛物镜pm13、抛物镜pm24、抛物镜pm37、抛物镜pm411和双面反射镜5的b面反射后，经红外窗口镜6出射。红外辐射在整个传播路径中被特定高纯气体吸收工质选择性吸收。出射的红外辐射携带着所充气体的特征吸收光谱信息，最终形成一种基于物质特征吸收峰的标准光谱定标源。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)面黑体辐射源、长光程光学系统与气体室一体化设计，结构简单、紧凑，作为独立光谱定标源设备，省去了黑体与气体室的装配工作，提高了工作效率；2)面黑体辐射体采用隔热波纹管与气体舱外壁隔热密封安装，减少了面黑体辐射体与气体室之间的热传导，辐射体升温时，确保了气体室处于常温状态；3)抛物镜pm1、抛物镜pm2、抛物镜pm3和抛物镜pm4采用中心对称式分布设计，与双面反射镜构成长光程光学系统，该系统通光口径达到φ50mm，视场达到±0.3°，有效吸收光程达到1450mm。保证了气体室内特定气体分压在1000pa时，仍能产生高吸收率的气体特征谱吸收。

附图说明

图1为；本发明的基于气体吸收特征谱的红外光谱定标器示意图；

图1中：

1—面黑体辐射体；

2—辐射体温度控制器；

3—抛物镜pm1；

4—抛物镜pm2；

5—双面反射镜；

6—红外窗口镜；

7—抛物镜pm3；

8—抽气阀门；

9—气体舱；

10—充气阀门；

11—抛物镜pm4；

12—隔热波纹管。

图2为：nh3归一化特征吸收谱图。

图3为：co归一化特征吸收谱图。

图4为：ch4归一化特征吸收谱图。

图5为：面黑体辐射体微锥结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明的结构示意图如图1所示，它用于超高光谱分辨率红外光谱仪高精度红外定标。主要参数为：面黑体辐射体1，有效口径为φ62mm，辐射面采用同心圆环微锥结构(见图5)，表面采用航天级黑漆发黑，发射率ε优于0.985，辐射体温度控制器的温控范围为298～450k，有效辐射面温度均匀性为±0.2k；隔热密封波纹管7口径为φ100mm，长度为30mm；长光程光学系统中，抛物镜的母镜顶点曲率半径为254mm，离轴量为136.12mm，偏离角度为30°，口径φ60mm，面型优于0.1λ@632.8nm，反射面镀金；双面反射镜口径为100×60mm，厚度10mm，双面镀金，面型优于0.1λ@632.8nm；红外窗口镜采用znse晶体，口径φ70mm，有效通光口径φ50mm，厚度10mm，两面镀增透膜，增透膜覆盖2.5～15.4μm；气体室的红外窗口密封采用o形圈密封，抽气与充气阀门采用全金属膜片式真空阀门。

使用步骤如下：

1)根据待标定的超高光谱分辨率红外光谱仪性能特点，确定气体种类，计算充入气体的量；

2)通过真空连接口，将本发明与抽真空系统和充气系统连接，打开抽气阀门8和充气阀门11，启动真空泵，将气体室及管路抽真空。当真空度达到10^-3pa时，关闭抽气阀门8和真空泵，打开充气系统和充气阀门11，充入定量的特定气体(如nh3、co和ch4等)，关闭充气阀门11。将本发明与真空系统和充气系统脱离；

3)将本发明放置在待标定的超高光谱分辨率红外光谱仪入光口前，调整位置；

4)打开辐射体温度控制器，设定面黑体辐射体温度，升温；

5)控温稳定后，开启超高光谱分辨率红外光谱仪数据采集。