紅外光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的溫漂修正方法

張宇峰，戴景民，陸曉東，邵珠峰，吳元慶

1.渤海大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121013 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

紅外光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的溫漂修正方法

張宇峰1，戴景民2，陸曉東1，邵珠峰1，吳元慶1

1.渤海大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121013 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

針對(duì)探測(cè)器光譜響應(yīng)度溫漂現(xiàn)象對(duì)紅外光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性的影響，分析探測(cè)器溫度與輸出電壓之間的變化規(guī)律，提出了基于多項(xiàng)式擬合的光譜響應(yīng)度溫漂修正方法。研究探測(cè)器自身溫度與其光譜響應(yīng)度的函數(shù)關(guān)系，對(duì)探測(cè)器光譜響應(yīng)度隨溫度變化的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到探測(cè)器溫度-光譜響應(yīng)度的擬合方程，計(jì)算光譜響應(yīng)度的溫漂修正系數(shù)，修正探測(cè)器的輸出電壓，消除光譜響應(yīng)度溫漂現(xiàn)象對(duì)探測(cè)器輸出電壓造成的影響。研制光譜響應(yīng)度溫漂修正裝置，測(cè)得探測(cè)器光譜響度的溫漂曲線，對(duì)比指數(shù)擬合曲線和多項(xiàng)式擬合曲線與測(cè)量曲線的吻合度，結(jié)果表明6階多項(xiàng)式擬合曲線的一致性較好，提高了基于積分球反射計(jì)的光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性。

光譜響應(yīng)度；溫漂修正；多項(xiàng)式擬合；發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)

引 言

紅外探測(cè)器(infrared detector)是將目標(biāo)的紅外輻射信息轉(zhuǎn)變成相關(guān)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件，廣泛應(yīng)用于紅外輻射測(cè)溫[1-2]、材料光譜發(fā)射率測(cè)量領(lǐng)域[3-4]。對(duì)基于積分球反射計(jì)的光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)而言[5]，紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果重復(fù)性起到至關(guān)重要的作用。

光譜響應(yīng)度是紅外探測(cè)器的重要參數(shù)之一，定義為探測(cè)器輸出電信號(hào)(電壓或電流)與入射光譜輻射量(輻射亮度或輻射功率)的比值[6-7]。在發(fā)射率測(cè)量領(lǐng)域，環(huán)境溫度影響光譜輻射亮度測(cè)量裝置中探測(cè)器的工作溫度，導(dǎo)致探測(cè)器自身溫度產(chǎn)生不同程度的溫度漂移[8-12]，尤其在被測(cè)目標(biāo)為高溫物體且輻射面較大的情況下，輻射及對(duì)流引起周圍環(huán)境溫度升高，紅外探測(cè)器受被測(cè)目標(biāo)的熱輻射影響，自身溫度不斷升高，導(dǎo)致探測(cè)器光譜響應(yīng)度改變，引起探測(cè)器輸出電壓變化，從而影響測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性[12-15]。

為提高基于積分球反射計(jì)光譜發(fā)射率測(cè)量的重復(fù)性，解決紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)度的溫漂問題，提出一種基于多項(xiàng)式擬合的光譜響應(yīng)度溫漂修正方法。在建立溫漂修正裝置的基礎(chǔ)上，采用輻射溫度計(jì)對(duì)探測(cè)器自身溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲得光譜響應(yīng)度的溫漂曲線，通過數(shù)據(jù)擬合得到溫漂曲線的擬合方程，確定探測(cè)器溫度與光譜響應(yīng)度之間的函數(shù)關(guān)系及溫漂修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器光譜響應(yīng)度溫度漂移的修正。

1 光譜響應(yīng)度的溫漂修正裝置

針對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的光譜探測(cè)范圍及檢測(cè)原理，采用三臺(tái)不同光柵刻線數(shù)的光譜儀，建立1～10 μm的光譜響應(yīng)度溫漂修正裝置。如圖1所示，裝置主要由以下幾個(gè)部分組成：光譜輻射亮度可調(diào)的氮化硅輻射源；調(diào)制頻率范圍10～1 000 Hz的斬波器；三臺(tái)光柵刻線數(shù)分別為600，300和100 L·mm-1的單色儀；改變探測(cè)器自身溫度的環(huán)形加熱器；輻射測(cè)溫儀；實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、電壓測(cè)量、數(shù)據(jù)采集的相關(guān)配套器件。

