基于分段線性法的紅外輻射計響應度標定研究

何映鋒，鄧樂武，吳 杰，魏 平，王 睿

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610000)

1 引 言

紅外光譜輻射計廣泛運用于國防、科學研究及工業(yè)領域[1～7]，如評估蒙皮材料發(fā)射率[8]，導彈火焰輻射特性[9]，航天紅外遙感領域[10]等。SR 5000N型輻射計是目前最先進的紅外輻射計之一，其具有包括光譜響應，輻射強度，輻射亮度等多種測試能力。同時，SR 5000N憑借其高靈敏度、高穩(wěn)定性、均勻?qū)ΨQ視場、模塊化設計、便攜等優(yōu)勢，適用于室內(nèi)和外場各種環(huán)境條件，滿足客戶不同需求。對材料發(fā)射率測試系統(tǒng)而言，紅外輻射計響應度標定工作尤為重要，其結果影響到對材料真實發(fā)射率不確定度的嚴格評估。

本文基于高溫黑體輻射源對SR 5000N輻射計系統(tǒng)光譜響應度進行了標定實驗研究。采用分段線性標定方法，在較寬溫區(qū)范圍內(nèi)對輻射計進行標定。在373～773 K溫區(qū)范圍進行了響應度標定實驗研究，給出了系統(tǒng)的光譜響應度，同時比較測量光譜與基于標定的計算光譜的一致性。

2 標定原理

2.1 SR 5000N輻射計基本結構

圖1為SR 5000N輻射計的基本光路圖。主要由探測器、連續(xù)濾光片、斬波器、電荷耦合元件、精密反射鏡組(含聚光鏡、45°平面折疊鏡組件)等構成。詳細介紹可見CI公司SR 5000N使用手冊。當輻射信號進入光路后，經(jīng)過精密反射鏡組匯集、反射、聚焦，再通過斬波器調(diào)制為交流信號后至視場光闌、連續(xù)濾光片，最后由探測器完成由光信號到電信號轉(zhuǎn)換輸出。

圖1 SR 5000N的基本光路圖

2.2 分段線性標定模型

已知溫度T的黑體發(fā)出的輻射經(jīng)過成像系統(tǒng)進入輻射計，SR 5000N輻射計獲得響應信號SBB(λ)，可表示為：

SBB(λ)=K(λ)[L(λ，TBB)+L(λ，TAmb)]

(1)

式中：K(λ)為SR 5000N輻射計光譜響應函數(shù)；L(λ，TBB)為波長λ、溫度TBB時黑體光譜輻射亮度；L(λ，TAmb)為波長λ、溫度TAmb時測試環(huán)境的光譜輻射亮度。

當選取不同的黑體輻射源溫度T1、T2時，式(1)可寫為

S1(λ)=K(λ)[L(λ，T1)+L(λ，TAmb1)]

(2)

S2(λ)=K(λ)[L(λ，T2)+L(λ，TAmb2)]

(3)

當T1與T2溫度接近時，可以認為L(λ，TAmb1)≈L(λ，TAmb2)，這樣由式(2)及式(3)可以得到：

(4)

在T1、T2、λ已知情況下，L(λ，T)根據(jù)普朗克定理可求出：

(5)

式中：c1項為第一輻射常數(shù)，c1=3.741 8×10-16W·m2；c2項為第二輻射常數(shù)，c2=1.438 8×10-2m·K；λ為波長。

將L(λ，T1)，L(λ，T2)求出后代入式(4)中即可求出K(λ)。

3 實驗系統(tǒng)

采用溯源至國家紅外亮度溫度標準的黑體輻射源進行標定工作。黑體發(fā)射率大于0.995，30 min溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ℃，黑體的紅外亮度溫度分別通過中心波長3.9 μm和8～14 μm的傳遞標準級紅外輻射溫度計向上溯源至國家計量標準。SR 5000N型輻射計與黑體輻射源距離h=4 m，采用窄視場組件(NFOW)，輻射計視場角設為3×10-3rad，黑體輻射源充滿視場。實驗系統(tǒng)布局示意圖如圖2所示。

