黃思佳，夏茂鵬，李健軍，鄭小兵，雷正剛

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650000；3.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

引言

紅外傅里葉光譜儀是一種基于干涉式測(cè)量的光譜信息采集分析設(shè)備[1]。它與傳統(tǒng)色散型的紅外光譜儀器相比，具有光譜識(shí)別精度高、探測(cè)信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)、消防安保、爆炸物檢測(cè)等領(lǐng)域[2]。當(dāng)使用傅里葉光譜儀遙測(cè)目標(biāo)時(shí)目標(biāo)的紅外輻射在通過(guò)大氣后會(huì)發(fā)生吸收、散射等現(xiàn)象，環(huán)境背景信號(hào)和儀器自身的輻射信號(hào)會(huì)加載在微弱的目標(biāo)信號(hào)中，顯著影響對(duì)目標(biāo)信號(hào)特征提取和識(shí)別的準(zhǔn)確度。針對(duì)更遠(yuǎn)和更弱目標(biāo)的探測(cè)，降低儀器自身的等效噪聲或者精確表征儀器的等效噪聲并予以校正，進(jìn)而提高探測(cè)信噪比是目前最主要的技術(shù)途徑。等效噪聲輻亮度(NESR)是該類(lèi)型儀器的重要參數(shù)[3-6]，它衡量了傅里葉光譜儀對(duì)目標(biāo)信號(hào)探測(cè)的極限能力水平。精確標(biāo)定NESR有助于提升設(shè)備的研發(fā)水平和遙測(cè)數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用水平，決定了測(cè)量結(jié)果的可利用價(jià)值[7]。

針對(duì)紅外傅里葉光譜儀的NESR精確標(biāo)定問(wèn)題，本文調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)外代表性的測(cè)試裝置和技術(shù)手段，分析了目前紅外傅里葉光譜儀NESR測(cè)量方法面臨的技術(shù)難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種低溫真空環(huán)境下的紅外傅里葉光譜儀NESR參數(shù)檢測(cè)的技術(shù)方案和溯源鏈路。

1 NESR測(cè)試方法及測(cè)量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)際上在紅外傅里葉光譜儀NESR標(biāo)定方面做了大量的研究工作，如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)、俄羅斯全俄光學(xué)計(jì)量研究所和中國(guó)國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)等。知名的紅外傅里葉光譜儀研制廠商Bruker、ABB、Telops等在產(chǎn)品參數(shù)中均提供了NESR結(jié)果，但其采用具體的技術(shù)方案未有公開(kāi)報(bào)道。國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)制定了一些檢測(cè)規(guī)范，如《GB/T 21186-2007傅里葉變換紅外光譜儀》、《GB/T 6040-2002 紅外光譜分析方法通則》以及行業(yè)性、地方性的檢定標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家級(jí)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)暫未出臺(tái))，但均未對(duì)光譜儀信噪比或者NESR測(cè)量給出明確說(shuō)明。

1.1 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的光譜光度計(jì)量裝置

美國(guó)NIST研制的CBS3如圖1所示[8]，它是一套可抑制背景輻射干擾的光譜光度計(jì)量裝置。采用溫度可控真空艙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度根據(jù)測(cè)試需求調(diào)節(jié)。為了保持可拓展性，變溫黑體和固定點(diǎn)黑體采用可分離方式。變溫黑體是由液氮冷卻黑體(77 K～203 K)、酒精浴槽黑體(278 K～348 K)、水浴槽黑體(278 K～348 K)和水熱管黑體(328 K～523 K)組成，其腔口直徑為38 mm。其中的固定點(diǎn)黑體由汞(234.315 6 K)、水(273.160 K)和鎵(302.914 6 K)組成，其出光口直徑為25 mm。

圖1 美國(guó)NIST的CBS3設(shè)備可用于光譜儀或黑體的標(biāo)定Fig.1 Schematic diagram for CBS3 of NIST used for calibration in spectrometer and black body

1.2 德國(guó)物理技術(shù)研究院的紅外溫度亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置

德國(guó)物理技術(shù)研究院PTB研制的標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖2[9-10]。采用口徑為20 mm，發(fā)射率0.999 6，溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1 K的變溫黑體。其固定點(diǎn)黑體選用銦(429.748 5 K)和鎵(302.914 6 K)作為參考基準(zhǔn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傅里葉光譜儀和紅外真空輻射溫度計(jì)，組成標(biāo)準(zhǔn)傳遞體系。其溯源鏈路主要是先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傅里葉光譜儀和溫度輻射計(jì)分別將溫度標(biāo)準(zhǔn)傳遞給變溫黑體，后再將溫度標(biāo)準(zhǔn)傳遞給待測(cè)的用戶(hù)黑體。

