深空探测超宽光谱定标黑体源研制

董惠文，张家平，练敏隆，肖大舟，王伟刚，鲁越晖

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 宁波大学 物理科学与技术学院，宁波 315211）（3 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波 315201）

0 引言

深空探测是针对月球以外的星体和行星，基于光谱探测技术开展小天体的地质学或表面热物理参数研究，用于探索宇宙起源、保护地球环境及避免重大灾难的重要技术。深空探测的关键技术之一是实现星上高精度辐射定标，低温目标超宽光谱高精度辐射定标源的研制是深空探测载荷领域需要迫切解决的重大难题［1-2］。为实现对遥远目标星体表面的有效探测，深空探测载荷需具备轻小结构、超宽波段、高分辨率［3-4］，其中轻小构型便于降低载重，携带更多的燃料和通信设备及其他有效载荷，适应深空探测载荷长期的深空飞行活动［5］；超宽光波谱段指载荷工作光谱需覆盖多种矿物和气体的特征吸收峰，尽可能多地鉴别物质种类，研究各类星体的矿物成分和大气组成等；高分辨率指载荷具备高光谱分辨率，由于深空探测对象的星体的矿物和气体等光谱成分复杂，且同族矿物的光谱信息相似，载荷的高光谱分辨率可有效提高物质鉴别精度。

深空探测小天体目标的辐射温度约在100～420 K，根据维恩位移定律，结合阻挡杂质带（Blocked Impurity Band，BIB）红外探测器可响应较宽的谱段［6-8］。美国中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）采用标准灯、深空、星上黑体和太阳等定标方式，光谱波段覆盖0.4～14.4 μm，其红外辐射定标黑体源发射率可达0.997，工作温区为270～315 K，温度均匀性为0.03～0.08 K［9］。美国陆地卫星（Landsat）的热红外通道采用了热红外探测器（Thermal Infrared Sensor，TIRS），TIRS 的星上定标黑体，光谱波段覆盖10.8～12 μm，工作温区为260～330 K，温度控制精度为0.1 K［10-12］。目前国内星载定标源对于可见光波段多采用定标灯和漫反射板定标，红外波段多采用面源黑体定标，其光谱一般可覆盖1～16 μm，发射率普遍在0.95 以上，均匀性优于0.4 K［13-15］。

本文构建深空探测载荷所需的5～50 μm 超宽光谱高发射高稳定性辐射定标黑体源，从深空探测用定标黑体源设计指标入手，研究了深空探测用定标黑体源工作原理、定标黑体的发射率仿真与参数优化、黑体源的温控系统设计、定标黑体的综合参数测量方法等内容。

1 星上定标黑体源工作原理与技术指标

深空探测光谱仪在轨工作一般通过指向机构，需要在冷空背景（4 K）定标［16-17］、星上黑体源（288～308 K）辐射定标、小天体目标（100～420 K）成像之间实现深空探测不同任务信号的切换。黑体源定标的基本工作原理：将冷空背景信号、目标辐射能量和星上黑体源辐射定标信号分别引入光谱仪干涉光学系统，在输出端自动实现辐射定标与背景信号的光学相减，剔除背景辐射影响，完成光谱仪高精度星上辐射定标，从而实现光谱仪精确反演小天体矿物质成分与温度信息的深空探测任务。图1 是深空探测光谱仪的定标原理示意图。

图1 深空探测光谱仪定标原理示意图Fig.1 Diagram of fundamental for spectrometer used in deep space

1） 研制的星上定标黑体源用于深空探测光谱仪星上定标，需要满足的主要技术指标为：1）工作温度为（25±10） ℃；2）工作光谱范围为5～50 μm；3）深低温黑体尺寸≤Φ20 mm；4）法向发射率≥0.98；5）温度稳定性优于0.2 K。

