何映鋒，鄧樂(lè)武，吳 杰，魏 平，王 睿

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

1 引 言

紅外光譜輻射計(jì)廣泛運(yùn)用于國(guó)防、科學(xué)研究及工業(yè)領(lǐng)域[1～7]，如評(píng)估蒙皮材料發(fā)射率[8]，導(dǎo)彈火焰輻射特性[9]，航天紅外遙感領(lǐng)域[10]等。SR 5000N型輻射計(jì)是目前最先進(jìn)的紅外輻射計(jì)之一，其具有包括光譜響應(yīng)，輻射強(qiáng)度，輻射亮度等多種測(cè)試能力。同時(shí)，SR 5000N憑借其高靈敏度、高穩(wěn)定性、均勻?qū)ΨQ(chēng)視場(chǎng)、模塊化設(shè)計(jì)、便攜等優(yōu)勢(shì)，適用于室內(nèi)和外場(chǎng)各種環(huán)境條件，滿(mǎn)足客戶(hù)不同需求。對(duì)材料發(fā)射率測(cè)試系統(tǒng)而言，紅外輻射計(jì)響應(yīng)度標(biāo)定工作尤為重要，其結(jié)果影響到對(duì)材料真實(shí)發(fā)射率不確定度的嚴(yán)格評(píng)估。

本文基于高溫黑體輻射源對(duì)SR 5000N輻射計(jì)系統(tǒng)光譜響應(yīng)度進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究。采用分段線(xiàn)性標(biāo)定方法，在較寬溫區(qū)范圍內(nèi)對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。在373～773 K溫區(qū)范圍進(jìn)行了響應(yīng)度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究，給出了系統(tǒng)的光譜響應(yīng)度，同時(shí)比較測(cè)量光譜與基于標(biāo)定的計(jì)算光譜的一致性。

2 標(biāo)定原理

2.1 SR 5000N輻射計(jì)基本結(jié)構(gòu)

圖1為SR 5000N輻射計(jì)的基本光路圖。主要由探測(cè)器、連續(xù)濾光片、斬波器、電荷耦合元件、精密反射鏡組(含聚光鏡、45°平面折疊鏡組件)等構(gòu)成。詳細(xì)介紹可見(jiàn)CI公司SR 5000N使用手冊(cè)。當(dāng)輻射信號(hào)進(jìn)入光路后，經(jīng)過(guò)精密反射鏡組匯集、反射、聚焦，再通過(guò)斬波器調(diào)制為交流信號(hào)后至視場(chǎng)光闌、連續(xù)濾光片，最后由探測(cè)器完成由光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出。

圖1 SR 5000N的基本光路圖

2.2 分段線(xiàn)性標(biāo)定模型

已知溫度T的黑體發(fā)出的輻射經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)進(jìn)入輻射計(jì)，SR 5000N輻射計(jì)獲得響應(yīng)信號(hào)SBB(λ)，可表示為：

SBB(λ)=K(λ)[L(λ，TBB)+L(λ，TAmb)]

(1)

式中：K(λ)為SR 5000N輻射計(jì)光譜響應(yīng)函數(shù)；L(λ，TBB)為波長(zhǎng)λ、溫度TBB時(shí)黑體光譜輻射亮度；L(λ，TAmb)為波長(zhǎng)λ、溫度TAmb時(shí)測(cè)試環(huán)境的光譜輻射亮度。

當(dāng)選取不同的黑體輻射源溫度T1、T2時(shí)，式(1)可寫(xiě)為

S1(λ)=K(λ)[L(λ，T1)+L(λ，TAmb1)]

(2)

S2(λ)=K(λ)[L(λ，T2)+L(λ，TAmb2)]

(3)

當(dāng)T1與T2溫度接近時(shí)，可以認(rèn)為L(zhǎng)(λ，TAmb1)≈L(λ，TAmb2)，這樣由式(2)及式(3)可以得到：

(4)

在T1、T2、λ已知情況下，L(λ，T)根據(jù)普朗克定理可求出：

(5)

式中：c1項(xiàng)為第一輻射常數(shù)，c1=3.741 8×10-16W·m2；c2項(xiàng)為第二輻射常數(shù)，c2=1.438 8×10-2m·K；λ為波長(zhǎng)。

將L(λ，T1)，L(λ，T2)求出后代入式(4)中即可求出K(λ)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用溯源至國(guó)家紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)的黑體輻射源進(jìn)行標(biāo)定工作。黑體發(fā)射率大于0.995，30 min溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1 ℃，黑體的紅外亮度溫度分別通過(guò)中心波長(zhǎng)3.9 μm和8～14 μm的傳遞標(biāo)準(zhǔn)級(jí)紅外輻射溫度計(jì)向上溯源至國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。SR 5000N型輻射計(jì)與黑體輻射源距離h=4 m，采用窄視場(chǎng)組件(NFOW)，輻射計(jì)視場(chǎng)角設(shè)為3×10-3rad，黑體輻射源充滿(mǎn)視場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖

