多波段光譜輻亮度計量值溯源技術(shù)研究

王少水 費 豐 趙發(fā)財 孫權(quán)社

(中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島 266555)

1 引 言

目前國內(nèi)外對空間遙感儀器的輻射量值溯源方法有兩種，第一種是以輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)，如黑體，利用標(biāo)準(zhǔn)燈傳遞，已不能滿足定量化光學(xué)遙感的需求。第二種是以探測器作為標(biāo)準(zhǔn)，始于20世紀(jì)80年代末，主要以低溫輻射為基準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)探測器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，將輻射量值傳遞到空間光學(xué)遙感器上[1-6]，具有精度高、工程接口適應(yīng)性好、空間環(huán)境下比較穩(wěn)定的優(yōu)點，并不斷得到商用高性能器件的支持。

基于光輻射定義研制的多波段光譜輻亮度計，以光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，利用視場光闌、孔徑光闌確定探測器的立體角和接收面積，為實現(xiàn)多通道測試，通過10個不同光譜透過率的窄帶濾光片進行分光，帶寬約10nm，波長范圍涵蓋(400～1 100)nm[7-9]。增設(shè)校準(zhǔn)通道，與積分球單色光源匹配使用，解決多波段光譜輻亮度計的量值溯源。

2 基本原理及方案設(shè)計

光譜輻亮度是輻射源在單位波長內(nèi)的輻亮度值，而輻亮度值由垂直于輻射源傳輸方向的立體角和接收面積確定[10]，光譜輻亮度計通常采用濾光片或光柵進行分光，通過孔徑光闌、視場光闌確定接收立體角度和面積，如圖1所示。

圖1 光譜輻亮度計光路設(shè)計原理圖Fig.1 Optical path design of spectral radiance meter

光譜輻亮度L(λ)可利用式(1)表示為

(1)

式中：L(λ)——光譜輻亮度；U——探測器輸出電壓；T(λ)——濾光片透過率；R(λ)——探測器的絕對光譜響應(yīng)率。

利用將c/H替換式(1)中的tan(θ)，可以得到

(2)

為滿足4°視場角的測試需求，列出了多波段光譜輻射計幾何參數(shù)，見表1。

表1 多波段光譜輻亮度計參數(shù)Tab.1 Parameters of multiband spectroradiometer參 數(shù)指 標(biāo)光闌間距H/mm150孔徑光闌半徑a/mm0.500視場光闌半徑c/mm5.238視場角2θ/(°)4.0

本文設(shè)計的多波段光譜輻亮度計由光闌、窄帶濾光片、步進電機、光電二極管、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、單片機、CCD相機、顯示屏等部分組成，如圖2所示。

圖2 多波段光譜輻亮度計組成框圖Fig.2 Composition diagram of multiband spectroradiometer

工作過程為：待測光輻射經(jīng)過視場光闌后由中心開孔的反射鏡分為兩路，一路進入CCD相機，通過視場圖像確定測量區(qū)域，確保取景目標(biāo)與測量對象一致；另一路經(jīng)過窄帶濾光片后，在探測器上形成被測光輻射光斑，探測器輸出信號經(jīng)過放大后，經(jīng)ADC后傳輸至單片機。儀器操作和數(shù)據(jù)處理可通過觸摸顯示屏，或是通過通信接口連接電腦進行；窄帶濾光片安裝在濾光片輪上，可通過步進電機驅(qū)動來實現(xiàn)不同測量通道的切換。

3 光譜輻亮度量值溯源

設(shè)計的光譜輻亮度計增設(shè)了校準(zhǔn)通道(不含窄帶濾光片)，式(2)中的T(λ)=1，參數(shù)a，c，H和探測器響應(yīng)率已知，此時校準(zhǔn)通道可直接測得單色光的光譜輻亮度值，將測試波長設(shè)置與測試通道一致，比對測試完成測試通道的校準(zhǔn)。