本文星上定标黑体源工程设计，兼顾星载黑体重量、温度均匀性和工艺易加工要求，优选2A12 铝合金材料作为星上定标黑体源基体。为实现星上定标黑体源高发射率性能，采用在基底加工微结构并喷涂超黑涂层的工艺提升方法。采用基于ADS124S08 的铂电阻高精度测温装置温控设计实现星上定标黑体源高精度测温。最终，将星上定标黑体源放置于真空罐中，模拟在轨工作环境进行温度稳定性测量，来评价黑体源测温稳定性指标。星上黑体设计构型如图2。

图2 星上定标黑体源设计构型Fig.2 Design configuration diagram of calibration black body on star

2 定标黑体源表面微结构的参数设计优化与超黑涂层

目前，国内外星上定标黑体源常采用的微结构形式有线阵V 形槽、金字塔微结构、同心圆V 形槽等。黑体源微结构的使用，一方面能提升黑体源辐射面积，另一方面通过对V 形槽的角度优化设计，可以进一步提升黑体源的发射率。工程实施中，除需考虑黑体源微结构形式的选择外，还需考虑黑体尺寸、形状以及加工工艺的易实现性。采用软件分析的方法对黑体源V 形槽进行计算仿真。

2.1 微结构仿真方法验证

星上定标辐射源表面将制作微结构，为确定微结构与发射率间的相互关系需对其进行理论计算。采用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics 软件作为仿真工具。为确认计算仿真方法的正确性和结果的准确性，首先采用该方法对已发表的文献数据进行验证。

验证对象为SHINOZAKI K 于2019 年发表的论文数据，该文以微锥结构为研究对象［18］，微锥结构模型如图3 所示，包括两部分域：倒三角沟槽和倒三角沟槽结构上方的空气域。将倒三角沟槽结构和空气域的两侧边界设置为周期性条件，将空气域上端设为端口1，入射光从端口1 进入。将倒三角沟槽结构底部设为端口2，入射光从空气域经过倒三角沟槽后，从端口2 射出。保证倒三角沟槽结构的底边长R不变，改变深度L。设置L/R参数从0～10 范围内变化，此处R设定为20 μm，计算波长为30 μm，得到倒三角沟槽结构发射率变化趋势如图4 所示。此处，R的设置由所关注的入射波长决定，当R小于入射波长时不会出现衍射现象，可简化计算，节约计算资源。事实上，此处影响发射特性的主要是L/R的比值，而R的取值是相对灵活的。

图3 用于仿真验证的微锥形状及几何参数示意图［18］Fig.3 Diagram of micro-cone shape and its geometrical parameter characterization for simulation verification

图4 发射率与微结构宽高比的关系Fig.4 Curves of emissivity spectra varying with the aspect ratio of micro-structure

图4 为文献报道结果与仿真结果的对比。由图4（a）可见，当材料自身发射率为0.7 时，即为L/R=0 的平面结构，随着L/R值增大至2 以上，发射率可提升至约0.90；由图4（b）可见，当采用自身发射率更高的材料，即当L/R=0 时发射率为0.9，随着L/R值增大至2 以上，发射率可提升至约0.98。图中仿真与参考文献数据曲线较为接近，相符程度很高，表明本文所采用的仿真计算方法准确可行。

从表3看出：乳熟期(5月16日)6个处理病情指数依次为处理3(玉米茬秸秆还田)>处理4(玉米茬秸秆还田加药剂拌种)>处理5(玉米茬秸秆清除)>处理6(玉米茬秸秆清除加药剂拌种)>处理1(清除西瓜茬)>处理2(清除西瓜茬加药剂拌种)。由此可见，小麦乳熟期以处理2(清除西瓜茬加药剂拌种处理)的茎基腐病感病最轻，病情指数为19.1；其次为处理1(清除西瓜茬处理)，病情指数为20.6；处理3(玉米秸秆茬还田)感病最重，病情指数为28.1；处理4(玉米茬秸秆还田加药剂拌种)和处理5(玉米茬秸秆清除处理)的感病也较重，病情指数分别为25.3和24.7。