4 結(jié)果與討論

4.1 黑體光譜測(cè)量

黑體輻射源溫度設(shè)為T(mén)/K=323，373，423，473，523，573，623，673，723，773，823；輻射計(jì)測(cè)量1.2～14.3 μm內(nèi)的光譜曲線(xiàn)，采集20次求平均值得到每一溫度點(diǎn)的SBB(λ)，如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，μm；縱坐標(biāo)為測(cè)試信號(hào)，是無(wú)量綱值。從圖3中可以初步觀(guān)察出：1)波長(zhǎng)4.35 μm附近有明顯的CO2吸收峰；2)信號(hào)值從波長(zhǎng)5.5～14 μm區(qū)間明顯降低，波長(zhǎng)5.6 μm附近觀(guān)察到‘陡坡’，這是因?yàn)镾R 5000N在波長(zhǎng)1～15 μm范圍內(nèi)測(cè)試使用InSb和MCT兩組探測(cè)器，InSb探測(cè)器在波長(zhǎng)1～5.6 μm范圍響應(yīng)，MCT探測(cè)器在波長(zhǎng)5.6～15 μm范圍響應(yīng)。從圖3中可以明顯看出兩組探測(cè)器的光譜響應(yīng)增益相差較大，為便于觀(guān)察，圖4給出通過(guò)不同探測(cè)器測(cè)量的在不同波長(zhǎng)下的紅外光譜曲線(xiàn)。

圖3 不同溫度的黑體光譜曲線(xiàn)S(λ)

圖4 不同探測(cè)器測(cè)量的黑體光譜曲線(xiàn)S(λ)

4.2 輻射計(jì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定

根據(jù)第2.2節(jié)線(xiàn)性標(biāo)定模型，設(shè)定黑體溫度分別為T(mén)1=723 K，T2=823 K，通過(guò)S1(λ，T1)，S2(λ，T2)求得溫度為773 K時(shí)的SR 5000N的光譜響應(yīng)度K(λ)。依次類(lèi)推即可得出黑體溫度為373 K，473 K，573 K，673 K時(shí)的光譜響應(yīng)度K(λ)。圖5給出了773 K時(shí)光譜響應(yīng)度K(λ),可以看出:SR 5000N中InSb探測(cè)器的光譜響應(yīng)度明顯優(yōu)于MCT探測(cè)器。在InSb探測(cè)器響應(yīng)的3～5.5 μm范圍K(λ)呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，說(shuō)明在此區(qū)間，InSb探測(cè)器的長(zhǎng)波段響應(yīng)度優(yōu)于短波段，在4.3 μm有明顯的CO2吸收峰，與光譜曲線(xiàn)觀(guān)察情況一致。MCT探測(cè)器響應(yīng)的8～14 μm范圍K(λ)呈現(xiàn)逐步先增加后減小的趨勢(shì)，在波長(zhǎng)11.7 μm附近響應(yīng)度最大。

圖5 SR 5000N系統(tǒng)773 K時(shí)光譜響應(yīng)度K(λ)

4.3 黑體光譜輻射亮度計(jì)算值與理論值對(duì)比

以黑體溫度T=773 K為例。依據(jù)第2.2節(jié)中求得的K(λ)，代入式(6)中，即可求出當(dāng)TAmb=723 K的L(λ，TAmb)。

S(λ，T)=K(λ，T)[L(λ，T)+L(λ，TAmb)]

(6)

黑體溫度接近時(shí)，如TAmb=723 K時(shí)L1(λ，TAmb)和TAmb=773 K時(shí)L2(λ，TAmb)近似相等：

L1(λ，TAmb)≈L2(λ，TAmb)

(7)

將T=723 K時(shí)S(λ，T)，L(λ，TAmb)，K(λ，T)代入式(6)中可以得到黑體光譜輻射亮度計(jì)計(jì)算值Lcal(λ，TBB)；根據(jù)黑體普朗克定律求得理論值L(λ，TBB)。如圖5所示。

L(λ)整體分布隨著黑體溫度T變化而變化，曲線(xiàn)峰值隨著黑體溫度T增加向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

圖6為光譜亮度理論值L(λ，T)與計(jì)量Lcal(λ，T)對(duì)比圖,可以看出：SR 5000N在3～14 μm寬頻譜上，Lcal(λ，TBB)和L(λ，TBB)具有較好一致性。

圖6 光譜亮度理論值L(λ，T)與計(jì)算值Lcal(λ，T)對(duì)比

圖7為黑體溫度分別設(shè)置為373 K、473 K、573 K、673 K、773 K相對(duì)平均偏差，可以看出：3.0～3.2 μm，4.3 μm附近，5.5～7 μm相對(duì)平均偏差較大，其原因有兩點(diǎn)：1)InSb探測(cè)器在3.0～3.2 μm光譜響應(yīng)效果較差；2)實(shí)驗(yàn)時(shí)由于輻射計(jì)與高溫黑體有一定距離，在4.3 μm附近，5.5～7 μm大氣中CO2，H2O存在影響，導(dǎo)致黑體的計(jì)算值與理論值相差較大。

圖7 相對(duì)平均偏差

圖8為在8～14 μm頻譜內(nèi)SR 5000N相對(duì)平均偏差，可以看出，在該范圍內(nèi)相對(duì)平均偏差優(yōu)于1%。

圖8 8～14 μm相對(duì)平均偏差

5 結(jié) 論

本文建立了紅外輻射計(jì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定模型，運(yùn)用溯源至國(guó)家紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)的高溫黑體輻射源對(duì)SR 5000N系統(tǒng)進(jìn)行光譜響應(yīng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在所選取的溫度區(qū)間，校準(zhǔn)的SR 5000N測(cè)量黑體的光譜和相應(yīng)溫度的理論光譜具有較好的一致性，黑體光譜輻射亮度在8～14 μm頻譜內(nèi)相對(duì)平均誤差優(yōu)于1%。