圖1 光譜響應(yīng)度溫漂修正裝置構(gòu)成圖

待修正的探測(cè)器處于輻射源與單色儀輸出孔的連線上，環(huán)形加熱器以恒定功率可對(duì)探測(cè)器進(jìn)行均勻加熱。根據(jù)輻射測(cè)溫理論中輻射溫度、發(fā)射率和真實(shí)溫度之間的關(guān)系，探測(cè)器表面涂覆有已知發(fā)射率的高發(fā)射率涂層，以達(dá)到輻射測(cè)量其真實(shí)溫度的目的。加熱器上測(cè)溫孔設(shè)計(jì)為漏斗形，防止測(cè)溫孔與探測(cè)器表面形成黑體空腔結(jié)構(gòu)，影響輻射測(cè)溫的準(zhǔn)確性。這樣，在發(fā)射率已知的情況下，輻射溫度計(jì)可測(cè)量探測(cè)器的真實(shí)溫度，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)。

光源發(fā)射出連續(xù)的、穩(wěn)定的輻射，經(jīng)斬波器后具有特定調(diào)制頻率，調(diào)制后的輻射進(jìn)入到單色儀，經(jīng)光柵的衍射分光后形成不同波長(zhǎng)的單色輻射，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)光柵的旋轉(zhuǎn)角度，使不同波長(zhǎng)的單色輻射經(jīng)輸出狹縫透射到探測(cè)器，探測(cè)器將該波長(zhǎng)的輻射亮度轉(zhuǎn)換成微弱的交流電壓信號(hào)，與斬波器輸出的參考信號(hào)一起進(jìn)入鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大后得到直流的電壓測(cè)量值，通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

2 光譜響應(yīng)度的溫漂修正原理

對(duì)于輻射法測(cè)量物體溫度而言，無法根本上消除自身溫度漂移對(duì)輻射計(jì)光譜響應(yīng)度的影響，為提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確性，只能研究自身溫度與輸出電壓之間變化規(guī)律，測(cè)得光譜響應(yīng)度變化率的溫漂曲線，通過數(shù)據(jù)擬合方法得到溫漂曲線的擬合方程，確定溫漂修正系數(shù)，通過溫漂修正方程對(duì)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度進(jìn)行修正，消除自身溫度漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果重復(fù)性的影響。

圖2 光譜響應(yīng)度溫漂修正原理圖

2.1 光譜響應(yīng)度變化率的溫漂曲線

為研究探測(cè)器光譜響應(yīng)度隨溫度變化的規(guī)律，采用恒定功率的加熱裝置，使探測(cè)器溫度從環(huán)境溫度(Te=300 K)開始緩慢升高，直至測(cè)量電壓值趨于平穩(wěn)。對(duì)升溫過程中探測(cè)器溫度和某波長(zhǎng)下光譜輻射亮度的測(cè)量電壓進(jìn)行同步測(cè)量，得到探測(cè)器溫度和測(cè)量電壓隨時(shí)間變化的曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 探測(cè)器溫度曲線

圖4 探測(cè)器輸出電壓曲線

探測(cè)器光譜響應(yīng)度是波長(zhǎng)和自身溫度的函數(shù)，記為R(λ，TR)，則輸出電壓表示為

Vλ(T，TR)=R(λ，TR)Lλ(T)+Vλ(Te)

(1)

在斬波器和鎖相放大器的作用下，進(jìn)入探測(cè)器有效視場(chǎng)范圍內(nèi)的環(huán)境輻射量十分微少，引起的電壓響應(yīng)相當(dāng)微弱，即使在環(huán)境溫度達(dá)到最大值時(shí)，通過遮擋被測(cè)目標(biāo)測(cè)得Vλ(Te)的電壓值很小。

在忽略環(huán)境輻射影響的條件下，輻射計(jì)輸出電壓為

Vλ(T，TR)=R(λ，TR)Lλ(T)

