近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)及定標(biāo)方法研究

袁林光，范紀(jì)紅，周曉光，占春連，盧 飛，李 燕，張博妮，陳 娟，尤 越

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部航空軍代局駐西安地區(qū)航空軍代室，陜西 西安 710065)

引言

光譜輻射計(jì)是用于測(cè)定目標(biāo)光譜輻射量值的重要測(cè)量?jī)x器，在軍事、工業(yè)和科學(xué)研究等方面都發(fā)揮著極大作用。根據(jù)測(cè)量光譜范圍，光譜輻射計(jì)可分為紫外光譜輻射計(jì)，可見(jiàn)光光譜輻射計(jì)和紅外光譜輻射計(jì)。其中紫外光譜輻射計(jì)主要應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，空間探測(cè)領(lǐng)域；可見(jiàn)光譜輻射計(jì)主要用于發(fā)光體光譜分布及“三度學(xué)”有關(guān)參數(shù)測(cè)試，紅外光譜輻射計(jì)主要用于目標(biāo)紅外輻射測(cè)試評(píng)估，輻射測(cè)溫領(lǐng)域[1-6]。

光譜輻射計(jì)必須進(jìn)行輻射定標(biāo)，否則就不能對(duì)攝取的信息給出合理的解釋，不能得到定量的信息[7-8]。傳統(tǒng)的光譜輻射計(jì)定標(biāo)方法是利用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈和標(biāo)準(zhǔn)漫反射板產(chǎn)生可知亮度的大面積光源，定標(biāo)的精度一直徘徊在較低的水平。特別在近紫外波段由于輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的不確定度較大和漫反射板雙向反射分布函數(shù)的測(cè)量不確定度較大，測(cè)量不確定度高達(dá)7.4%[9-11]。

研制了一種用于測(cè)量光源光譜輻射亮度的近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)，采用小視場(chǎng)設(shè)計(jì)，使得近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)視場(chǎng)與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶相匹配，消除視場(chǎng)不匹配帶來(lái)的影響，通過(guò)視場(chǎng)光闌設(shè)計(jì)以及瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步消除雜散光的影響，從而實(shí)現(xiàn)光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的高準(zhǔn)確度定標(biāo)。

1 近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)設(shè)計(jì)

近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)組成如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、電動(dòng)快門、CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、視場(chǎng)光闌、分光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、近紫外到近紅外探測(cè)器和信號(hào)采集處理與控制系統(tǒng)等組成。技術(shù)指標(biāo)如下：光譜范圍為300 nm～2 000 nm；光譜分辨率為0.2 nm；波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為±0.2 nm；光譜輻射亮度測(cè)量范圍：50 μW/cm2·nm·sr～1 000 μW/cm2·nm·sr；測(cè)量不確定度：Urel=3.5%(k=2)。

圖1 近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)組成圖Fig.1 Composition block diagram of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

1.1 工作原理

近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的光譜輻射亮度測(cè)量原理為：被測(cè)光源發(fā)出的光輻射通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)匯聚，一部分被CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)接收用于測(cè)試光路的調(diào)節(jié)，另一部分成像在視場(chǎng)光闌上，由分光系統(tǒng)出射狹縫出射的單色輻射經(jīng)由成像單元成像在近紫外-近紅外探測(cè)器的光敏面上，探測(cè)器輸出的電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并實(shí)時(shí)給出測(cè)試結(jié)果。

1.2 關(guān)鍵部件

光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)目標(biāo)光源成1∶1的實(shí)像于視場(chǎng)光闌處，由多片透鏡膠合而成，其工作波長(zhǎng)為300 nm～2 000 nm、焦距為100 mm、相對(duì)孔徑為F/3、材料為石英材料。電動(dòng)快門用于扣除背景輻射，電動(dòng)快門的葉片部分面向光學(xué)系統(tǒng)的一面鍍高反射率鋁膜，背對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的一面均勻涂制黑漆。

CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由中心帶有圓孔的金屬反射鏡以及CCD組成，其中金屬反射鏡中心圓孔的口徑為R=x/6cos45°，x表示金屬反射鏡中心與視場(chǎng)光闌中心之間的距離，45°是金屬反射鏡反射面與入射光束所成角度。

分光系統(tǒng)由衰減器組、濾光片組和光柵組組成，覆蓋300 nm～2 000 nm波長(zhǎng)范圍。其中衰減器組由一組無(wú)光譜選擇的中性衰減片組成，在波長(zhǎng)范圍為300 nm～2 000 nm內(nèi)達(dá)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)5個(gè)數(shù)量級(jí)、無(wú)光譜選擇的衰減；濾光片組含有截止波長(zhǎng)分別為286 nm、450 nm、680 nm、1 050 nm以及1 850 nm的5塊濾光片，5塊濾光片對(duì)稱安裝在濾光片輪上；光柵組含有閃耀主波長(zhǎng)分別為350 nm、750 nm和1 250 nm的3塊光柵。

