深空探測超寬光譜定標黑體源研制

董惠文，張家平，練敏隆，肖大舟，王偉剛，魯越暉

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 寧波大學 物理科學與技術學院，寧波 315211）（3 中國科學院寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201）

0 引言

深空探測是針對月球以外的星體和行星，基于光譜探測技術開展小天體的地質學或表面熱物理參數研究，用于探索宇宙起源、保護地球環境及避免重大災難的重要技術。深空探測的關鍵技術之一是實現星上高精度輻射定標，低溫目標超寬光譜高精度輻射定標源的研制是深空探測載荷領域需要迫切解決的重大難題［1-2］。為實現對遙遠目標星體表面的有效探測，深空探測載荷需具備輕小結構、超寬波段、高分辨率［3-4］，其中輕小構型便于降低載重，攜帶更多的燃料和通信設備及其他有效載荷，適應深空探測載荷長期的深空飛行活動［5］；超寬光波譜段指載荷工作光譜需覆蓋多種礦物和氣體的特征吸收峰，盡可能多地鑒別物質種類，研究各類星體的礦物成分和大氣組成等；高分辨率指載荷具備高光譜分辨率，由于深空探測對象的星體的礦物和氣體等光譜成分復雜，且同族礦物的光譜信息相似，載荷的高光譜分辨率可有效提高物質鑒別精度。

深空探測小天體目標的輻射溫度約在100～420 K，根據維恩位移定律，結合阻擋雜質帶（Blocked Impurity Band，BIB）紅外探測器可響應較寬的譜段［6-8］。美國中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）采用標準燈、深空、星上黑體和太陽等定標方式，光譜波段覆蓋0.4～14.4 μm，其紅外輻射定標黑體源發射率可達0.997，工作溫區為270～315 K，溫度均勻性為0.03～0.08 K［9］。美國陸地衛星（Landsat）的熱紅外通道采用了熱紅外探測器（Thermal Infrared Sensor，TIRS），TIRS 的星上定標黑體，光譜波段覆蓋10.8～12 μm，工作溫區為260～330 K，溫度控制精度為0.1 K［10-12］。目前國內星載定標源對于可見光波段多采用定標燈和漫反射板定標，紅外波段多采用面源黑體定標，其光譜一般可覆蓋1～16 μm，發射率普遍在0.95 以上，均勻性優于0.4 K［13-15］。

本文構建深空探測載荷所需的5～50 μm 超寬光譜高發射高穩定性輻射定標黑體源，從深空探測用定標黑體源設計指標入手，研究了深空探測用定標黑體源工作原理、定標黑體的發射率仿真與參數優化、黑體源的溫控系統設計、定標黑體的綜合參數測量方法等內容。

1 星上定標黑體源工作原理與技術指標

深空探測光譜儀在軌工作一般通過指向機構，需要在冷空背景（4 K）定標［16-17］、星上黑體源（288～308 K）輻射定標、小天體目標（100～420 K）成像之間實現深空探測不同任務信號的切換。黑體源定標的基本工作原理：將冷空背景信號、目標輻射能量和星上黑體源輻射定標信號分別引入光譜儀干涉光學系統，在輸出端自動實現輻射定標與背景信號的光學相減，剔除背景輻射影響，完成光譜儀高精度星上輻射定標，從而實現光譜儀精確反演小天體礦物質成分與溫度信息的深空探測任務。圖1 是深空探測光譜儀的定標原理示意圖。

圖1 深空探測光譜儀定標原理示意圖Fig.1 Diagram of fundamental for spectrometer used in deep space

1） 研制的星上定標黑體源用于深空探測光譜儀星上定標，需要滿足的主要技術指標為：1）工作溫度為（25±10） ℃；2）工作光譜范圍為5～50 μm；3）深低溫黑體尺寸≤Φ20 mm；4）法向發射率≥0.98；5）溫度穩定性優于0.2 K。

