高量值紅外輻射照度校準(zhǔn)技術(shù)研究

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所國防科技工業(yè)光學(xué)一級計量站，陜西 西安 710065）

引言

隨著紅外照明及干擾系統(tǒng)的發(fā)展，對于1 000 W/m2以上輻射照度的測量和校準(zhǔn)提出了新的要求。紅外輻照度的測量基于黑體輻射源，傳統(tǒng)的黑體輻射源受輻射面積和溫度兩種因素的共同限制，無法在大的輻射面上實現(xiàn)很高的溫度輻射。近年來，歐美一些發(fā)達(dá)國家利用高發(fā)射率紅外材料、耐高溫材料，結(jié)合先進(jìn)的溫控技術(shù)陸續(xù)研制出了一些輻射溫度高的腔式和面源黑體，為高量值紅外輻照度的測試和校準(zhǔn)提供了必要的技術(shù)保障。

為了保證紅外輻照度測量設(shè)備的精度，現(xiàn)場對紅外輻射目標(biāo)在特定區(qū)域所產(chǎn)生的輻照度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，必須對輻照度測量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。

本文討論了利用高溫腔式和面源黑體對輻照度測量儀照度值進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，構(gòu)建了校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，利用國際最先進(jìn)的高溫紅外輻射源搭建了校準(zhǔn)裝置，對測量結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 紅外輻照度校準(zhǔn)方法

紅外輻照度測量儀有兩種制式：配備和未配備光學(xué)系統(tǒng)。一般情況下，為了在大的動態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行輻照度測量，高量值輻照度測量儀內(nèi)放置了一系列中性濾光片、衰減片、孔徑光欄等組件對大輻射通量進(jìn)行衰減和調(diào)理，使探測器處于良好的工作狀態(tài)。

在實驗室和較為理想的外場氣象條件下進(jìn)行輻射照度校準(zhǔn)時，為了獲得高量值，需要盡可能減少紅外輻射源與照度測量儀之間的距離，條件許可時為降低校準(zhǔn)誤差，在測量儀和光源之間加裝輻射隔離屏，以減少環(huán)境或其他輻射源進(jìn)入探測系統(tǒng)的輻射量。

輻射源輻射口的形狀主要有兩種：矩形和圓形。探測器敏感面也有矩形和圓形之分，而輻照度測量儀光學(xué)系統(tǒng)口徑一般為圓形。根據(jù)輻射源和輻照度測量儀內(nèi)探測器的具體機械特性，下面討論輻照度測量儀輻照度參數(shù)的校準(zhǔn)方法，本文中的黑體輻射源包括高溫腔式和高溫面源兩種黑體，輻照度測量儀具有大輻照度測量能力。

1.1 矩形面源黑體校準(zhǔn)配備矩形敏感面探測器的輻照度測量儀

輻照度測量儀未采用光學(xué)系統(tǒng)，其探測器敏感面為矩形，利用矩形面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源對測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理如圖1所示。下面分析探測器敏感面處的輻照度。

圖1 矩形面源黑體校準(zhǔn)配備矩形敏感面的輻照度測量儀原理Fig.1 Rectangle extended BB calibrates irradiance meter with rectangle detector

面源黑體輻射面寬和高分別為2a、2b，探測器敏感面尺寸為2w×2h，輻射源發(fā)射面與探測器敏感面互相平行，二者中心距為Z，在輻射面和敏感面上分別取2個微小面積單元ds1、ds2，微小單元的法線分別為N1和N2，微小面積單元之間的間距為R，微元法線與傳播方向之間的夾角分別為θ1和θ2。

考慮輻射面為輻亮度L的朗伯體，根據(jù)輻射通量傳輸原理，探測器ds2微元接收來自物面微元ds1的輻射通量，可由下式表示：

對整個輻射面和探測面進(jìn)行積分，則探測器敏感面接收到的輻射通量為[1-3]

一般情況下，探測器敏感面的尺寸為mm 量級，整個探測器接收面相比輻射源面而言很小，可將探測器認(rèn)為點單元接收器。對（2）式作進(jìn)一步簡化，探測器敏感處的輻射照度根據(jù)下式進(jìn)行計算[4]：