測試通道的校準(zhǔn)過程為：首先利用氙燈、單色儀和積分球產(chǎn)生窄帶濾光片透過率峰值波長對應(yīng)的單色均勻光輻射，利用校準(zhǔn)通道對單色光的輻亮度進行定標(biāo)，通過控制單色儀實現(xiàn)10個測量波長點下的單色光輻射。然后利用定標(biāo)后的單色光輻射對10個測量通道進行校準(zhǔn)，實現(xiàn)多波段光譜輻亮度計的量值溯源。

下文對校準(zhǔn)通道和10個測量通道的定標(biāo)分別進行介紹。

3.1 校準(zhǔn)通道定標(biāo)

校準(zhǔn)通道為全通模式，即，通道內(nèi)不加濾光片，不確定度分量主要來源于以下幾個方面：探測器標(biāo)定、光闌尺寸標(biāo)定和信號處理等。

1)探測器標(biāo)定

探測器輸出信號一般為電流信號，用作輻亮度探測器時需對其工作波段的絕對光譜響應(yīng)率進行標(biāo)定。首先利用低溫輻射計和633nm激光器標(biāo)定探測器在633nm波長點的絕對光譜響應(yīng)，記為R(λ633)，其中633nm激光器在使用前，需要進行光束修正、穩(wěn)功率、去雜散光等處理；然后利用相對光譜響應(yīng)定標(biāo)裝置對探測器(400～1 100)nm工作波段內(nèi)的相對光譜響應(yīng)進行標(biāo)定，經(jīng)歸一化處理后記為K(λ)。曲線如圖3所示，探測器響應(yīng)率(絕對)如式(3)

R(λ)=K(λ)·R(λ633)

(3)

式中：R(λ)——探測器響應(yīng)率(絕對)；K(λ)——以633nm波長為基準(zhǔn)歸一化的相對光譜響應(yīng)率；R(λ633)——633nm波長點下的絕對光譜響應(yīng)率。

圖3 輻亮度探測器絕對光譜響應(yīng)率曲線圖Fig.3 The absolute spectral response of radiance detector

經(jīng)以上分析，探測器響應(yīng)率(絕對)標(biāo)定過程中，低溫輻射計對測試結(jié)果的影響忽略不計，相對光譜響校準(zhǔn)裝置引入的不確定度分量小于1.0%，記為uc1。

2)光闌尺寸標(biāo)定

需要定標(biāo)的光闌幾何尺寸包括：孔徑光闌孔徑、視場光闌孔徑和兩個光闌之間的距離。本文利用萬能工具顯微鏡進行測量，標(biāo)尺分辨率小于0.001mm，測量精度優(yōu)于0.003mm，多次測量取平均作為結(jié)果。由儀器誤差和測量重復(fù)性引入的不確定度分量為0.2%，記為uc2。

3)信號處理

電子學(xué)系統(tǒng)的功能包括模擬信號放大、模數(shù)變換、數(shù)據(jù)通信傳出以及濾光片轉(zhuǎn)輪驅(qū)動、溫度控制等[13]。模擬放大器的穩(wěn)定性為5.0×10-6/℃，模數(shù)變換的分辨率16bit[12]。對不確定度分量的貢獻為0.2%，記為uc3。

經(jīng)上述分析可知，校準(zhǔn)通道的合成不確定度為

3.2 測量通道定標(biāo)

測量通道利用窄帶濾光片進行分光，在儀器裝配之前需要對窄帶濾光片透過率的峰值波長進行定標(biāo)，然后再利用峰值波長對應(yīng)的單色光輻射對測量通道就行定標(biāo)。

其中濾光片的光譜透過率利用分光光度計進行標(biāo)定，分辨率小于0.01nm，波長最大允許誤差小于0.2nm。歸一化的光譜透過率曲線如圖4所示，對應(yīng)的3dB帶寬分別為10.4nm，9.8nm，10.0nm，10.6nm，10.8nm，10.8nm，10.8nm，12.4nm，13.8nm，18.6nm。

圖4 窄帶濾光片光譜透過率定標(biāo)結(jié)果曲線圖Fig.4 The calibration results of spectral transmittance of narrow band filter