本文星上定標黑體源工程設計，兼顧星載黑體重量、溫度均勻性和工藝易加工要求，優選2A12 鋁合金材料作為星上定標黑體源基體。為實現星上定標黑體源高發射率性能，采用在基底加工微結構并噴涂超黑涂層的工藝提升方法。采用基于ADS124S08 的鉑電阻高精度測溫裝置溫控設計實現星上定標黑體源高精度測溫。最終，將星上定標黑體源放置于真空罐中，模擬在軌工作環境進行溫度穩定性測量，來評價黑體源測溫穩定性指標。星上黑體設計構型如圖2。

圖2 星上定標黑體源設計構型Fig.2 Design configuration diagram of calibration black body on star

2 定標黑體源表面微結構的參數設計優化與超黑涂層

目前，國內外星上定標黑體源常采用的微結構形式有線陣V 形槽、金字塔微結構、同心圓V 形槽等。黑體源微結構的使用，一方面能提升黑體源輻射面積，另一方面通過對V 形槽的角度優化設計，可以進一步提升黑體源的發射率。工程實施中，除需考慮黑體源微結構形式的選擇外，還需考慮黑體尺寸、形狀以及加工工藝的易實現性。采用軟件分析的方法對黑體源V 形槽進行計算仿真。

2.1 微結構仿真方法驗證

星上定標輻射源表面將制作微結構，為確定微結構與發射率間的相互關系需對其進行理論計算。采用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics 軟件作為仿真工具。為確認計算仿真方法的正確性和結果的準確性，首先采用該方法對已發表的文獻數據進行驗證。

驗證對象為SHINOZAKI K 于2019 年發表的論文數據，該文以微錐結構為研究對象［18］，微錐結構模型如圖3 所示，包括兩部分域：倒三角溝槽和倒三角溝槽結構上方的空氣域。將倒三角溝槽結構和空氣域的兩側邊界設置為周期性條件，將空氣域上端設為端口1，入射光從端口1 進入。將倒三角溝槽結構底部設為端口2，入射光從空氣域經過倒三角溝槽后，從端口2 射出。保證倒三角溝槽結構的底邊長R不變，改變深度L。設置L/R參數從0～10 范圍內變化，此處R設定為20 μm，計算波長為30 μm，得到倒三角溝槽結構發射率變化趨勢如圖4 所示。此處，R的設置由所關注的入射波長決定，當R小于入射波長時不會出現衍射現象，可簡化計算，節約計算資源。事實上，此處影響發射特性的主要是L/R的比值，而R的取值是相對靈活的。

圖3 用于仿真驗證的微錐形狀及幾何參數示意圖［18］Fig.3 Diagram of micro-cone shape and its geometrical parameter characterization for simulation verification

圖4 發射率與微結構寬高比的關系Fig.4 Curves of emissivity spectra varying with the aspect ratio of micro-structure

圖4 為文獻報道結果與仿真結果的對比。由圖4（a）可見，當材料自身發射率為0.7 時，即為L/R=0 的平面結構，隨著L/R值增大至2 以上，發射率可提升至約0.90；由圖4（b）可見，當采用自身發射率更高的材料，即當L/R=0 時發射率為0.9，隨著L/R值增大至2 以上，發射率可提升至約0.98。圖中仿真與參考文獻數據曲線較為接近，相符程度很高，表明本文所采用的仿真計算方法準確可行。

從表3看出：乳熟期(5月16日)6個處理病情指數依次為處理3(玉米茬秸稈還田)>處理4(玉米茬秸稈還田加藥劑拌種)>處理5(玉米茬秸稈清除)>處理6(玉米茬秸稈清除加藥劑拌種)>處理1(清除西瓜茬)>處理2(清除西瓜茬加藥劑拌種)。由此可見，小麥乳熟期以處理2(清除西瓜茬加藥劑拌種處理)的莖基腐病感病最輕，病情指數為19.1；其次為處理1(清除西瓜茬處理)，病情指數為20.6；處理3(玉米秸稈茬還田)感病最重，病情指數為28.1；處理4(玉米茬秸稈還田加藥劑拌種)和處理5(玉米茬秸稈清除處理)的感病也較重，病情指數分別為25.3和24.7。