(2)

將輻射計(jì)各溫度點(diǎn)的輸出電壓值Vλ(T，TRi)除以初始溫度的輸出電壓值Vλ(T，300)，得到該溫度點(diǎn)光譜響應(yīng)度與初始溫度點(diǎn)光譜響應(yīng)度的比值R(TRi)/R(300)，這一比值與被測(cè)目標(biāo)的溫度無關(guān)，僅與輻射計(jì)自身溫度相關(guān)的變量。以該時(shí)刻同步測(cè)量得到的輻射計(jì)自身溫度TR為橫坐標(biāo)T，以該溫度點(diǎn)光譜響應(yīng)度與初始溫度點(diǎn)光譜響應(yīng)度的比值為縱坐標(biāo)，如圖5所示，得到光譜響應(yīng)度變化率隨溫度變化的ROR(TR)曲線，曲線的縱坐標(biāo)值

(3)

圖5 探測(cè)器的T-ROR曲線

2.2 光譜響應(yīng)度變化率曲線的數(shù)據(jù)擬合

通過對(duì)探測(cè)器光譜響應(yīng)度變化率測(cè)量曲線的分析，隨著探測(cè)器自身溫度的升高，光譜響應(yīng)度變化率下降趨勢(shì)明顯，且呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，其變化規(guī)律較為符合指數(shù)和多項(xiàng)式曲線的變化特征。

2.2.1 指數(shù)擬合

根據(jù)探測(cè)器T-ROR曲線的衰減趨勢(shì)，設(shè)探測(cè)器自身溫度T與光譜響應(yīng)度R的指數(shù)方程形式為

ROR(T)=aebT

(4)

式中，a是幅值，b是衰減。

分別用最小二乘(least square, LS)、最小絕對(duì)殘差(least absolute residuals, LAR)和雙平方(bi-square, BS)擬合得到a和b，得到的擬合方程分別為RLS，RLAR和RBS

RORLS(T)=4.27e(-5.061×10-3)T

RORLAR(T)=4.03e(-4.885×10-3)T

(5)

RORBS(T)=3.566e(-4.563×10-3)T

如圖6，三種方法得到的指數(shù)擬合曲線與實(shí)際R(T)曲線的吻合效果均不理想。

圖6 T-ROR曲線與指數(shù)擬合曲線對(duì)比圖

2.2.2 多項(xiàng)式擬合

設(shè)輻射計(jì)自身溫度T與光譜響應(yīng)度變化率ROR的m階多項(xiàng)式函數(shù)形式為

(6)

式中，u是多項(xiàng)式系數(shù)。

利用T-ROR曲線數(shù)據(jù)，采用最小二乘擬合得到1～24階多項(xiàng)式的系數(shù)，各階多項(xiàng)式擬合的均方差見表1。多項(xiàng)式階數(shù)越大，擬合的均方差越小，6階以上擬合的多項(xiàng)式，其均方差減小程度不明顯。

表1 擬合多項(xiàng)式的均方差

為進(jìn)一步研究多項(xiàng)式擬合曲線與ROR(T)測(cè)量曲線的偏離程度及分布，計(jì)算多項(xiàng)式擬合的殘差δj(Ti)

(7)

根據(jù)式(7)，分別得到6和24階多項(xiàng)式擬合的殘差，如圖7所示。通過對(duì)比6和24階多項(xiàng)式擬合的殘差，其殘差大小均小于0.01，殘差分布基本一致。

圖7 多項(xiàng)式擬合的殘差分布圖

通過比較多項(xiàng)式擬合的均方差和殘差，采用6階多項(xiàng)式對(duì)ROR(T)進(jìn)行擬合，得到的多項(xiàng)式擬合方程

ROR(T)=-9.099×105+1.716×104T-

1.347×102T2+5.635×10-1T3+

1.325×10-3T4+1.661×10-6-8.7×10-10T6

(8)

2.3 光譜響應(yīng)度的溫漂修正方程

通過對(duì)探測(cè)器輸出電壓變化現(xiàn)象的分析，由指數(shù)擬合和多項(xiàng)式擬合的殘差，以6階擬合多項(xiàng)式得到的ROR(T)值作為探測(cè)器光譜響應(yīng)度的非線性修正系數(shù)最為合理。