圖2 德國(guó)物理技術(shù)研究院的PTB紅外溫度亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.2 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of PTB

1.3 俄羅斯全俄光學(xué)計(jì)量研究所的紅外溫度亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置

俄羅斯設(shè)計(jì)的輻射計(jì)量裝置[11]如圖3所示，采用的變溫黑體輻射源的空腔開(kāi)口直徑為30 mm，空腔發(fā)射率0.999 9，內(nèi)置溫度計(jì)分度不確定度0.01 K。采用的鎵(302.914 6 K)固定點(diǎn)黑體空腔開(kāi)口直徑20 mm，發(fā)射率同樣達(dá)到0.999 9，溫度重復(fù)性為0.2 mK。

圖3 俄羅斯全俄光學(xué)計(jì)量研究所的VRTSF紅外溫度亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.3 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of VRTSF

1.4 中國(guó)計(jì)量院的紅外遙感亮度溫度國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

中國(guó)計(jì)量科學(xué)院使用液氮制冷的真空艙和光路低溫度背景工作環(huán)境如圖 4所示[12]。

圖4 中國(guó)計(jì)量科學(xué)院紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置VRTSFFig.4 Diagrammatic sketch for infrared radiance temperature standard facility of National Institute of Metrology

其標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度范圍為190 K～340 K，發(fā)射率0.999 9，空腔開(kāi)口直徑30 mm。采用液氮冷卻零點(diǎn)黑體作為基準(zhǔn)光源，目前暫未引入銦、鎵等固定點(diǎn)黑體作為輻射基準(zhǔn)光源。

2 紅外傅里葉光譜儀NESR高精度的標(biāo)定技術(shù)分析

傳統(tǒng)的NESR測(cè)量方法通常在室溫條件下以高低溫黑體為參考輻射源來(lái)標(biāo)定測(cè)量?jī)x器的信噪比和絕對(duì)輻亮度。通常表示為[13-14]

(1)

式中：L1(λ)和L2(λ)為不同溫度下輻射亮度；SNR1(λ)和SNR2(λ)為不同輻射亮度下的信噪比。由于紅外傅里葉光譜儀的視場(chǎng)較大，受背景輻射和大口徑黑體角均勻性差的影響，傳統(tǒng)的測(cè)試方法存在較大的誤差，很難滿(mǎn)足目前對(duì)紅外傅里葉光譜儀的噪聲等效輻射測(cè)量精度≤0.1 nW/(cm-1·sr·cm2)的應(yīng)用需求[15]。

我國(guó)目前尚無(wú)滿(mǎn)足紅外傅里葉光譜儀的噪聲等效輻射測(cè)量精度≤0.1 nW/(cm-1·sr·cm2)水平的專(zhuān)用測(cè)試定標(biāo)系統(tǒng)，建立NESR的高精度溯源鏈路和研制NESR真空低溫測(cè)試設(shè)備是我國(guó)亟需解決的問(wèn)題。

目前高精度的NESR測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制需解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 背景輻射抑制難題?？紤]在測(cè)試NESR過(guò)程中，開(kāi)放的測(cè)試環(huán)境容易對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾，無(wú)法準(zhǔn)確判斷該干擾是由測(cè)試環(huán)境引起還是因?yàn)閮x器自身輻射的影響。研制低溫、真空環(huán)境測(cè)試模塊可以有效降低紅外背景輻射雜散光對(duì)待定標(biāo)設(shè)備的影響，是提高測(cè)試精度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2) 大孔徑紅外均勻輻射源的設(shè)計(jì)。傅里葉光譜儀視場(chǎng)較大，目前紅外定標(biāo)光源(如大口徑黑體)的均勻性是影響其N(xiāo)ESR定標(biāo)精度的重要不確定度因素。研制可充滿(mǎn)傅里葉光譜儀視場(chǎng)的高穩(wěn)定度、高均勻性的紅外面光源，并實(shí)現(xiàn)待測(cè)設(shè)備全孔徑、全視場(chǎng)、全光譜和動(dòng)態(tài)范圍匹配，是滿(mǎn)足紅外傅里葉光譜儀NESR精確標(biāo)定的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[8]。