Cary5000分光光度計具有波長自校準(zhǔn)功能，利用自帶氘燈的特征線譜進行校準(zhǔn)，波長最大允許誤差為0.08nm；雜散光為0.000 07%，透過率采用基線校準(zhǔn)模式，分光光度計的線性對光譜輻亮度計的影響很小，可忽略不計。

徐秋云等人[14]將鈦寶石激光器輸入至積分球，現(xiàn)實了(700～1 000)nm波長范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單色輻亮度光輻射，但是使用范圍受到激光器調(diào)諧范圍的限制，無法覆蓋本文多波段輻亮度計的所有工作波長，而且鈦寶石激光器價格昂貴，不便于推廣應(yīng)用。

利用氙燈、單色儀和積分球產(chǎn)生準(zhǔn)單色光輻射，如圖5所示，單色儀與積分球通過光纖相連，方便空間布局。

圖5 測量通道校準(zhǔn)方案示意圖Fig.5 The measurement channel calibration scheme

以622nm測量通道校準(zhǔn)為例：控制單色儀輸出峰值波長為622nm的單色光，利用多波段輻亮度計的校準(zhǔn)通道對單色光的輻亮度進行定標(biāo)，然后利用定標(biāo)值修正多波段輻亮度計622nm測量通道的校準(zhǔn)系數(shù)，完成622nm測量通道的定標(biāo)。同理，通過改變單色儀的輸出光波長，可實現(xiàn)其他測量通道的定標(biāo)，從而完成多波段輻亮度計全部測量通道的定標(biāo)，量值通過校準(zhǔn)通道溯源至低溫輻射計。

利用積分球單色光源產(chǎn)生622nm單色光，對多波段輻亮度計622nm通道的測量重復(fù)性進行測試，1h內(nèi)的測試數(shù)據(jù)見表2，15min記錄一次，結(jié)果表明重復(fù)性小于0.2%。

表2 多波段輻亮度計測量重復(fù)性測試結(jié)果Tab.2 The repeatability test results of multiband radiometer序號測量值(W·m2·sr-1·nm-1)標(biāo)準(zhǔn)差(W·m2·sr-1·nm-1)重復(fù)性(%)10.82320.82330.82440.82350.8240.0010.16

4 比對實驗

實驗采用鹵鎢燈積分球作為發(fā)光源，出光口具有很好的均勻性和朗伯特性，參與比對的輻亮度計是某知名廠商的高精度產(chǎn)品，采用光柵分光，波長范圍覆蓋多波段光譜輻亮度計，比對結(jié)果見表3。

表3 光譜輻亮度計比對實驗結(jié)果Tab.3 The experimental results of spectral radiometer comparison波長(nm)多波段光譜輻亮度計(W·m2·sr-1·nm-1)比對產(chǎn)品(W·m2·sr-1·nm-1)偏差(%)4020.005 40.005 3-1.94820.021 20.021 0-0.95420.041 20.041 71.26220.069 80.070 00.36840.092 70.093 81.27520.117 30.118 10.78320.130 20.128 5-1.38920.143 70.142 6-0.89820.159 00.158 1-0.610540.160 60.161 30.4

由表3數(shù)據(jù)可知，最大偏差出現(xiàn)在402nm，主要是因為鹵鎢燈在400nm附近的光輻射能量較弱，輻亮度計的信噪比不好造成的，比對數(shù)據(jù)符合預(yù)期。

5 結(jié)束語

利用孔徑光闌、視場光闌、窄帶濾光片及硅光電二極管研制了一種多波段光譜輻亮度計，具有10個測量通道和1個校準(zhǔn)通道，測量通道在(400～1 100)nm波長范圍內(nèi)，增加的校準(zhǔn)通道可實現(xiàn)光譜輻亮度的量值溯源。詳細介紹了校準(zhǔn)通道和測量通道的定標(biāo)方案，量值可直接溯源至低溫輻射計，最終擴展不確定度為2.2%(k=2)，驗證了通過探測器作為標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)光譜輻亮度參數(shù)量值溯源的可行性，溯源方法可推廣應(yīng)用至各種光譜輻亮度計的輻亮度定標(biāo)。