1.2 圓形黑體校準(zhǔn)配備矩形敏感面探測器的輻照度測量儀

輻照度測量儀沒有光學(xué)系統(tǒng)，其探測器敏感面為矩形，將圓形面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源時，其校準(zhǔn)原理如圖2所示。

圖2 圓形面源黑體校準(zhǔn)配備矩形敏感面的輻照度測量儀原理Fig.2 Circular extended BB calibrates irradiance meter with rectangle detector

面源黑體輻射面半徑為a，其余參數(shù)與圖1所示基本一致。探測器接收來自物面的輻射通量由下式表示：

探測器敏感面處的輻照度為

如果探測器面積很小，可以對上述結(jié)果進(jìn)行簡化，則探測器敏感面處的輻射照度[5-6]為

式中ds1對O′點的最大夾角θ2為θ0。

1.3 矩形面源黑體校準(zhǔn)配備圓形敏感面探測器的輻照度測量儀

輻照度測量儀內(nèi)部未配備光學(xué)系統(tǒng)，其探測器敏感面為圓形，將矩形面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，其工作原理如圖3所示。面源黑體有效面積為4 wh，圓形敏感面面積為πa2，面源黑體輻射至敏感面的輻射通量由（7）式計算得到[7-8]：

圖3 矩形面源黑體校準(zhǔn)配備圓形敏感面的輻照度測量儀原理Fig.3 Rectangle extended BB calibrates irradiance meter with circular detector

探測器敏感面處的輻照度為

1.4 圓形面源黑體校準(zhǔn)配備圓形敏感面探測器的輻照度測量儀

輻照度測量儀不帶光學(xué)系統(tǒng)，其探測器敏感面為圓形，將圓形面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，其工作原理如圖4所示。

圖4 圓形黑體校準(zhǔn)配備圓形敏感面的輻照度測量儀工作原理Fig.4 Circular extended BB calibrates irradiance meter with circular detector

黑體輻射面半徑為a，探測器敏感面半徑為b，其余參數(shù)與前面各圖所示基本一致。探測器接收來自物面的輻射通量，可由下式表示[9-10]

對上式進(jìn)行積分運算，得到下述表達(dá)式[2，10]：

探測器敏感面處的輻射照度由下式表示為

1.5 配有光學(xué)系統(tǒng)的輻照度測量儀校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)帶有成像鏡頭的輻照度測量儀時，必須考慮測量儀光學(xué)系統(tǒng)視場以及輻射源成像光斑的大小、輻射源有效輻射面積等因素。

利用不同制式的大功率輻射源校準(zhǔn)此類輻照度測量儀時有兩種情況：一是輻射源的像未充滿探測器敏感面，即視場光欄被校準(zhǔn)源部分輻射；二是輻射源的像充滿探測器敏感面，即輻射源完全均勻輻照視場光欄。

實際校準(zhǔn)活動中必須根據(jù)輻照度測量儀實際使用場所，盡可能地使校準(zhǔn)條件與使用條件基本一致，這樣可最大程度地提高測量準(zhǔn)確性。

輻射源部分照射輻照度測量儀視場光欄時，有遠(yuǎn)距離點源、小視場準(zhǔn)直光源校準(zhǔn)兩種情形。

遠(yuǎn)距離點源校準(zhǔn)原理如圖5所示。光源所成的像小于探測器敏感面尺寸，光學(xué)系統(tǒng)采集遠(yuǎn)處光源的輻射通量，該通量被探測器全部接收，校準(zhǔn)的主要目標(biāo)是確定測量儀光照度響應(yīng)度RE。該性能指標(biāo)確定后，可以根據(jù)下式測量實際目標(biāo)在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的輻射照度[9]：

式中V為探測器輸出值。

圖5 遠(yuǎn)距離點源校準(zhǔn)原理圖Fig.5 Schematic diagram of distant-small-source calibration configuration