3) 校準(zhǔn)光路與輻射光路的等效性設(shè)計(jì)。由于各個(gè)光源模塊的使用功能的差異，造成了空間布局位置的不一致性，這就可能造成了兩者輸出信號(hào)在空間傳輸中的光譜透過(guò)率、視場(chǎng)角、光束質(zhì)量、傳輸路徑、孔徑與視場(chǎng)匹配、雜散光條件和光路等效性上出現(xiàn)差異，難以保證定標(biāo)過(guò)程的嚴(yán)格等效。

針對(duì)上述技術(shù)難題，本文在借鑒國(guó)內(nèi)外的紅外輻射計(jì)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)傳遞思路的基礎(chǔ)上，提出了一種NESR高精度測(cè)試裝置方案。

3 紅外傅里葉光譜儀高精度NESR測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 NESR測(cè)試裝置的量值溯源鏈路

根據(jù)上述調(diào)研可知，國(guó)內(nèi)外的紅外輻射裝置都采用標(biāo)準(zhǔn)黑體為參考光源，實(shí)現(xiàn)傅里葉光譜的全光路的定標(biāo)系數(shù)，從而構(gòu)建了基于傅里葉光譜的標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻射鏈路，本文借鑒國(guó)際上的黑體輻射源的標(biāo)準(zhǔn)傳遞的思想構(gòu)建NESR測(cè)試設(shè)備，其建立定標(biāo)溯源鏈路圖如圖5所示。

圖5 NESR溯源鏈路Fig.5 Traceability chain of NESR measurement system

該裝置計(jì)劃使用零點(diǎn)黑體(液氮黑體)和中國(guó)計(jì)量院標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)黑體作為輻射傳遞標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傅里葉光譜儀，將黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞給積分球光源，再由待測(cè)儀器對(duì)積分球光源的絕對(duì)輻亮度進(jìn)行測(cè)量，獲得絕對(duì)輻亮度值。通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)光譜儀測(cè)得的輻亮度值和待測(cè)設(shè)備的絕對(duì)輻亮度值進(jìn)行對(duì)比，獲得待測(cè)設(shè)備的信噪比，從而完成對(duì)待測(cè)設(shè)備的NESR參數(shù)標(biāo)定。

3.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖5的溯源鏈路，本文構(gòu)建如圖6所示的NESR低溫真空定標(biāo)和測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中遠(yuǎn)紅外寬調(diào)諧大口徑均勻標(biāo)準(zhǔn)光源模塊、中遠(yuǎn)紅外標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻亮度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)傳遞傅里葉光譜儀、低溫真空定標(biāo)艙和低溫真空工作艙組成。該系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：1) 校準(zhǔn)與輻射觀測(cè)的光路匹配等效；2) 以腔型黑體為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，實(shí)現(xiàn)全光路定標(biāo)，獲取全光路的輻亮度定標(biāo)系數(shù)。

圖6 紅外傅里葉光譜儀NESR定標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Structural sketch for NESR calibration measurement system of infrared Fourier spectrometer

光源艙內(nèi)置自主研發(fā)紅外輻射積分球作為測(cè)試主光源。真空低溫工作艙為待定標(biāo)傅里葉光譜儀提供無(wú)背景氣體吸收和低背景紅外輻射的環(huán)境條件。真空低溫定標(biāo)艙具有程控等效觀測(cè)的掃描切換光路，將零點(diǎn)黑體、標(biāo)準(zhǔn)黑體光切換入射至傅里葉光譜儀，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傅里葉光譜全光路絕對(duì)輻亮度響應(yīng)度的準(zhǔn)確定標(biāo)。通過(guò)掃描鏡的光路切換實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外寬調(diào)諧大口徑均勻標(biāo)準(zhǔn)光源模塊輸出光譜輻亮度的準(zhǔn)確測(cè)量，采用紅外標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻射計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)視。通過(guò)集成真空、低溫、自校準(zhǔn)、穩(wěn)定性監(jiān)視、自動(dòng)化測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，有效保障定標(biāo)系數(shù)和目標(biāo)紅外輻射信號(hào)反演的一致性，實(shí)現(xiàn)被測(cè)傅里葉光譜儀的NESR高精度定標(biāo)。

3.3 大孔徑大視場(chǎng)的紅外均勻光源設(shè)計(jì)

