基于分段线性法的红外辐射计响应度标定研究

2020-06-12何映锋邓乐武

计量学报 2020年6期

何映锋，邓乐武，吴杰，魏平，王睿

(成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川成都 610000)

1 引言

红外光谱辐射计广泛运用于国防、科学研究及工业领域[1～7]，如评估蒙皮材料发射率[8]，导弹火焰辐射特性[9]，航天红外遥感领域[10]等。SR 5000N型辐射计是目前最先进的红外辐射计之一，其具有包括光谱响应，辐射强度，辐射亮度等多种测试能力。同时，SR 5000N凭借其高灵敏度、高稳定性、均匀对称视场、模块化设计、便携等优势，适用于室内和外场各种环境条件，满足客户不同需求。对材料发射率测试系统而言，红外辐射计响应度标定工作尤为重要，其结果影响到对材料真实发射率不确定度的严格评估。

本文基于高温黑体辐射源对SR 5000N辐射计系统光谱响应度进行了标定实验研究。采用分段线性标定方法，在较宽温区范围内对辐射计进行标定。在373～773 K温区范围进行了响应度标定实验研究，给出了系统的光谱响应度，同时比较测量光谱与基于标定的计算光谱的一致性。

2 标定原理

2.1 SR 5000N辐射计基本结构

图1为SR 5000N辐射计的基本光路图。主要由探测器、连续滤光片、斩波器、电荷耦合元件、精密反射镜组(含聚光镜、45°平面折叠镜组件)等构成。详细介绍可见CI公司SR 5000N使用手册。当辐射信号进入光路后，经过精密反射镜组汇集、反射、聚焦，再通过斩波器调制为交流信号后至视场光阑、连续滤光片，最后由探测器完成由光信号到电信号转换输出。

图1 SR 5000N的基本光路图

2.2 分段线性标定模型

已知温度T的黑体发出的辐射经过成像系统进入辐射计，SR 5000N辐射计获得响应信号SBB(λ)，可表示为：

SBB(λ)=K(λ)[L(λ，TBB)+L(λ，TAmb)]

(1)

式中：K(λ)为SR 5000N辐射计光谱响应函数；L(λ，TBB)为波长λ、温度TBB时黑体光谱辐射亮度；L(λ，TAmb)为波长λ、温度TAmb时测试环境的光谱辐射亮度。

当选取不同的黑体辐射源温度T1、T2时，式(1)可写为

S1(λ)=K(λ)[L(λ，T1)+L(λ，TAmb1)]

(2)

S2(λ)=K(λ)[L(λ，T2)+L(λ，TAmb2)]

(3)

当T1与T2温度接近时，可以认为L(λ，TAmb1)≈L(λ，TAmb2)，这样由式(2)及式(3)可以得到：

(4)

在T1、T2、λ已知情况下，L(λ，T)根据普朗克定理可求出：

(5)

式中：c1项为第一辐射常数，c1=3.741 8×10-16W·m2；c2项为第二辐射常数，c2=1.438 8×10-2m·K；λ为波长。

将L(λ，T1)，L(λ，T2)求出后代入式(4)中即可求出K(λ)。

3 实验系统

采用溯源至国家红外亮度温度标准的黑体辐射源进行标定工作。黑体发射率大于0.995，30 min温度稳定性优于0.1 ℃，黑体的红外亮度温度分别通过中心波长3.9 μm和8～14 μm的传递标准级红外辐射温度计向上溯源至国家计量标准。SR 5000N型辐射计与黑体辐射源距离h=4 m，采用窄视场组件(NFOW)，辐射计视场角设为3×10-3rad，黑体辐射源充满视场。实验系统布局示意图如图2所示。

图2 实验系统布局示意图

4 结果与讨论

4.1 黑体光谱测量

黑体辐射源温度设为T/K=323，373，423，473，523，573，623，673，723，773，823；辐射计测量1.2～14.3 μm内的光谱曲线，采集20次求平均值得到每一温度点的SBB(λ)，如图3所示。图3中横坐标为波长，μm；纵坐标为测试信号，是无量纲值。从图3中可以初步观察出：1)波长4.35 μm附近有明显的CO2吸收峰；2)信号值从波长5.5～14 μm区间明显降低，波长5.6 μm附近观察到‘陡坡’，这是因为SR 5000N在波长1～15 μm范围内测试使用InSb和MCT两组探测器，InSb探测器在波长1～5.6 μm范围响应，MCT探测器在波长5.6～15 μm范围响应。从图3中可以明显看出两组探测器的光谱响应增益相差较大，为便于观察，图4给出通过不同探测器测量的在不同波长下的红外光谱曲线。

图3 不同温度的黑体光谱曲线S(λ)

图4 不同探测器测量的黑体光谱曲线S(λ)

4.2 辐射计光谱响应度标定

根据第2.2节线性标定模型，设定黑体温度分别为T1=723 K，T2=823 K，通过S1(λ，T1)，S2(λ，T2)求得温度为773 K时的SR 5000N的光谱响应度K(λ)。依次类推即可得出黑体温度为373 K，473 K，573 K，673 K时的光谱响应度K(λ)。图5给出了773 K时光谱响应度K(λ),可以看出:SR 5000N中InSb探测器的光谱响应度明显优于MCT探测器。在InSb探测器响应的3～5.5 μm范围K(λ)呈现逐步增加的趋势，说明在此区间，InSb探测器的长波段响应度优于短波段，在4.3 μm有明显的CO2吸收峰，与光谱曲线观察情况一致。MCT探测器响应的8～14 μm范围K(λ)呈现逐步先增加后减小的趋势，在波长11.7 μm附近响应度最大。

图5 SR 5000N系统773 K时光谱响应度K(λ)

4.3 黑体光谱辐射亮度计算值与理论值对比

以黑体温度T=773 K为例。依据第2.2节中求得的K(λ)，代入式(6)中，即可求出当TAmb=723 K的L(λ，TAmb)。

S(λ，T)=K(λ，T)[L(λ，T)+L(λ，TAmb)]

(6)

黑体温度接近时，如TAmb=723 K时L1(λ，TAmb)和TAmb=773 K时L2(λ，TAmb)近似相等：

L1(λ，TAmb)≈L2(λ，TAmb)

(7)

将T=723 K时S(λ，T)，L(λ，TAmb)，K(λ，T)代入式(6)中可以得到黑体光谱辐射亮度计计算值Lcal(λ，TBB)；根据黑体普朗克定律求得理论值L(λ，TBB)。如图5所示。

L(λ)整体分布随着黑体温度T变化而变化，曲线峰值随着黑体温度T增加向短波长方向移动。

图6为光谱亮度理论值L(λ，T)与计量Lcal(λ，T)对比图,可以看出：SR 5000N在3～14 μm宽频谱上，Lcal(λ，TBB)和L(λ，TBB)具有较好一致性。

图6 光谱亮度理论值L(λ，T)与计算值Lcal(λ，T)对比

图7为黑体温度分别设置为373 K、473 K、573 K、673 K、773 K相对平均偏差，可以看出：3.0～3.2 μm，4.3 μm附近，5.5～7 μm相对平均偏差较大，其原因有两点：1)InSb探测器在3.0～3.2 μm光谱响应效果较差；2)实验时由于辐射计与高温黑体有一定距离，在4.3 μm附近，5.5～7 μm大气中CO2，H2O存在影响，导致黑体的计算值与理论值相差较大。