2.2 微锥结构线阵V 槽发射率模拟

受采用倒三角沟槽微结构提升发射率的启示，同时考虑采用铣削技术实现微结构的实验可行性，引入线阵V 槽阵列结构至星上定标黑体对其发射率的影响。沿用2.1 节中已验证的仿真方法，对图5 所示结构进行发射率计算。首先线阵V 槽椎尖角度取值30°，槽深1 mm，这对于铣削工艺而言较容易实现。然而，在具体仿真计算过程中发现当槽深为1 mm 时，在5～50 μm 目标波长范围会出现大量的衍射极，导致无法利用波动光学理论进行计算。为了揭示其几何参数在目标波长中与发射率的关系，在保证椎尖角度不变的情况下，将V 槽进行等比缩小。计算中参考了文献中石墨碳材料的光学常数［19］，其折射率和消光系数分别取值为n=3.07，k=1。首先计算R=21.43 μm，L=40 μm 时的发射率光谱，如图6（a）所示；然后等比缩小V 槽尺寸至R=10.71 μm，L=20 μm，发射率光谱如图6（b）所示。由此可见，当对R和L进行等比缩放并不明显影响其发射率，因此，为了避免计算中大量出现的衍射级，可以通过选择较为合适的几何参数组合来进行仿真。相对于无微结构的平面黑体而言，具有线阵V 槽阵列的黑体显然具有更高的发射率，如图7 所示，在5～50 μm 的整个波段范围内的提升均十分显著。此外，需要注意的是此处的平片为理想状态下具有完全物理平面的石墨碳涂层，而在实际制备过程中所形成的涂层极有可能存在一定孔隙或具有表面粗糙度，导致其对红外电磁波吸收的增加，从而获得比理想平片更高一些的发射率。

图5 线阵V 槽二维平面结构示意图Fig.5 Diagram of linear array V-type trough structure

图6 线阵V 槽发射率光谱模拟结果Fig.6 Simulation results of spectral emittance for linear array V-type trough

图7 平片与线阵V 槽发射率对比模拟Fig.7 Comparison of the emissivity of the planar sample and the V-type trough array

2.3 定标黑体源微结构的吸光涂层技术

为满足宽波段范围高发射率要求，辐射黑体源表面加工最优角度的微结构，并对其喷涂超黑吸光材料，作为辐射体吸光材料。为避免辐射板上的超黑吸光材料在不同温差下从金属铝基体上脱落，需要做一系列试验验证吸光材料的粘稠性、固化时间、高低温冲击和涂覆在不同表面处理试件上的附着力，来确认铝材质黑体辐射板上涂覆方法和工艺。星上定标黑体的有效辐射面与安装底座设计为一体，使用螺钉固定在安装座，安装座与黑体之间设计隔热层。

选择超黑材料不但要考虑高吸收特性，还需要在耐高低温、长期物理特性不变和高导热性能等方面进行综合考虑。超黑涂层材料越黑，自身光吸收率越高，对应黑体发射率越高。国外代表产品有：英国的VANTABLACK、日本的Musou Black、以色列的ACKTAR，其发射率可达0.97～0.999 6，但这些材料几乎完全限购，其制备技术为卡脖子技术。国内超黑材料的研制单位有：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、清华大学等，其发射率通常为0.91～0.99。星上辐射定标黑体源涂层的选用，除要求超黑材料具备高本征发射率性能外，还需满足在轨辐照环境验证，考虑工艺的可行性、稳定性、牢固性、清洗性、修补性、经济性、外观等综合因素。

3 定标黑体源的温控系统设计

3.1 测温与控温器件优选

黑体辐射光谱强度分布与黑体温度紧密相关，星上定标黑体的温度控制，可确保定标黑体源的工作温度和辐射正确的目标光谱强度。星上定标黑体源的黑体工作温度为（25±10） ℃，黑体在轨存储温度为±60 ℃。

