_60_80_面源黑体辐射特性校准系统

80℃ 变温标准黑体, 然后换下 Ga 凝固点黑 体, 通过红外光谱辐射计校准 - 60℃～ 80℃ 变温标准黑体。
调节器用于整套装置的光轴调节。抽真空装置 和制冷设备用于在 - 60℃～ 80℃ 面源黑体 辐射特性校准前对低温真空舱进行抽真空和 制 冷, 以避免大气对红外信号的吸收和散射, 并大大降低背景辐射对校准实验的影响。辐射
3. 1 - 60℃～ 80℃ 面源黑体光谱辐亮度标
准数学模型
对于 - 60℃～ 80℃ 变温标准黑体光谱
辐亮度, 红外光谱辐射计的输出为
∫ V b = 8 geom G
Κi+ △Κ 2
R (Κ)
Κi- △Κ 2
S (Κ)
× Εb (Κ) L b (Κ, T ) d Κ+ V back (1)
式中, Εb (Κ) 为黑体光谱发射率; Εb (Κ) L b (Κ,
(4)
辐射辐射面上任一点的光谱辐亮度, 红外光谱
辐射计的输出 V E 为
∫ V E = 8 geom G
Κi+ △Κ 2
R (Κ)
Κi- △Κ 2
S (Κ)
× L E (Κ, T ) d Κ+ V back
(2)
式中, 8 geom 为测量黑体辐射量时的几何条件;
G 为探测器增益; S (Κ) 为光学系统传输率;
T ) 为 - 60℃～ 80℃ 变温标准黑体光谱辐亮
度; 8 geom 为测量黑体光谱辐亮度时的几何条 件; G 为探测器增益; S (Κ) 为光学系统传输率;
R (Κ) 为探测器光谱响应度; △Κ为光谱半带宽
度; V back 为背景辐射对应的红外光谱辐射计输 出信号。
由于背景的温度远低于被校准面黑体的
但是, 我国国防军工系统还未建立起面源 黑体辐射特性标准装置, 被广泛作为红外辐射 标准的面源黑体本身缺乏统一标准的质量认 证和对其辐射特性进行定期的技术性能检测。 因此, 我国国防军工系统应尽快建立面源黑体 辐射特性标准装置, 从而保证我国国防军工系 统面源黑体量值传递的准确性, 为有效地提高 我国军用热像仪研制技术和空间红外遥感技 术提供可靠的质量保证。
0. 9% ; 光谱范围: 1Λm ～ 14Λm ; 面源黑体温度 测量不确定度: 0. 2℃。
参考文献 [ 1 ] Q uinn TJ , M artin J E. Gryogen ic radiom etry,
p ro spects fo r further im p rovem en ts in accuracy [J ]. M etro logia, 1986 87, 23: 111- 114. [ 2 ] Q uinn TJ , M artin J E. C ryogen ic radiom etry, p ro spects fo r further im p rovem en ts in accuracy [J ]. M etro logia, 1991, 28: 155- 161.
s (T Ei) =
n
∑ 1
(n -
1)
i=பைடு நூலகம்1
(T Ei -
TE) 2
( i = 1, 2, ……n)
(8)
式中, T Ei 为被校准面源黑体辐射面上任一点 的温度。
4 主要技术指标 测 量 面 源 黑 体 温 度 范 围: - 60℃ ～
80℃; 面 源 黑 体 光 谱 辐 亮 度 测 量 不 确 定 度:
摘 要: 分析面源黑体及其辐射特性校准在红外热像仪研制、航天红外遥感及民用领域等的需求背 景。 提出一种基于光谱辐亮度比对的- 60℃～ 80℃面源黑体辐射特性校准装置, 并详细地分析校准数 学模型。 关键词: 黑体; 面源黑体; 辐射特性 中图分类号: TN 21 文献标识码: A
1 面源黑体校准需求背景 在红外热像仪的研究、生产及使用过程中
在被校准面源黑体辐射面上任一点与变 度计算方法如下。
温标准黑体进行光谱辐亮度比对时, 这两个黑 体均设置为相同的温度 T , 且等待被校准面源
由 (3) 式可得被校准面源黑体辐射面上 任一点的光谱辐射度M E (Κ, T ) :
3 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
1 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
在各种面源黑体中, 随着红外技术的发 展, 常温面源黑体的需求量在逐渐增加。为此, 本文提出了温度范围为 - 60℃～ 80℃ 的常 温面源黑体辐射特性校准装置、校准原理和校 准数学模型。
温度, V back 可忽略不计。 类似于 (1) 式, 同样可写出被校准面源黑
体辐射面上任一点光谱辐亮度对应于红外光