圖2 實驗系統(tǒng)布局示意圖

4 結果與討論

4.1 黑體光譜測量

黑體輻射源溫度設為T/K=323，373，423，473，523，573，623，673，723，773，823；輻射計測量1.2～14.3 μm內(nèi)的光譜曲線，采集20次求平均值得到每一溫度點的SBB(λ)，如圖3所示。圖3中橫坐標為波長，μm；縱坐標為測試信號，是無量綱值。從圖3中可以初步觀察出：1)波長4.35 μm附近有明顯的CO2吸收峰；2)信號值從波長5.5～14 μm區(qū)間明顯降低，波長5.6 μm附近觀察到‘陡坡’，這是因為SR 5000N在波長1～15 μm范圍內(nèi)測試使用InSb和MCT兩組探測器，InSb探測器在波長1～5.6 μm范圍響應，MCT探測器在波長5.6～15 μm范圍響應。從圖3中可以明顯看出兩組探測器的光譜響應增益相差較大，為便于觀察，圖4給出通過不同探測器測量的在不同波長下的紅外光譜曲線。

圖3 不同溫度的黑體光譜曲線S(λ)

圖4 不同探測器測量的黑體光譜曲線S(λ)

4.2 輻射計光譜響應度標定

根據(jù)第2.2節(jié)線性標定模型，設定黑體溫度分別為T1=723 K，T2=823 K，通過S1(λ，T1)，S2(λ，T2)求得溫度為773 K時的SR 5000N的光譜響應度K(λ)。依次類推即可得出黑體溫度為373 K，473 K，573 K，673 K時的光譜響應度K(λ)。圖5給出了773 K時光譜響應度K(λ),可以看出:SR 5000N中InSb探測器的光譜響應度明顯優(yōu)于MCT探測器。在InSb探測器響應的3～5.5 μm范圍K(λ)呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，說明在此區(qū)間，InSb探測器的長波段響應度優(yōu)于短波段，在4.3 μm有明顯的CO2吸收峰，與光譜曲線觀察情況一致。MCT探測器響應的8～14 μm范圍K(λ)呈現(xiàn)逐步先增加后減小的趨勢，在波長11.7 μm附近響應度最大。

圖5 SR 5000N系統(tǒng)773 K時光譜響應度K(λ)

4.3 黑體光譜輻射亮度計算值與理論值對比

以黑體溫度T=773 K為例。依據(jù)第2.2節(jié)中求得的K(λ)，代入式(6)中，即可求出當TAmb=723 K的L(λ，TAmb)。

S(λ，T)=K(λ，T)[L(λ，T)+L(λ，TAmb)]

(6)

黑體溫度接近時，如TAmb=723 K時L1(λ，TAmb)和TAmb=773 K時L2(λ，TAmb)近似相等：

L1(λ，TAmb)≈L2(λ，TAmb)

(7)

將T=723 K時S(λ，T)，L(λ，TAmb)，K(λ，T)代入式(6)中可以得到黑體光譜輻射亮度計計算值Lcal(λ，TBB)；根據(jù)黑體普朗克定律求得理論值L(λ，TBB)。如圖5所示。

L(λ)整體分布隨著黑體溫度T變化而變化，曲線峰值隨著黑體溫度T增加向短波長方向移動。

圖6為光譜亮度理論值L(λ，T)與計量Lcal(λ，T)對比圖,可以看出：SR 5000N在3～14 μm寬頻譜上，Lcal(λ，TBB)和L(λ，TBB)具有較好一致性。

圖6 光譜亮度理論值L(λ，T)與計算值Lcal(λ，T)對比

圖7為黑體溫度分別設置為373 K、473 K、573 K、673 K、773 K相對平均偏差，可以看出：3.0～3.2 μm，4.3 μm附近，5.5～7 μm相對平均偏差較大，其原因有兩點：1)InSb探測器在3.0～3.2 μm光譜響應效果較差；2)實驗時由于輻射計與高溫黑體有一定距離，在4.3 μm附近，5.5～7 μm大氣中CO2，H2O存在影響，導致黑體的計算值與理論值相差較大。

圖7 相對平均偏差

圖8為在8～14 μm頻譜內(nèi)SR 5000N相對平均偏差，可以看出，在該范圍內(nèi)相對平均偏差優(yōu)于1%。

圖8 8～14 μm相對平均偏差

5 結 論

本文建立了紅外輻射計光譜響應度標定模型，運用溯源至國家紅外亮度溫度標準的高溫黑體輻射源對SR 5000N系統(tǒng)進行光譜響應標定實驗。實驗結果表明：在所選取的溫度區(qū)間，校準的SR 5000N測量黑體的光譜和相應溫度的理論光譜具有較好的一致性，黑體光譜輻射亮度在8～14 μm頻譜內(nèi)相對平均誤差優(yōu)于1%。