低温真空红外傅里叶光谱仪噪声等效辐亮度定标系统

2019-12-13黄思佳夏茂鹏李健军郑小兵雷正刚

应用光学 2019年6期

黄思佳，夏茂鹏，李健军，郑小兵，雷正刚

(1.中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽合肥 230026；2.昆明物理研究所，云南昆明 650000；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽合肥 230031)

引言

红外傅里叶光谱仪是一种基于干涉式测量的光谱信息采集分析设备[1]。它与传统色散型的红外光谱仪器相比，具有光谱识别精度高、探测信噪比高等优点，广泛应用于军事、环境气体监测、消防安保、爆炸物检测等领域[2]。当使用傅里叶光谱仪遥测目标时目标的红外辐射在通过大气后会发生吸收、散射等现象，环境背景信号和仪器自身的辐射信号会加载在微弱的目标信号中，显著影响对目标信号特征提取和识别的准确度。针对更远和更弱目标的探测，降低仪器自身的等效噪声或者精确表征仪器的等效噪声并予以校正，进而提高探测信噪比是目前最主要的技术途径。等效噪声辐亮度(NESR)是该类型仪器的重要参数[3-6]，它衡量了傅里叶光谱仪对目标信号探测的极限能力水平。精确标定NESR有助于提升设备的研发水平和遥测数据的定量化应用水平，决定了测量结果的可利用价值[7]。

针对红外傅里叶光谱仪的NESR精确标定问题，本文调研了目前国内外代表性的测试装置和技术手段，分析了目前红外傅里叶光谱仪NESR测量方法面临的技术难点，在此基础上提出了一种低温真空环境下的红外傅里叶光谱仪NESR参数检测的技术方案和溯源链路。

1 NESR测试方法及测量系统研究现状

目前国际上在红外傅里叶光谱仪NESR标定方面做了大量的研究工作，如美国标准技术研究院(NIST)、德国物理技术研究院(PTB)、俄罗斯全俄光学计量研究所和中国国家计量科学研究院(NIM)等。知名的红外傅里叶光谱仪研制厂商Bruker、ABB、Telops等在产品参数中均提供了NESR结果，但其采用具体的技术方案未有公开报道。国内相关部门制定了一些检测规范，如《GB/T 21186-2007傅里叶变换红外光谱仪》、《GB/T 6040-2002 红外光谱分析方法通则》以及行业性、地方性的检定标准(国家级的检验标准暂未出台)，但均未对光谱仪信噪比或者NESR测量给出明确说明。

1.1 美国标准技术研究院的光谱光度计量装置

美国NIST研制的CBS3如图1所示[8]，它是一套可抑制背景辐射干扰的光谱光度计量装置。采用温度可控真空舱设计，实现舱内温度根据测试需求调节。为了保持可拓展性，变温黑体和固定点黑体采用可分离方式。变温黑体是由液氮冷却黑体(77 K～203 K)、酒精浴槽黑体(278 K～348 K)、水浴槽黑体(278 K～348 K)和水热管黑体(328 K～523 K)组成，其腔口直径为38 mm。其中的固定点黑体由汞(234.315 6 K)、水(273.160 K)和镓(302.914 6 K)组成，其出光口直径为25 mm。

图1 美国NIST的CBS3设备可用于光谱仪或黑体的标定Fig.1 Schematic diagram for CBS3 of NIST used for calibration in spectrometer and black body

1.2 德国物理技术研究院的红外温度亮度标准装置

德国物理技术研究院PTB研制的标准装置如图2[9-10]。采用口径为20 mm，发射率0.999 6，温度稳定性优于0.1 K的变温黑体。其固定点黑体选用铟(429.748 5 K)和镓(302.914 6 K)作为参考基准。通过标准傅里叶光谱仪和红外真空辐射温度计，组成标准传递体系。其溯源链路主要是先通过标准傅里叶光谱仪和温度辐射计分别将温度标准传递给变温黑体，后再将温度标准传递给待测的用户黑体。

图2 德国物理技术研究院的PTB红外温度亮度标准装置Fig.2 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of PTB

1.3 俄罗斯全俄光学计量研究所的红外温度亮度标准装置

俄罗斯设计的辐射计量装置[11]如图3所示，采用的变温黑体辐射源的空腔开口直径为30 mm，空腔发射率0.999 9，内置温度计分度不确定度0.01 K。采用的镓(302.914 6 K)固定点黑体空腔开口直径20 mm，发射率同样达到0.999 9，温度重复性为0.2 mK。