根據(jù)擬合方程及ROR(T)比值的定義，通過測(cè)量探測(cè)器溫度TR，修正后的光譜響應(yīng)度應(yīng)R(λ，TR)為

R(λ，TR)=ROR(TR)R(λ，300)

(9)

式中，R(λ，300)是探測(cè)器的標(biāo)定光譜響應(yīng)度。

3 光譜響應(yīng)度的溫漂修正實(shí)驗(yàn)

利用高真空的基于積分球反射計(jì)(ISR)太陽能涂層光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)，選取一種Mo-SiO2涂層作為測(cè)量對(duì)象，每隔30 min對(duì)其500 ℃的發(fā)射率進(jìn)行1次測(cè)量，4次的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。隨著重復(fù)測(cè)量次數(shù)的增加，光譜發(fā)射率結(jié)果呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，而且減小程度逐步加大。

圖8 光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

表2給出了各次測(cè)量中各個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果與平均值之間的誤差最大值、最小值及平均值。可見，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，真空環(huán)境的溫度不斷升高，探測(cè)器光譜響應(yīng)度出現(xiàn)溫漂現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差平均值降低為4.34%，嚴(yán)重影響了測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性。

表2 光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的誤差及重復(fù)性

利用輻射溫度計(jì)對(duì)基于積分球反射計(jì)(ISR)太陽能涂層光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)器溫度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)該Mo-SiO2涂層進(jìn)行相同溫度、相同時(shí)間間隔的4次重復(fù)測(cè)量，將每次測(cè)量時(shí)探測(cè)器的溫度代入光譜響應(yīng)度溫漂修正方程，各次測(cè)量結(jié)果的誤差明顯減小，如圖9所示。

圖9 修正后高真空光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

同理計(jì)算溫漂修正后的測(cè)量結(jié)果與平均值之間的誤差最大值、最小值及平均值，如表3所示。可見，誤差平均值僅為2.12%，提高了該測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性。

表3 修正后光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的誤差

4 結(jié) 論

針對(duì)探測(cè)器光譜響應(yīng)度溫漂現(xiàn)象對(duì)紅外發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性的影響，在分析探測(cè)器光譜響應(yīng)度隨溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，測(cè)量了探測(cè)器溫度-光譜響應(yīng)度曲線，通過多項(xiàng)式擬合得到該曲線的擬合方程，確定光譜響應(yīng)度溫漂系數(shù)，建立了溫漂修正方程。應(yīng)用該方法對(duì)紅外光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了溫漂修正實(shí)驗(yàn)，修正前、后的測(cè)量結(jié)果重復(fù)性分別為4.34%和2.12%，提高了紅外光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性。

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(Received Mar.10, 2015; accepted Jul.22, 2015)

Correction Methods of Temperature Drift for Infrared Spectral Emissivity Measurement System

ZHANG Yu-feng1，DAI Jing-min2，LU Xiao-dong1，SHAO Zhu-feng1，WU Yuan-qing1

1.College of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121013, China 2.School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

For the influence of temperature drift of the spectral responsivity on the repeatability infrared spectral emissivity measurement system, a temperature drift correction method is proposed based on the polynomial fitting.By analyzing the function of detector output voltage depended on its temperature.After studying the functional relationship between the temperature and spectral responsivity of detector, the spectral response curve varies with temperature is fitted and get the fitting equation.Calculating the drift correction factor of spectral responsivity, the output voltage of infrared detector is corrected.The effect of spectral response drift on the output voltage of detector is eliminated.With the development of temperature drift correction device of spectral responsivity, the temperature drift curve of spectral response is measured.Compared to the exponential fitting, the fitting consistency of sixth-order polynomial curve is excellent.Because of the application of this method, the repeatability of spectral emissivity measurement system is improved.

Spectral responsivity; Temperature drift correction; Polynomial fitting; Emissivity measurement system

2015-03-10，

2015-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61275095)資助

張宇峰，1981年生，渤海大學(xué)新能源學(xué)院副教授 e-mail: zyf81@aliyun.com

TH741

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-3003-05