2.2 微錐結構線陣V 槽發射率模擬

受采用倒三角溝槽微結構提升發射率的啟示，同時考慮采用銑削技術實現微結構的實驗可行性，引入線陣V 槽陣列結構至星上定標黑體對其發射率的影響。沿用2.1 節中已驗證的仿真方法，對圖5 所示結構進行發射率計算。首先線陣V 槽椎尖角度取值30°，槽深1 mm，這對于銑削工藝而言較容易實現。然而，在具體仿真計算過程中發現當槽深為1 mm 時，在5～50 μm 目標波長范圍會出現大量的衍射極，導致無法利用波動光學理論進行計算。為了揭示其幾何參數在目標波長中與發射率的關系，在保證椎尖角度不變的情況下，將V 槽進行等比縮小。計算中參考了文獻中石墨碳材料的光學常數［19］，其折射率和消光系數分別取值為n=3.07，k=1。首先計算R=21.43 μm，L=40 μm 時的發射率光譜，如圖6（a）所示；然后等比縮小V 槽尺寸至R=10.71 μm，L=20 μm，發射率光譜如圖6（b）所示。由此可見，當對R和L進行等比縮放并不明顯影響其發射率，因此，為了避免計算中大量出現的衍射級，可以通過選擇較為合適的幾何參數組合來進行仿真。相對于無微結構的平面黑體而言，具有線陣V 槽陣列的黑體顯然具有更高的發射率，如圖7 所示，在5～50 μm 的整個波段范圍內的提升均十分顯著。此外，需要注意的是此處的平片為理想狀態下具有完全物理平面的石墨碳涂層，而在實際制備過程中所形成的涂層極有可能存在一定孔隙或具有表面粗糙度，導致其對紅外電磁波吸收的增加，從而獲得比理想平片更高一些的發射率。

圖5 線陣V 槽二維平面結構示意圖Fig.5 Diagram of linear array V-type trough structure

圖6 線陣V 槽發射率光譜模擬結果Fig.6 Simulation results of spectral emittance for linear array V-type trough

圖7 平片與線陣V 槽發射率對比模擬Fig.7 Comparison of the emissivity of the planar sample and the V-type trough array

2.3 定標黑體源微結構的吸光涂層技術

為滿足寬波段范圍高發射率要求，輻射黑體源表面加工最優角度的微結構，并對其噴涂超黑吸光材料，作為輻射體吸光材料。為避免輻射板上的超黑吸光材料在不同溫差下從金屬鋁基體上脫落，需要做一系列試驗驗證吸光材料的粘稠性、固化時間、高低溫沖擊和涂覆在不同表面處理試件上的附著力，來確認鋁材質黑體輻射板上涂覆方法和工藝。星上定標黑體的有效輻射面與安裝底座設計為一體，使用螺釘固定在安裝座，安裝座與黑體之間設計隔熱層。

選擇超黑材料不但要考慮高吸收特性，還需要在耐高低溫、長期物理特性不變和高導熱性能等方面進行綜合考慮。超黑涂層材料越黑，自身光吸收率越高，對應黑體發射率越高。國外代表產品有：英國的VANTABLACK、日本的Musou Black、以色列的ACKTAR，其發射率可達0.97～0.999 6，但這些材料幾乎完全限購，其制備技術為卡脖子技術。國內超黑材料的研制單位有：中國科學院寧波材料技術與工程研究所、中國科學院重慶綠色智能技術研究院、清華大學等，其發射率通常為0.91～0.99。星上輻射定標黑體源涂層的選用，除要求超黑材料具備高本征發射率性能外，還需滿足在軌輻照環境驗證，考慮工藝的可行性、穩定性、牢固性、清洗性、修補性、經濟性、外觀等綜合因素。

3 定標黑體源的溫控系統設計

3.1 測溫與控溫器件優選

黑體輻射光譜強度分布與黑體溫度緊密相關，星上定標黑體的溫度控制，可確保定標黑體源的工作溫度和輻射正確的目標光譜強度。星上定標黑體源的黑體工作溫度為（25±10） ℃，黑體在軌存儲溫度為±60 ℃。