图3 俄罗斯全俄光学计量研究所的VRTSF红外温度亮度标准装置Fig.3 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of VRTSF

1.4 中国计量院的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

中国计量科学院使用液氮制冷的真空舱和光路低温度背景工作环境如图 4所示[12]。

图4 中国计量科学院红外亮度温度标准装置VRTSFFig.4 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of National Institute of Metrology

其标准黑体温度范围为190 K～340 K，发射率0.999 9，空腔开口直径30 mm。采用液氮冷却零点黑体作为基准光源，目前暂未引入铟、镓等固定点黑体作为辐射基准光源。

2 红外傅里叶光谱仪NESR高精度的标定技术分析

传统的NESR测量方法通常在室温条件下以高低温黑体为参考辐射源来标定测量仪器的信噪比和绝对辐亮度。通常表示为[13-14]

(1)

式中：L1(λ)和L2(λ)为不同温度下辐射亮度；SNR1(λ)和SNR2(λ)为不同辐射亮度下的信噪比。由于红外傅里叶光谱仪的视场较大，受背景辐射和大口径黑体角均匀性差的影响，传统的测试方法存在较大的误差，很难满足目前对红外傅里叶光谱仪的噪声等效辐射测量精度≤0.1 nW/(cm-1·sr·cm2)的应用需求[15]。

我国目前尚无满足红外傅里叶光谱仪的噪声等效辐射测量精度≤0.1 nW/(cm-1·sr·cm2)水平的专用测试定标系统，建立NESR的高精度溯源链路和研制NESR真空低温测试设备是我国亟需解决的问题。

目前高精度的NESR测量系统的设计和研制需解决以下关键技术：

1) 背景辐射抑制难题。考虑在测试NESR过程中，开放的测试环境容易对测试结果造成干扰，无法准确判断该干扰是由测试环境引起还是因为仪器自身辐射的影响。研制低温、真空环境测试模块可以有效降低红外背景辐射杂散光对待定标设备的影响，是提高测试精度和准确性的关键。

2) 大孔径红外均匀辐射源的设计。傅里叶光谱仪视场较大，目前红外定标光源(如大口径黑体)的均匀性是影响其NESR定标精度的重要不确定度因素。研制可充满傅里叶光谱仪视场的高稳定度、高均匀性的红外面光源，并实现待测设备全孔径、全视场、全光谱和动态范围匹配，是满足红外傅里叶光谱仪NESR精确标定的另一个关键技术[8]。

3) 校准光路与辐射光路的等效性设计。由于各个光源模块的使用功能的差异，造成了空间布局位置的不一致性，这就可能造成了两者输出信号在空间传输中的光谱透过率、视场角、光束质量、传输路径、孔径与视场匹配、杂散光条件和光路等效性上出现差异，难以保证定标过程的严格等效。

针对上述技术难题，本文在借鉴国内外的红外辐射计量装置的标准传递思路的基础上，提出了一种NESR高精度测试装置方案。

3 红外傅里叶光谱仪高精度NESR测试系统方案设计

3.1 NESR测试装置的量值溯源链路

根据上述调研可知，国内外的红外辐射装置都采用标准黑体为参考光源，实现傅里叶光谱的全光路的定标系数，从而构建了基于傅里叶光谱的标准传递辐射链路，本文借鉴国际上的黑体辐射源的标准传递的思想构建NESR测试设备，其建立定标溯源链路图如图5所示。

图5 NESR溯源链路Fig.5 Traceability chain of NESR measurement system

该装置计划使用零点黑体(液氮黑体)和中国计量院标定过的标准黑体作为辐射传递标准。通过标准傅里叶光谱仪，将黑体辐射标准传递给积分球光源，再由待测仪器对积分球光源的绝对辐亮度进行测量，获得绝对辐亮度值。通过将标准光谱仪测得的辐亮度值和待测设备的绝对辐亮度值进行对比，获得待测设备的信噪比，从而完成对待测设备的NESR参数标定。