为了确保以上温度条件，在黑体表面嵌入MF61 系列薄膜负温度系数热敏电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），用于实时监测黑体表面的温度。热敏电阻在25 ℃的零功率电阻值为10×（1±1%） kΩ，负温度系数热敏电阻器的热敏常数B 值为3 950×（1±1%） K，温度曲线如图8 所示。

图8 MF61 系列薄膜NTC 热敏电阻温度曲线Fig.8 Temperature curve of MF61 series film NTC thermistor

利用赛贝克效应研制的热电冷却器（Thermoelectric Cooler，TEC）来加热和制冷器件［18-20］。当加直流偏置电流在TEC 两端时，TEC 的一端加热，另一端制冷，发热端称为“热端”，制冷端称为“冷端”。如果把TEC两端的偏置电流反向，则热端与冷端互换。因此，可通过调节流过TEC 两端电流的大小和方向来控制黑体表面的温度。

3.2 高精度温度装置设计

高精度温度测量装置可以准确有效地实时测量黑体表面的温度［20-24］。选用TI 的高精度电压基准REF6225 输出2.5 V 基准电压，通过精密金属电阻限流为NTC 输出100 μA 的恒定电流，此时NTC 在25 ℃时电压为1 V。选用TI 的24 位精密数模转换芯片ADS124S08，采用四线电阻式温度检测器（Resistance Temperature Detector，RTD）进行温度测量，芯片可以最小分辨0.022 65 μV 的电压，如图9 所示。

图9 高精度温度测量装置Fig.9 High precision temperature measuring device

TEC 驱动装置可以有效控制TEC，实现升温和降温的过程。选用TI 的电源管理芯片TPS63020 作控制器，能够拉取和灌入电流来驱动 TEC，从而控制黑体表面的温度，图10 所示为TEC 驱动装置。

图10 TEC 驱动装置Fig.10 TEC drive device

3.3 深空探测黑体源温控系统设计

图11 深空探测黑体控制系统框图Fig.11 Block diagram of deep space exploration blackbody control system

4 定标黑体的综合参数测量方法

4.1 光谱发射率测量

为保证定标黑体源工程应用发射率的确定性，对其进行发射率计量，选用中国计量科学研究院建立的一套基于控制环境辐射的发射率测量装置［25-26］，其测量不确定度为0.29%（k＝2）。

基尔霍夫定律是在平衡状态下，物质的吸收率等于发射率，吸收能量等于发射能量，故辐射计在某一波段下探测到的辐射能量与黑体在该波段下总辐射能相等［27］。假设在该波段下黑体发射率为常数，可得到［26］

式中，T为辐射温度计温度值，单位为K；e为发射率；Bλ(Tbb)为黑体在温度为Tbb时的辐射能；Iλ，bg为黑体反射环境辐射能。

使用Sakuma-Hattori 方程计算的探测器输出为

式中，A、B、C为方程的定标系数，A、B可由探测器的中心波长与探测器波长响应宽度计算得到，C待定，可通过定标结果拟合得出；c2为第二辐射常数，其值为0.014 388 m·K。假设响应幅度为1，可将S（T）视为辐射温度计接收到的辐射亮度。

由此可以得到黑体光谱发射率计算公式，通过定标数据采集及结果拟合便可得到黑体光谱发射率。测量发射率得到如图12 的发射率光谱曲线。

图12 光谱发射率测试曲线Fig.12 Spectral emissivity test curve

由图12 可知，在5～50 μm 光谱区间，超黑涂层平均发射率为0.969 6，超黑微结构黑体源平均发射率为0.986 6。超黑微结构黑体源平均发射率比超黑涂层平均发射率提升0.017。