為了確保以上溫度條件，在黑體表面嵌入MF61 系列薄膜負溫度系數熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），用于實時監測黑體表面的溫度。熱敏電阻在25 ℃的零功率電阻值為10×（1±1%） kΩ，負溫度系數熱敏電阻器的熱敏常數B 值為3 950×（1±1%） K，溫度曲線如圖8 所示。

圖8 MF61 系列薄膜NTC 熱敏電阻溫度曲線Fig.8 Temperature curve of MF61 series film NTC thermistor

利用賽貝克效應研制的熱電冷卻器（Thermoelectric Cooler，TEC）來加熱和制冷器件［18-20］。當加直流偏置電流在TEC 兩端時，TEC 的一端加熱，另一端制冷，發熱端稱為“熱端”，制冷端稱為“冷端”。如果把TEC兩端的偏置電流反向，則熱端與冷端互換。因此，可通過調節流過TEC 兩端電流的大小和方向來控制黑體表面的溫度。

3.2 高精度溫度裝置設計

高精度溫度測量裝置可以準確有效地實時測量黑體表面的溫度［20-24］。選用TI 的高精度電壓基準REF6225 輸出2.5 V 基準電壓，通過精密金屬電阻限流為NTC 輸出100 μA 的恒定電流，此時NTC 在25 ℃時電壓為1 V。選用TI 的24 位精密數模轉換芯片ADS124S08，采用四線電阻式溫度檢測器（Resistance Temperature Detector，RTD）進行溫度測量，芯片可以最小分辨0.022 65 μV 的電壓，如圖9 所示。

圖9 高精度溫度測量裝置Fig.9 High precision temperature measuring device

TEC 驅動裝置可以有效控制TEC，實現升溫和降溫的過程。選用TI 的電源管理芯片TPS63020 作控制器，能夠拉取和灌入電流來驅動 TEC，從而控制黑體表面的溫度，圖10 所示為TEC 驅動裝置。

圖10 TEC 驅動裝置Fig.10 TEC drive device

3.3 深空探測黑體源溫控系統設計

圖11 深空探測黑體控制系統框圖Fig.11 Block diagram of deep space exploration blackbody control system

4 定標黑體的綜合參數測量方法

4.1 光譜發射率測量

為保證定標黑體源工程應用發射率的確定性，對其進行發射率計量，選用中國計量科學研究院建立的一套基于控制環境輻射的發射率測量裝置［25-26］，其測量不確定度為0.29%（k＝2）。

基爾霍夫定律是在平衡狀態下，物質的吸收率等于發射率，吸收能量等于發射能量，故輻射計在某一波段下探測到的輻射能量與黑體在該波段下總輻射能相等［27］。假設在該波段下黑體發射率為常數，可得到［26］

式中，T為輻射溫度計溫度值，單位為K；e為發射率；Bλ(Tbb)為黑體在溫度為Tbb時的輻射能；Iλ，bg為黑體反射環境輻射能。

使用Sakuma-Hattori 方程計算的探測器輸出為

式中，A、B、C為方程的定標系數，A、B可由探測器的中心波長與探測器波長響應寬度計算得到，C待定，可通過定標結果擬合得出；c2為第二輻射常數，其值為0.014 388 m·K。假設響應幅度為1，可將S（T）視為輻射溫度計接收到的輻射亮度。

由此可以得到黑體光譜發射率計算公式，通過定標數據采集及結果擬合便可得到黑體光譜發射率。測量發射率得到如圖12 的發射率光譜曲線。

圖12 光譜發射率測試曲線Fig.12 Spectral emissivity test curve

由圖12 可知，在5～50 μm 光譜區間，超黑涂層平均發射率為0.969 6，超黑微結構黑體源平均發射率為0.986 6。超黑微結構黑體源平均發射率比超黑涂層平均發射率提升0.017。

4.2 溫度穩定性測量

高溫度穩定性星上輻射定標黑體源可實現深空探測光譜儀高精度輻射定標［28-31］，因此定標黑體源的溫度穩定性對于定標精度而言至關重要，對所制備的深低溫黑體源進行溫度控制系統驗證實驗。