成像系統(tǒng)接收通過(guò)分光系統(tǒng)的光，并成像在近紫外-近紅外探測(cè)器光敏面上；成像系統(tǒng)由球面反射鏡和平面反射鏡組成，其中平面反射鏡用于折轉(zhuǎn)光路。

近紫外到近紅外探測(cè)器由Si探測(cè)器和InGaAs探測(cè)器組成，測(cè)量紫外到可見(jiàn)波段時(shí)將Si探測(cè)器安裝在探測(cè)面上，測(cè)量近紅外波段時(shí)將InGaAs探測(cè)器安裝在探測(cè)面上，Si探測(cè)器和InGaAs探測(cè)器輸出信號(hào)至信號(hào)采集處理與控制系統(tǒng)。

信號(hào)采集處理與控制系統(tǒng)含有前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；近紫外-近紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)前置放大器進(jìn)行電壓放大，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī), 實(shí)時(shí)給出測(cè)試結(jié)果。

2 近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)定標(biāo)

2.1 定標(biāo)方法比較

對(duì)于光譜輻射計(jì)目前通用的光譜輻射亮度定標(biāo)方法有：直接法、標(biāo)準(zhǔn)白板法、透射板法、內(nèi)置光源法等[12-15]，表1為各定標(biāo)方法特點(diǎn)。

表1 光譜輻射亮度定標(biāo)方法特點(diǎn)

2.2 使用鎢帶燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)采用小視場(chǎng)設(shè)計(jì)，其視場(chǎng)與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶相匹配，因此采用直接法進(jìn)行光譜輻射亮度定標(biāo)。

如圖2所示，在垂直于光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈出射面的方向，將近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)放置于距標(biāo)準(zhǔn)燈設(shè)定距離處，使標(biāo)準(zhǔn)燈處于近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)光學(xué)系統(tǒng)物面位置處，近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)對(duì)準(zhǔn)光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶；調(diào)節(jié)近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的安裝支架，使光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶通過(guò)近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的成像系統(tǒng)成像于近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的視場(chǎng)光闌上。

圖2 近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)光譜輻射亮度定標(biāo)圖Fig.2 Spectral radiance calibration of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

通過(guò)控制電動(dòng)快門，測(cè)量得到近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的背景信號(hào)V(λ)背景與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的測(cè)量信號(hào)V(λ)標(biāo)準(zhǔn)燈，通過(guò)(1)式計(jì)算得到近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)的定標(biāo)系數(shù)C(λ)，表2為光譜輻射亮度定標(biāo)結(jié)果，其中鎢帶燈標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度值為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)證書結(jié)果。

(1)

2.3 定標(biāo)測(cè)量不確定度分析

近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)光譜輻射亮度定標(biāo)系數(shù)的測(cè)量不確定度在不同波長(zhǎng)不同，以400 nm為例，其不確定度分析詳見(jiàn)表3。

表3 光譜輻射亮度定標(biāo)系數(shù)測(cè)量不確定分析

3 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測(cè)量

為驗(yàn)證近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用光譜輻射計(jì)直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)積分球光源的光譜輻射亮度。其中標(biāo)準(zhǔn)積分球光源直徑為1 m, 輸出口徑為Φ300 mm，內(nèi)部設(shè)計(jì)三組高穩(wěn)定性燈，其中每組燈包含兩支對(duì)稱分布的的高穩(wěn)定性的鹵素?zé)?，色溫? 856 K±100 K，提供波長(zhǎng)范圍為(300 nm～2 000 nm)的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

如圖3所示，將近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)放置在積分球光源出射輻射口前適當(dāng)位置，改變積分球光源內(nèi)置光源數(shù)目，利用標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)可獲得積分球出口處光譜輻亮度。測(cè)量結(jié)果如圖4所示，光譜輻射亮度曲線從上到下依次為3組燈到1組燈的測(cè)試結(jié)果。開(kāi)燈順序依次為燈組1到燈組3，每次在之前基礎(chǔ)上打開(kāi)一組(兩支)燈，與積分球光源標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度偏差優(yōu)于0.5%。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測(cè)量圖Fig.3 Schematic of measuring spectral radiance ofstandard integrated sphere source

圖4 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement result of spectral radiance ofstandard integrated sphere source

4 結(jié)論

研制了一種小視場(chǎng)近紫外到近紅外光譜輻射計(jì)，采用鎢帶燈直接法實(shí)現(xiàn)了光譜輻射亮度的高精度定標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)積分球光源的光譜輻射亮度，測(cè)量值與積分球光源標(biāo)準(zhǔn)值偏差優(yōu)于0.5%。該光譜輻射計(jì)具有光譜范圍寬、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，不僅適用于各類目標(biāo)光源光譜輻射亮度的測(cè)試，對(duì)光譜輻射計(jì)量測(cè)試也具有重要的指導(dǎo)意義。