利用小視場準(zhǔn)直光源校準(zhǔn)時，準(zhǔn)直光源的發(fā)散角小于測量儀的視場角，準(zhǔn)直光源的像未充滿測量儀的探測面，這種情況下工作原理如圖6所示。通過標(biāo)定輻照度響應(yīng)度實現(xiàn)校準(zhǔn)[11-12]。

輻射源全部充滿輻照度測量儀輻射場光欄有4種情形：遠(yuǎn)距離面源、大視場準(zhǔn)直光源、近距離面源、近距離小光源（Jones 法），可對輻照度測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，圖7～圖10分別為4種校準(zhǔn)方法的原理圖[13-15]。

圖6 小視場準(zhǔn)直光源校準(zhǔn)原理圖Fig.6 Schematic diagram of samall-FOV-collimator calibration

圖7 遠(yuǎn)距離面源校準(zhǔn)原理圖Fig.7 Schematic diagram of distant-extended-source calibration

圖8 大視場準(zhǔn)直光源校準(zhǔn)原理圖Fig.8 Schematic diagram of large-FOV-collimator calibration

圖9 近距離面源校準(zhǔn)原理圖Fig.9 Schematic diagram of near-extended-source calibration configuration

圖10 Jones 法校準(zhǔn)原理圖Fig.10 Schematic diagram of near-extended-source(Jones method) calibration

通過上述4種校準(zhǔn)方法可以準(zhǔn)確標(biāo)定測量儀的輻亮度響應(yīng)度，在實際測量過程中利用校準(zhǔn)后輻亮度響應(yīng)度準(zhǔn)確測量目標(biāo)的輻亮度，然后根據(jù)本文上述方法，測量得到輻照度測量儀入瞳所在位置處的輻射照度，實現(xiàn)對帶有光學(xué)系統(tǒng)的大量值輻照度測量儀的校準(zhǔn)。

2 高量值輻照度校準(zhǔn)裝置

本文第一節(jié)討論了不同校準(zhǔn)條件下大量值輻照度的測量方法?？梢钥闯?，在一定作用距離處為了得到大的輻射照度，必須提高輻射源的輻亮度和輻射口徑。在紅外輻射研究領(lǐng)域核心輻射源一般為腔式黑體和面源黑體，黑體溫度越高其輻亮度值越大。

腔式黑體輻射口徑為Ф25.4 mm時，溫度最高可達(dá)3 000℃。對于面源黑體而言，理論上可以增大面源輻射口徑和溫度，但由于受到供電電源功率的限制，實際面源黑體的亮度面積乘積不能超過一定值。目前在300mm×300mm 輻射口徑下，最高溫度可達(dá)800℃，這兩種黑體最高溫度時的輻射通量達(dá)千瓦量級。

為了在實驗室完成對1 000 W/m2以上輻照度的校準(zhǔn)，我們構(gòu)建了專用的高量值輻射照度校準(zhǔn)裝置，如圖11所示。

圖11 高量值輻射照度校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of high irradiance calibration facility

該裝置由高溫黑體、溫度控制儀、冷背景輻射屏、測溫儀、冷卻液溫控及輸送系統(tǒng)、移動導(dǎo)軌、調(diào)制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等組成。利用該套裝置對輻照度測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的輻照度測量儀在現(xiàn)場測量目標(biāo)所產(chǎn)生的實際輻射照度。

高溫黑體向前方半球空間發(fā)出紅外輻射，經(jīng)過多級冷背景屏、調(diào)制器后形成脈沖紅外輻射光，輻照度測量儀接收輻射光，信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出輻照度、輻亮度響應(yīng)度。

高溫黑體分別采用口徑Ф25.4 mm，最高溫度3 000℃的腔式黑體、輻射面尺寸300mm×300mm，最高溫度800℃的面源黑體。為了防止雜散紅外光的干擾，提高測量準(zhǔn)確性，在輻射光源與輻照度測量儀的導(dǎo)軌上，放置2個冷背景輻射屏，輻射屏的透光窗口大小與整個光路的通光孔徑距離上實現(xiàn)匹配。測溫儀主要用于監(jiān)測輻射屏的溫度變化情況，以便液體溫控器及時控制制冷劑的輸送溫度和流量。測溫儀由恒流源、參考電阻、繼電器、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路組成。調(diào)制器兼外部調(diào)制和同步信號發(fā)生器的作用，為信號采集系統(tǒng)提供基準(zhǔn)參考和同步信號、同時將連續(xù)輻射波變?yōu)槊}沖波，為適應(yīng)不同的測試要求，調(diào)制器具有一系列斬波片，在調(diào)速電機的作用下可使調(diào)制頻率具有大的動態(tài)范圍。