定標黑體的環境邊界條件為：地面實驗室環境（常溫常壓）安裝、地面低溫真空環境測試（小于0.005 Pa）、在軌真空低溫環境工作。定標黑體低溫真空環境測試需滿足功能要求，用于定標黑體控制電路通斷測試。黑體工作溫度為（25±10） ℃，黑體在軌存儲溫度為±60 ℃。為了保證溫度的穩定性和準確性，將黑體基板放入真空灌中，溫度保持時間為4 h。圖13 為深空探測黑體真空測試現場。

圖13 深空探測黑體真空測試現場Fig.13 Blackbody vacuum test field of deep space exploration

溫度控制系統采用四線RTD 的溫度測量。設置測試環境溫度為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，理論上NTC 的阻值依次為19.893 kΩ、15.739 kΩ、12.526 kΩ、10 kΩ、8.073 kΩ、6.537 kΩ。如表1。

表1 溫度穩定性測量Table 1 Temperature stability measurement

運行黑體測試系統，水槽溫度依次設置為10.2 ℃、15.2 ℃、20.4 ℃、25.1 ℃、30.5 ℃、35.3 ℃，對每個溫度點，待系統溫度穩定后讀取黑體的溫度數據，分別選隨機取其中的50 個數據記錄，如圖14。

圖14 深空探測黑體溫度點分析曲線Fig.14 Blackbody temperature point analysis curve for deep space exploration

綜上所測試驗數據，本系統在10～40 ℃溫度范圍內溫度穩定性為0.16 K。

5 星上輻射定標黑體源產品

深空探測光譜儀的星上輻射定標黑體源，采用優化微錐結構加噴涂超黑碳球復合材料涂層的設計優化及工藝優化方法提升其超寬光譜高發射率性能。超黑吸光材料主原材料為直徑5 ～30 nm 納米碳球，通過表面修飾改性使其便于成膜。采用爆炸沖擊法，利用瞬間高溫高壓環境及沖擊波能量，使粒子加速運動，實現超黑納米碳球的宏量制備。通過調控爆轟原料和工藝，將第二相原子或分子嵌入富勒烯籠內，形成改性后的超黑碳球復合材料。通過調整超黑材料成分及比率，在5～50 μm 光譜區間，超黑涂層平均發射率為0.969 6。將超黑涂層噴覆至優化的最優參數微錐結構表面，綜合提升深空探測光譜儀的星上輻射定標黑體源寬譜段高發射率性能。最終，星上輻射定標黑體源平均發射率為0.986 6，優于技術指標要求的法向發射率≥0.98。通過測溫與控溫器件優選、高精度溫度裝置設計，及溫控系統設計來提升深空探測黑體源溫度穩定性，經真空裝置溫度穩定性測量驗證，星上輻射定標黑體源溫度穩定性為0.16 K，優于技術指標要求的溫度穩定性優于0.2 K。星上輻射定標黑體源的測溫元件、粘膠、基底材料及涂層材料通過空間輻照條件和在軌使用壽命條件驗證，滿足工程應用條件。圖15 為深空探測星上輻射定標黑體源產品。

圖15 深空探測星上輻射定標黑體源Fig.15 Radiometric calibration blackbody source on a deep space probe

6 結論

本文提出一種基于微結構和超黑涂層的的寬譜段、高發射率、高穩定性星上定標源，可實現深空探測載荷對小天體目標的觀測。通過星上定標黑體源輻射面微結構優化分析，得到寬譜段發射率設計最優參數，再優選碳基超黑涂層，進一步提升黑體源的光譜發射率；通過黑體源溫控器件的優選及溫控系統優化，得到黑體源高溫度穩定性系統。綜合參數測量評定表明，定標黑體源指標合格，性能優良，滿足工程使用條件，展現出寬光譜（5～50 μm）、高發射率（0.986）、高穩定性（0.16 K）的特點，可為后續應用提供技術支撐。