袁林光，范紀(jì)紅，周曉光，占春連，盧 飛，李 燕，張博妮，陳 娟，尤 越

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部航空軍代局駐西安地區(qū)航空軍代室，陜西 西安 710065)

引言

光譜輻射計是用于測定目標(biāo)光譜輻射量值的重要測量儀器，在軍事、工業(yè)和科學(xué)研究等方面都發(fā)揮著極大作用。根據(jù)測量光譜范圍，光譜輻射計可分為紫外光譜輻射計，可見光光譜輻射計和紅外光譜輻射計。其中紫外光譜輻射計主要應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測，空間探測領(lǐng)域；可見光譜輻射計主要用于發(fā)光體光譜分布及“三度學(xué)”有關(guān)參數(shù)測試，紅外光譜輻射計主要用于目標(biāo)紅外輻射測試評估，輻射測溫領(lǐng)域[1-6]。

光譜輻射計必須進(jìn)行輻射定標(biāo)，否則就不能對攝取的信息給出合理的解釋，不能得到定量的信息[7-8]。傳統(tǒng)的光譜輻射計定標(biāo)方法是利用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈和標(biāo)準(zhǔn)漫反射板產(chǎn)生可知亮度的大面積光源，定標(biāo)的精度一直徘徊在較低的水平。特別在近紫外波段由于輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的不確定度較大和漫反射板雙向反射分布函數(shù)的測量不確定度較大，測量不確定度高達(dá)7.4%[9-11]。

研制了一種用于測量光源光譜輻射亮度的近紫外到近紅外光譜輻射計，采用小視場設(shè)計，使得近紫外到近紅外光譜輻射計視場與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶相匹配，消除視場不匹配帶來的影響，通過視場光闌設(shè)計以及瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)一步消除雜散光的影響，從而實(shí)現(xiàn)光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈對近紫外到近紅外光譜輻射計的高準(zhǔn)確度定標(biāo)。

1 近紫外到近紅外光譜輻射計設(shè)計

近紫外到近紅外光譜輻射計組成如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、電動快門、CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、視場光闌、分光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、近紫外到近紅外探測器和信號采集處理與控制系統(tǒng)等組成。技術(shù)指標(biāo)如下：光譜范圍為300 nm～2 000 nm；光譜分辨率為0.2 nm；波長準(zhǔn)確度為±0.2 nm；光譜輻射亮度測量范圍：50 μW/cm2·nm·sr～1 000 μW/cm2·nm·sr；測量不確定度：Urel=3.5%(k=2)。

圖1 近紫外到近紅外光譜輻射計組成圖Fig.1 Composition block diagram of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

1.1 工作原理

近紫外到近紅外光譜輻射計的光譜輻射亮度測量原理為：被測光源發(fā)出的光輻射通過光學(xué)系統(tǒng)匯聚，一部分被CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)接收用于測試光路的調(diào)節(jié)，另一部分成像在視場光闌上，由分光系統(tǒng)出射狹縫出射的單色輻射經(jīng)由成像單元成像在近紫外-近紅外探測器的光敏面上，探測器輸出的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并實(shí)時給出測試結(jié)果。

1.2 關(guān)鍵部件

光學(xué)系統(tǒng)將被測目標(biāo)光源成1∶1的實(shí)像于視場光闌處，由多片透鏡膠合而成，其工作波長為300 nm～2 000 nm、焦距為100 mm、相對孔徑為F/3、材料為石英材料。電動快門用于扣除背景輻射，電動快門的葉片部分面向光學(xué)系統(tǒng)的一面鍍高反射率鋁膜，背對光學(xué)系統(tǒng)的一面均勻涂制黑漆。

CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由中心帶有圓孔的金屬反射鏡以及CCD組成，其中金屬反射鏡中心圓孔的口徑為R=x/6cos45°，x表示金屬反射鏡中心與視場光闌中心之間的距離，45°是金屬反射鏡反射面與入射光束所成角度。

分光系統(tǒng)由衰減器組、濾光片組和光柵組組成，覆蓋300 nm～2 000 nm波長范圍。其中衰減器組由一組無光譜選擇的中性衰減片組成，在波長范圍為300 nm～2 000 nm內(nèi)達(dá)實(shí)現(xiàn)光信號5個數(shù)量級、無光譜選擇的衰減；濾光片組含有截止波長分別為286 nm、450 nm、680 nm、1 050 nm以及1 850 nm的5塊濾光片，5塊濾光片對稱安裝在濾光片輪上；光柵組含有閃耀主波長分別為350 nm、750 nm和1 250 nm的3塊光柵。

成像系統(tǒng)接收通過分光系統(tǒng)的光，并成像在近紫外-近紅外探測器光敏面上；成像系統(tǒng)由球面反射鏡和平面反射鏡組成，其中平面反射鏡用于折轉(zhuǎn)光路。