3.2 系统的结构设计

根据图5的溯源链路，本文构建如图6所示的NESR低温真空定标和测试系统。该系统由中远红外宽调谐大口径均匀标准光源模块、中远红外标准传递辐亮度计、标准传递傅里叶光谱仪、低温真空定标舱和低温真空工作舱组成。该系统的技术优势体现在：1) 校准与辐射观测的光路匹配等效；2) 以腔型黑体为标准辐射源，实现全光路定标，获取全光路的辐亮度定标系数。

图6 红外傅里叶光谱仪NESR定标测试系统Fig.6 Structural sketch for NESR calibration measurement system of infrared Fourier spectrometer

光源舱内置自主研发红外辐射积分球作为测试主光源。真空低温工作舱为待定标傅里叶光谱仪提供无背景气体吸收和低背景红外辐射的环境条件。真空低温定标舱具有程控等效观测的扫描切换光路，将零点黑体、标准黑体光切换入射至傅里叶光谱仪，实现标准傅里叶光谱全光路绝对辐亮度响应度的准确定标。通过扫描镜的光路切换实现中远红外宽调谐大口径均匀标准光源模块输出光谱辐亮度的准确测量，采用红外标准传递辐射计进行稳定性监视。通过集成真空、低温、自校准、稳定性监视、自动化测试等关键技术，有效保障定标系数和目标红外辐射信号反演的一致性，实现被测傅里叶光谱仪的NESR高精度定标。

3.3 大孔径大视场的红外均匀光源设计

为了提高红外光源的输出均匀性，本模块采用红外镀金积分球代替黑体辐射源，满足仪器的孔径和视场的定标要求[16-17]。自主研制的红外积分球辐射光源，总体设计如图7所示。

图7 内置和外置积分球结构设计图Fig.7 Structural design diagram of gold-plated integrating sphere

它通过采用子母式的积分球设计方案，既可提高红外积分球光源良好的温度稳定性、可控性、良好的角度和面均匀性，又可弥补红外内壁涂层多次漫反射的不足。整个积分球采用蛇形铜管进行环绕，通过外部液氮混合介质的循环制冷热沉，使其温度稳定在-80℃，温度均匀性±2℃。

经过模拟当外置积分球安装在靠近内置积分球出口法线±15°～±20°附近，其角度均匀性在中心法线±30°范围内优于1%。

图8 外置积分球的安装角度与输出均匀性的关系图Fig.8 Diagram for installation angle and output uniformity of external integrating sphere

外置积分球采用碳纤维石英管为红外辐射源，其输出的光谱范围覆盖2.0 μm ～ 15 μm。它是纯黑体材料，其电热转换效率达95%以上，比镍铬、钨钼等材料制作的发热体的效率高。碳纤维石英电热管，工作温度在40℃ ～ 1 200℃中可随意调节，最高工作温度可高达1 400℃。碳纤维石英电热管采用恒定直流驱动，工作寿命长达6 000 h以上。

3.4 系统的等效光路设计

NESR的测试系统的最大难点在要严格保证校准设备与辐射观测设备的光路严格等效和黑体参考光源能够进行全光路定标，实现辐射与校准的一体化设计。设计的光路图如图9所示。

该光路主要利用椭球抛物镜将黑体辐射源成像在傅里叶光谱仪的入射狭缝处。扫描镜结构的作用是快速切换零点黑体和标准黑体定标光路，真空低温制冷管道内置镀金光阑，用于背景辐射抑制。椭球聚焦镜调整机构调整用于标准传递傅里叶光谱仪的光谱、视场和孔径的精确配置。低温真空定标舱包括椭球聚焦镜调整机构、真空泵组、低温真空定标光路和光路切换舱。椭球聚焦镜调整机构，实现傅里叶光谱仪的辐射定标。定标过程为：零点黑体和标准黑体的光谱辐射信号，被旋转平面镜反射，通过三段液氮低温管路，再由离轴椭球镜汇聚进入真空傅里叶光谱仪中。真空泵组为低温真空定标光路和光路切换舱提供真空环境，真空度小于10-3Pa，可抑制背景气体吸收影响。光路切换舱和离轴镜之间的真空管路采用制冷机组进行冷却温控，并且设置深冷温控的光阑，用来降低背景杂散光的影响。光路切换舱可快速实现傅里叶光谱仪对准标准黑体和光源舱，切换时间小于6 s。低温真空定标光路和光路切换舱的制冷温度范围为153 K～193 K，温度控制精度优于±2 K。