3 高量值輻照度校準(zhǔn)實驗

黑體輻射源是整個校準(zhǔn)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，為了實現(xiàn)大的輻照度，輻射源的輻射通量必須盡可能的大。表1和表2是校準(zhǔn)實驗中典型高溫腔式和面源黑體的輻射特性。

表1 腔式黑體輻射特性Table1 Radiation characteristics of cavity blackbody

表2 面源黑體輻射特性Table2 Radiation characteristics of extended blackbody

由表1和表2不難看出，相同溫度時面源黑體輻射面大，其輻射通量明顯大于腔式黑體，面源黑體輻射面為300mm×300mm時，600℃時的輻射通量與腔式黑體（主流尺寸Ф25 mm）3 000℃時的基本相同。雖然3 000℃的腔式黑體制作技術(shù)和工藝復(fù)雜、目前國際上僅有少數(shù)幾個公司可以制做，然而其輻射通量與600℃以上的黑體相比，具有一定的劣勢。

實際校準(zhǔn)時通過在滑軌上單向移動輻照度測量儀，利用一系列確定的輻射通量，對帶有和未帶有光學(xué)系統(tǒng)的測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

本實驗從作用距離0.5 m 開始進(jìn)行，在不同的距離處分別利用上述兩種黑體對輻照度測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，主要測量1 000 W/m2量級的輻照度，對于較小的量值沒有必要進(jìn)行校準(zhǔn)。圖12和圖13分別為腔式黑體和面源黑體的校準(zhǔn)結(jié)果。

圖12 腔式黑體校準(zhǔn)結(jié)果Fig.12 Results of cavity blackbody calibration

圖13 面源黑體校準(zhǔn)結(jié)果Fig.13 Results of extended blackbody calibration

腔式黑體可以在1 500℃、2 000℃、600℃、700℃、800℃時進(jìn)行校準(zhǔn)。從圖12和圖13可以看出，近距離校準(zhǔn)時輻照度值大，隨著距離的增加輻照度快速減少，各溫度值處的校準(zhǔn)曲線未發(fā)生相交現(xiàn)象。當(dāng)面源黑體800℃、距離0.5 m時，輻照度為7 698 W/m2，0.6 m時為5 525 W/m2；腔式黑體3 000℃、距離0.5 m時輻照度為4 196 W/m2，0.6 m時輻照度為2 914 W/m2。測量儀內(nèi)安裝了一系列寬光譜中性濾光片，光密度OD為1～4?？勺畲蟪潭鹊亟档吞綔y器的飽和效應(yīng)。

4 結(jié)論

高量值輻照度測量和校準(zhǔn)相對于中低量值而言具有一定的難度，主要原因是：1）高溫輻射源的最高溫度和發(fā)射率因為技術(shù)、制作工藝、材料等原因，無法達(dá)到理想的程度；2）由于高輻射照度容易引起探測系統(tǒng)輸出飽和及巔峰干擾，使探測結(jié)果失真度較大。針對第一個原因，可通過進(jìn)一步提高輻照度量值解決，目前國際上許多國家正在尋求技術(shù)突破。針對輸出飽和，可通過使用寬光譜衰減技術(shù)取得相應(yīng)的改善，但需要對大量值中性濾光片的透過率進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，目前國內(nèi)已有一些單位開始了相關(guān)研究。巔峰干擾是實際測量中出現(xiàn)的特殊問題，我們在此方面正展開研究，這也是未來高量值輻照度測試校準(zhǔn)領(lǐng)域需要進(jìn)一步深入研究的課題。