低温光谱辐射标定误差统计研究

姚凯凯 王睿 张锐娟 王浩

【摘 要】红外光谱辐射标定是对所测目标光谱特征进行定量分析的关键，标定误差严重影响数据精度，针对空中低温目标难以用传统标定方法进行标定，本文利用傅立叶变换光谱仪测量标准黑体源不同温度的光谱数据，用高温标定低温，分析统计其标定误差，为后续的标定及数据修正提供依据。

【关键词】光谱辐射 定标 低温 光谱仪

1 引言

在现在日益复杂的战场环境中，为了提高军用飞行器的生存能力，越来越多的军用飞行器采用各种隐身技术，如降低飞行器的红外辐射特性。因此，在发展红外隐身飞行器时，需要对飞行器的蒙皮、发动机、尾焰等红外辐射特征有详细的了解。通常使用傅立叶变换红外光谱仪测量飞行器不同部位的红外辐射特征，其主要工作原理是通过双光束干涉仪产生干涉图，再对干涉图进行傅立叶变换实现光谱测量。用傅立叶变换光谱仪测量目标光谱辐射强度的时候，不可避免地存在误差，为了减小测量误差、提高测量精度，需要对测量结果进行标定。众所周知，高度上升1000m，温度降低6℃，当飞行器的飞行高度为8000m时，假设地面温度为20℃，则飞行器在8000m高空的环境温度约为-28℃，当飞行器亚音速飞行时，飞行器蒙皮辐射温度为-20℃左右，而光谱仪无法进行实时标定，为了保精度的测试，本文在探测器线性响应范围内，研究了高温标定低温的标定误差，将高温段的标定推广到对低温段的标定。

在高空飞行时，飞行器蒙皮温度低于零度，但是不具备温度小于零度的黑体，因此标定时黑体的温度均会高于目标表面温度，造成光谱仪非线性的影响增大，为了提高数据精度，在实验室进行了高温校低温试验，通过采用黑体温差大小与空中目标相似的途径来统计分析该标定方法的误差大小。由于光谱仪在中波波段对零度以下辐射响应特别小，可忽略不计，所以本文只讨论长波范围高温校低温的标定误差。

3 实验结果分析

在实验室环境下，使用傅立叶变换红外光谱仪探测不同温度时的黑体辐射，测量光谱波段为833 cm-1～1250cm-1，对应波长为8μm～12μm，视场为45mrad，分辨率为4cm-1。为了保证标定精度，减少干扰因素，尽量使面源黑体接近光谱仪的镜头，使得面源黑体充满光谱仪视场。使用光谱仪分别测量了80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、5℃的黑体长波辐射，并进行高温标定低温，标定结果与普朗克曲线进行比对，如图1是标定后光谱辐射曲线与普朗克曲线的对比图，其中，cal10、cal20、cal30、cal40、cal50分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的标定曲线，10.spc、20.spc、30.spc、40.spc、50.spc分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的标准普朗克曲线。从图1中可以看出，标定后光谱辐射曲线与普朗克曲线比较接近，吻合较好，说明在探测器线性响应范围内，高温标定低温方法可行，可以取得较好的结果。

计算校准谱与理论谱在长波波段内的光谱辐射能量，计算标定误差，并进行统计，表1列出了误差统计结果。

从标定误差统计结果可以看出，标定高温与被标定温度之间温差不大于40℃时，标定误差小于2.22%，标定温度与被标定温度越接近，误差越小，满足使用要求，有效验证了高温标定低温方法的正确性。

4 结语

本文针对高空低温目标光谱辐射标定问题，提出了使用高温标定低温的方法，在实验室利用黑体源模拟温差与空中目标温差相似的途径进行了验证，误差统计分析结果表明该方法的合理性，能够用于空中目标光谱辐射的标定。

参考文献：

[1] 童晶晶，刘文清，高闽光 等.基于机载FTIR的辐射定标研究[J].红外，2010（12）：12-15.

[2] 冯明春，徐亮，高闽光 等.傅立叶变换红外光谱辐射定标方法的研究[J].红外技术，2012（6）：366-370.

作者简介：

姚凯凯（1989—），男，陕西渭南人，助理工程师，研究方向：目标特性数据分析。

王睿（1985—），女，陕西西安人，工程师，研究方向：红外目标特性测试。

张锐娟（1983—），女，陕西渭南人，工程师，研究方向：红外目标特性测试。

王浩（1982—），男，陕西渭南人，高级工程师，研究方向：目标光学特性分析。