近紫外到近紅外探測器由Si探測器和InGaAs探測器組成，測量紫外到可見波段時將Si探測器安裝在探測面上，測量近紅外波段時將InGaAs探測器安裝在探測面上，Si探測器和InGaAs探測器輸出信號至信號采集處理與控制系統(tǒng)。

信號采集處理與控制系統(tǒng)含有前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)；近紫外-近紅外探測器的輸出信號經(jīng)前置放大器進(jìn)行電壓放大，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入計算機(jī), 實(shí)時給出測試結(jié)果。

2 近紫外到近紅外光譜輻射計定標(biāo)

2.1 定標(biāo)方法比較

對于光譜輻射計目前通用的光譜輻射亮度定標(biāo)方法有：直接法、標(biāo)準(zhǔn)白板法、透射板法、內(nèi)置光源法等[12-15]，表1為各定標(biāo)方法特點(diǎn)。

表1 光譜輻射亮度定標(biāo)方法特點(diǎn)

2.2 使用鎢帶燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

近紫外到近紅外光譜輻射計采用小視場設(shè)計，其視場與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶相匹配，因此采用直接法進(jìn)行光譜輻射亮度定標(biāo)。

如圖2所示，在垂直于光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈出射面的方向，將近紫外到近紅外光譜輻射計放置于距標(biāo)準(zhǔn)燈設(shè)定距離處，使標(biāo)準(zhǔn)燈處于近紫外到近紅外光譜輻射計光學(xué)系統(tǒng)物面位置處，近紫外到近紅外光譜輻射計對準(zhǔn)光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶；調(diào)節(jié)近紫外到近紅外光譜輻射計的安裝支架，使光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的鎢帶通過近紫外到近紅外光譜輻射計的成像系統(tǒng)成像于近紫外到近紅外光譜輻射計的視場光闌上。

圖2 近紫外到近紅外光譜輻射計光譜輻射亮度定標(biāo)圖Fig.2 Spectral radiance calibration of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

通過控制電動快門，測量得到近紫外到近紅外光譜輻射計的背景信號V(λ)背景與光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的測量信號V(λ)標(biāo)準(zhǔn)燈，通過(1)式計算得到近紫外到近紅外光譜輻射計的定標(biāo)系數(shù)C(λ)，表2為光譜輻射亮度定標(biāo)結(jié)果，其中鎢帶燈標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度值為中國計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)證書結(jié)果。

(1)

2.3 定標(biāo)測量不確定度分析

近紫外到近紅外光譜輻射計光譜輻射亮度定標(biāo)系數(shù)的測量不確定度在不同波長不同，以400 nm為例，其不確定度分析詳見表3。

表3 光譜輻射亮度定標(biāo)系數(shù)測量不確定分析

3 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測量

為驗(yàn)證近紫外到近紅外光譜輻射計定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用光譜輻射計直接測量標(biāo)準(zhǔn)積分球光源的光譜輻射亮度。其中標(biāo)準(zhǔn)積分球光源直徑為1 m, 輸出口徑為Φ300 mm，內(nèi)部設(shè)計三組高穩(wěn)定性燈，其中每組燈包含兩支對稱分布的的高穩(wěn)定性的鹵素?zé)?，色溫? 856 K±100 K，提供波長范圍為(300 nm～2 000 nm)的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)信號。

如圖3所示，將近紫外到近紅外光譜輻射計放置在積分球光源出射輻射口前適當(dāng)位置，改變積分球光源內(nèi)置光源數(shù)目，利用標(biāo)準(zhǔn)輻射計可獲得積分球出口處光譜輻亮度。測量結(jié)果如圖4所示，光譜輻射亮度曲線從上到下依次為3組燈到1組燈的測試結(jié)果。開燈順序依次為燈組1到燈組3，每次在之前基礎(chǔ)上打開一組(兩支)燈，與積分球光源標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度偏差優(yōu)于0.5%。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測量圖Fig.3 Schematic of measuring spectral radiance ofstandard integrated sphere source

圖4 標(biāo)準(zhǔn)積分球光源光譜輻射亮度測量結(jié)果Fig.4 Measurement result of spectral radiance ofstandard integrated sphere source

4 結(jié)論

研制了一種小視場近紫外到近紅外光譜輻射計，采用鎢帶燈直接法實(shí)現(xiàn)了光譜輻射亮度的高精度定標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室測量了標(biāo)準(zhǔn)積分球光源的光譜輻射亮度，測量值與積分球光源標(biāo)準(zhǔn)值偏差優(yōu)于0.5%。該光譜輻射計具有光譜范圍寬、測量精度高等特點(diǎn)，不僅適用于各類目標(biāo)光源光譜輻射亮度的測試，對光譜輻射計量測試也具有重要的指導(dǎo)意義。