4.2 温度稳定性测量

高温度稳定性星上辐射定标黑体源可实现深空探测光谱仪高精度辐射定标［28-31］，因此定标黑体源的温度稳定性对于定标精度而言至关重要，对所制备的深低温黑体源进行温度控制系统验证实验。

定标黑体的环境边界条件为：地面实验室环境（常温常压）安装、地面低温真空环境测试（小于0.005 Pa）、在轨真空低温环境工作。定标黑体低温真空环境测试需满足功能要求，用于定标黑体控制电路通断测试。黑体工作温度为（25±10） ℃，黑体在轨存储温度为±60 ℃。为了保证温度的稳定性和准确性，将黑体基板放入真空灌中，温度保持时间为4 h。图13 为深空探测黑体真空测试现场。

图13 深空探测黑体真空测试现场Fig.13 Blackbody vacuum test field of deep space exploration

温度控制系统采用四线RTD 的温度测量。设置测试环境温度为10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，理论上NTC 的阻值依次为19.893 kΩ、15.739 kΩ、12.526 kΩ、10 kΩ、8.073 kΩ、6.537 kΩ。如表1。

表1 温度稳定性测量Table 1 Temperature stability measurement

运行黑体测试系统，水槽温度依次设置为10.2 ℃、15.2 ℃、20.4 ℃、25.1 ℃、30.5 ℃、35.3 ℃，对每个温度点，待系统温度稳定后读取黑体的温度数据，分别选随机取其中的50 个数据记录，如图14。

图14 深空探测黑体温度点分析曲线Fig.14 Blackbody temperature point analysis curve for deep space exploration

综上所测试验数据，本系统在10～40 ℃温度范围内温度稳定性为0.16 K。

5 星上辐射定标黑体源产品

深空探测光谱仪的星上辐射定标黑体源，采用优化微锥结构加喷涂超黑碳球复合材料涂层的设计优化及工艺优化方法提升其超宽光谱高发射率性能。超黑吸光材料主原材料为直径5 ～30 nm 纳米碳球，通过表面修饰改性使其便于成膜。采用爆炸冲击法，利用瞬间高温高压环境及冲击波能量，使粒子加速运动，实现超黑纳米碳球的宏量制备。通过调控爆轰原料和工艺，将第二相原子或分子嵌入富勒烯笼内，形成改性后的超黑碳球复合材料。通过调整超黑材料成分及比率，在5～50 μm 光谱区间，超黑涂层平均发射率为0.969 6。将超黑涂层喷覆至优化的最优参数微锥结构表面，综合提升深空探测光谱仪的星上辐射定标黑体源宽谱段高发射率性能。最终，星上辐射定标黑体源平均发射率为0.986 6，优于技术指标要求的法向发射率≥0.98。通过测温与控温器件优选、高精度温度装置设计，及温控系统设计来提升深空探测黑体源温度稳定性，经真空装置温度稳定性测量验证，星上辐射定标黑体源温度稳定性为0.16 K，优于技术指标要求的温度稳定性优于0.2 K。星上辐射定标黑体源的测温元件、粘胶、基底材料及涂层材料通过空间辐照条件和在轨使用寿命条件验证，满足工程应用条件。图15 为深空探测星上辐射定标黑体源产品。

图15 深空探测星上辐射定标黑体源Fig.15 Radiometric calibration blackbody source on a deep space probe

6 结论

本文提出一种基于微结构和超黑涂层的的宽谱段、高发射率、高稳定性星上定标源，可实现深空探测载荷对小天体目标的观测。通过星上定标黑体源辐射面微结构优化分析，得到宽谱段发射率设计最优参数，再优选碳基超黑涂层，进一步提升黑体源的光谱发射率；通过黑体源温控器件的优选及温控系统优化，得到黑体源高温度稳定性系统。综合参数测量评定表明，定标黑体源指标合格，性能优良，满足工程使用条件，展现出宽光谱（5～50 μm）、高发射率（0.986）、高稳定性（0.16 K）的特点，可为后续应用提供技术支撑。