為了提高紅外光源的輸出均勻性，本模塊采用紅外鍍金積分球代替黑體輻射源，滿(mǎn)足儀器的孔徑和視場(chǎng)的定標(biāo)要求[16-17]。自主研制的紅外積分球輻射光源，總體設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 內(nèi)置和外置積分球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.7 Structural design diagram of gold-plated integrating sphere

它通過(guò)采用子母式的積分球設(shè)計(jì)方案，既可提高紅外積分球光源良好的溫度穩(wěn)定性、可控性、良好的角度和面均勻性，又可彌補(bǔ)紅外內(nèi)壁涂層多次漫反射的不足。整個(gè)積分球采用蛇形銅管進(jìn)行環(huán)繞，通過(guò)外部液氮混合介質(zhì)的循環(huán)制冷熱沉，使其溫度穩(wěn)定在-80℃，溫度均勻性±2℃。

經(jīng)過(guò)模擬當(dāng)外置積分球安裝在靠近內(nèi)置積分球出口法線±15°～±20°附近，其角度均勻性在中心法線±30°范圍內(nèi)優(yōu)于1%。

圖8 外置積分球的安裝角度與輸出均勻性的關(guān)系圖Fig.8 Diagram for installation angle and output uniformity of external integrating sphere

外置積分球采用碳纖維石英管為紅外輻射源，其輸出的光譜范圍覆蓋2.0 μm ～ 15 μm。它是純黑體材料，其電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%以上，比鎳鉻、鎢鉬等材料制作的發(fā)熱體的效率高。碳纖維石英電熱管，工作溫度在40℃ ～ 1 200℃中可隨意調(diào)節(jié)，最高工作溫度可高達(dá)1 400℃。碳纖維石英電熱管采用恒定直流驅(qū)動(dòng)，工作壽命長(zhǎng)達(dá)6 000 h以上。

3.4 系統(tǒng)的等效光路設(shè)計(jì)

NESR的測(cè)試系統(tǒng)的最大難點(diǎn)在要嚴(yán)格保證校準(zhǔn)設(shè)備與輻射觀測(cè)設(shè)備的光路嚴(yán)格等效和黑體參考光源能夠進(jìn)行全光路定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)輻射與校準(zhǔn)的一體化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的光路圖如圖9所示。

該光路主要利用橢球拋物鏡將黑體輻射源成像在傅里葉光譜儀的入射狹縫處。掃描鏡結(jié)構(gòu)的作用是快速切換零點(diǎn)黑體和標(biāo)準(zhǔn)黑體定標(biāo)光路，真空低溫制冷管道內(nèi)置鍍金光闌，用于背景輻射抑制。橢球聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞傅里葉光譜儀的光譜、視場(chǎng)和孔徑的精確配置。低溫真空定標(biāo)艙包括橢球聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)、真空泵組、低溫真空定標(biāo)光路和光路切換艙。橢球聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傅里葉光譜儀的輻射定標(biāo)。定標(biāo)過(guò)程為：零點(diǎn)黑體和標(biāo)準(zhǔn)黑體的光譜輻射信號(hào)，被旋轉(zhuǎn)平面鏡反射，通過(guò)三段液氮低溫管路，再由離軸橢球鏡匯聚進(jìn)入真空傅里葉光譜儀中。真空泵組為低溫真空定標(biāo)光路和光路切換艙提供真空環(huán)境，真空度小于10-3Pa，可抑制背景氣體吸收影響。光路切換艙和離軸鏡之間的真空管路采用制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻溫控，并且設(shè)置深冷溫控的光闌，用來(lái)降低背景雜散光的影響。光路切換艙可快速實(shí)現(xiàn)傅里葉光譜儀對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)黑體和光源艙，切換時(shí)間小于6 s。低溫真空定標(biāo)光路和光路切換艙的制冷溫度范圍為153 K～193 K，溫度控制精度優(yōu)于±2 K。

圖9 定標(biāo)光路設(shè)計(jì)Fig.9 Schematic diagram for optical path designing of calibration

4 結(jié)論

調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)外紅外傅里葉光譜儀NESR測(cè)量設(shè)備具有代表性的技術(shù)方案，詳細(xì)闡述了在研的真空低溫NESR測(cè)試及定標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該裝置的建立有助于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)傅里葉光譜儀NESR的量值溯源需求的空白，為我國(guó)紅外傅里葉光譜儀的工程技術(shù)突破提供參考。