谱辐射计的输出表达式。对于被校准面源黑体
L E (Κ, T ) =
V V
E b
(Κ, T (Κ, T
) )
Εb
(Κ)L
b
(Κ,
T
)
(3)
式中, L E (Κ, T ) 为被校准面源黑体辐射面上任
类似于 (7) 式, 列出被校准面源黑体辐射 面上同一点在辐射峰值波长附近多个波长 Κ 的 黑体光谱辐射度方程, 组成非线性方程组, 并且保证足够的数据冗余度。利用工程数学方
法解出被校准面源黑体辐射面上任一点的温
度和光谱发射率。对被校准面源黑体辐射面上
各点的温度平均后, 得到被校准面源黑体辐射 面上的平均温度T E, 计算出 - 40℃～ 80℃ 面 源黑体温度均匀性 s(T ei) :
第二步, 被校准的 - 60℃～ 80℃ 面源黑 体辐射面上的光谱辐亮度和光谱辐亮度均匀 性测量。测量时, 换下 Ga 凝固点黑体, 在该位 置换装上承载着被校准 - 60℃～ 80℃ 面源 黑体的低温真空舱。红外光谱辐射计通过平面
测量机电控制系统控制平面转镜的定位、斩波 器的调制速度调节及红外辐射计中红外滤光
一点的光谱辐亮度; V E (Κ, T ) 为被校准面源黑
体辐射面上任一点的光谱辐亮度对应的红外
光谱辐射计输出; Εb (Κ)L b (Κ, T ) 为变温标准黑 体的光谱辐亮度; V b (Κ, T ) 为变温标准黑体的 光谱辐亮度对应的红外光谱辐射计输出。
通过二维机械扫描装置, 进一步测量出被
校准面源黑体辐射面上任一点辐射亮度
其中, 辐射测量零参考源、平面转镜、斩
第一步, 用 Ga 凝固点黑体和冰点黑体实
波 器、红外光谱辐射计均位于低温真空舱中。 红外光谱辐射计通过平面转镜分别测量变温 标准黑体与被校准面源黑体的光谱辐亮度。辐 射测量零参考源通过斩波器反射面向红外光 谱辐射计提供高稳定性的精密参考辐射。光路
现 - 60℃～ 80℃ 变温标准黑体的校准。 通 过 红 外 光 谱 辐 射 计 校 准 - 60℃ ～
体辐射面上光谱辐亮度均匀性测量。
黑体与变温标准黑体温度均稳定时再开始测
第三步, 进一步计算出面源黑体辐射面上 量。在相同的环境和几何条件下, 用同一红外
任一点的温度和辐射面上的温度均匀性。
光谱辐射计分别测量被校准面源黑体辐射面
3 - 60℃～ 80℃ 面源黑体辐射特性校准数 学模型
上任一点与标准黑体的光谱辐亮度, 用 (2) 式 除 (1) 式, 经化简后, 则被校准面源黑体辐射 面上任一位置的光谱辐亮度可由下式求出。
转镜分别测量被樯准的 - 60℃～ 80℃ 温度 范围的面源黑体和 - 60℃～ 80℃ 变温标准
片的定位等。
黑体的光谱辐亮度。利用二维机械扫描装置实
校准方法按以下步骤进行。
现被校准的 - 60℃～ 80℃ 温度范围面源黑
2 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
M E (Κ, T )
=
V V
E b
(Κ, (Κ,
T T
) )
Εb
(Κ)M
b
(Κ,
T
)
(6)
式中,M b (Κ, T ) 为标准黑体的光谱辐射度。
由普朗克公式, 在小视场条件下, 被校准
面源黑体辐射面上任一点的光谱辐射度为
c2
-1
M E (Κ, T ) = ΕEC1 (eΚT - 1)
(7)
式中, c1, c2 为辐射常数; ΕE 为被校准面源黑体 发射率。
都离不开常温面源黑体、中温面源黑体的测试 和标定技术的配合。通过面源黑体与其他测试 仪器的组合, 可实现对红外热成像设备的光学 系统、探测器和信号处理系统等分系统的测试 和 整机的客观评价。随着我国军用热像仪研 究、生产规模的加大, 单兵便携式热像仪、车载 热 像仪、舰载热像仪、机载热像仪等各种红外 预警、红外侦察装备及各种基于热于热成像制 导武器系统装备部队的速度迅速地提高。与此 同 时, 在军用热像仪研究、生产部门及各军队 靶 场, 常温面源黑体、中温面源黑体的使用密 度和数量也迅速增加。
L E (Κ, T ) i, 其中 i = 1, 2, ……n, 代表被校准面
源黑体辐射面上不同位置点。将被校准面源黑
体辐射面上各点的光谱辐亮度平均, 得到被校
准面源黑体辐射面上某一波长下的光谱辐亮
度平均值L E (Κ, T )
n
∑L E (Κ, T ) i
L E (Κ, T ) = i= 1 n
( i = 1, 2, ……, n)
常温面源黑体也用于星载红外扫描辐射 计、红外分光计、各种分辨率成像光谱仪、海水 色扫描仪等航天红外遥感仪器的辐射标定。星 载红外遥感仪器要完成地球资源勘测、海洋观 测、气象观测、大气研究、环境污染监视、战略 预 警、军事侦察等多项任务, 在星载红外遥感 仪器的研制过程中及发射升空之前, 必须放置