楊延龍， 郝小鵬， 宋 健， 劉 洋， 扈又華，謝臣瑜， 劉 延， 謝琳琳

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都610059；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029)

1 引 言

紅外遙感載荷的輻射定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遙感定量化的基礎(chǔ)。通常紅外遙感載荷的定標(biāo)從4個(gè)方面展開：發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、星上定標(biāo)、在軌交叉定標(biāo)和地面輻射場定標(biāo)。對(duì)沒有搭載任何機(jī)載校準(zhǔn)裝置的紅外遙感載荷，只能通過發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和地面的輻射場定標(biāo)評(píng)估其在軌輻射精度[1]；搭載機(jī)載校準(zhǔn)裝置的紅外遙感載荷雖然可以實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，但發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)依然不可或缺[2]。實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的準(zhǔn)確度將影響紅外遙感載荷在軌測量精度，而黑體輻射源作為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能決定實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的精度。

為滿足紅外遙感載荷的定標(biāo)需求，國外計(jì)量院在紅外遙感亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了一些研究。德國物理技術(shù)研究院(PTB)為真空低背景紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置(RBCF)建立了溫度范圍在100～703 K，波長范圍在1～1 000 μm的紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)，其變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體空腔開口直徑為20 mm，發(fā)射率優(yōu)于0.999 6，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 K[3，4]；美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)為中溫背景紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置(MBIR)和低溫背景亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置(LBIR)建立了溫度范圍在 180～350 K， 波長范圍在1～14 μm的紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)，其使用的變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體口徑為104 mm，黑體空腔發(fā)射率優(yōu)于0.999，穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 K[5～7]；俄羅斯全俄光學(xué)計(jì)量院(VNIIOFI)為中溫背景的亮度溫度溯源系統(tǒng)建立了溫度范圍在213～353 K，波長范圍在2.5～14 μm的紅外亮度溫度標(biāo)準(zhǔn)，其中變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體口徑為30 mm，發(fā)射率0.999 9，1 h內(nèi)的穩(wěn)定性為0.002 K[8，9]。

中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)為紅外遙感載荷的定標(biāo)研制了真空低背景紅外遙感亮度溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置(VRTSF)[10]，其使用的變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度范圍在190～340 K，黑體開口直徑為30 mm，發(fā)射率優(yōu)于0.999 9，使用過程中通過外部酒精循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)黑體溫度控制，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.016 K[11～13]。為擴(kuò)展黑體輻射源溫度范圍，研制了溫度范圍在125～500 K的變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體，黑體內(nèi)徑為40 mm，口部裝有30 mm光闌，發(fā)射率優(yōu)于0.999，通過液氮制冷與3溫區(qū)PID加熱的方式實(shí)現(xiàn)黑體溫度控制，25 min內(nèi)的穩(wěn)定性優(yōu)于0.02 K，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.026 K。2種標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的研制成功實(shí)現(xiàn)了125～500 K溫度范圍內(nèi)紅外遙感亮度溫度的校準(zhǔn)；然而，受黑體口徑控溫方式的限制，在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境中使用受限。因此本文設(shè)計(jì)了一種溫度范圍覆蓋320～500 K，口徑更大，控溫方式更方便，應(yīng)用更廣泛的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)黑體輻射源。

本文主要介紹了該中溫區(qū)真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)測量不確定度進(jìn)行了分析。

2 設(shè)計(jì)方案和工作原理

設(shè)計(jì)的黑體輻射源的工作溫度范圍為320～500 K，不包括較低溫度范圍，因此在結(jié)構(gòu)上不同于同類型的黑體輻射源，其最大區(qū)別在于重新設(shè)計(jì)了黑體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用一種新的熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)黑體腔溫度控制，取代了以往設(shè)計(jì)的同類型黑體利用外部循環(huán)液進(jìn)行溫度控制的方法。使用更加方便，黑體到達(dá)設(shè)定溫度的時(shí)間更短。

黑體輻射源的結(jié)構(gòu)組成有：保溫層1包裹在不銹鋼外殼2上起到隔熱保溫的作用。黑體腔3位于不銹鋼外殼2與法蘭組件13密封形成的真空室內(nèi)。黑體腔為圓柱-圓錐型，空腔深度為260 mm，內(nèi)徑50 mm，錐度角60°，由導(dǎo)熱性良好的紫銅加工而成，內(nèi)壁表面噴涂了高發(fā)射率的耐高溫涂層。研究表明在8～14 μm波長范圍內(nèi)，該涂層的法向發(fā)射率優(yōu)于0.9。黑體腔采用兩段式控溫，口部加熱絲4與底部加熱絲10分別纏繞在黑體腔口部和底部，考慮到加熱絲與黑體腔不是緊密貼合，在加熱絲纏繞好后用高溫導(dǎo)熱膠填充黑體腔與加熱絲間隙。高溫導(dǎo)熱膠一方面增加了加熱絲與黑體腔接觸面積，減小了熱阻有利于導(dǎo)熱；另一方面有利于固定加熱絲位置。不銹鋼外殼與黑體腔之間放置了一層散熱銅管9，黑體腔與銅管之間采用銅辮連接，銅管內(nèi)空氣自然流動(dòng)可以為黑體腔降溫。黑體腔口部與底部分別設(shè)計(jì)了2個(gè)溫度計(jì)阱，1個(gè)用于控溫1個(gè)用于測溫。黑體腔口部安裝內(nèi)徑50 mm的光闌6，用于抑制雜光。2個(gè)電氣接頭與銅管出入的2個(gè)管口固定于真空外殼底部法蘭蓋組件上。

黑體輻射源結(jié)構(gòu)二維圖見圖1所示，黑體輻射源三維圖見圖2所示。黑體輻射源開口直徑為50 mm，空腔發(fā)射率優(yōu)于0.999，其它設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1所示。

圖1 黑體輻射源二維圖Fig.1 Two-dimensional diagram of black body radiation source1—保溫層；2—不銹鋼外殼；3—黑體腔；4—口部加熱絲；5—口部測溫溫度計(jì)陷阱；6—口部光闌；7—口部控溫溫度計(jì)陷阱；8—支撐螺釘；9—散熱銅管；10—底部加熱絲；11—底部控溫溫度計(jì)陷阱；12—底部測溫溫度計(jì)陷阱；13—法蘭組件

圖2 黑體輻射源結(jié)構(gòu)三維圖Fig.2 The structure display diagram of the black body radiation source

表1 中溫區(qū)真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design index of vacuum standard blackbody radiation source in middle temperature zone

3 仿真計(jì)算

3.1 黑體腔發(fā)射率仿真

通過對(duì)黑體腔進(jìn)行發(fā)射率仿真可以分析黑體腔結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射率的影響。利用發(fā)射率仿真軟件(STEEP3)[14]來模擬黑體空腔發(fā)射率。STEEP3是一款基于蒙特卡羅方法來模擬黑體空腔結(jié)構(gòu),從而計(jì)算在一定光譜波長范圍內(nèi)各個(gè)方向有效發(fā)射率的軟件。該軟件對(duì)多邊形沿中心軸旋轉(zhuǎn)而成的軸對(duì)稱空腔模擬具有很好的模擬效果，可以模擬理想狀態(tài)下黑體腔的有效發(fā)射率。根據(jù)所設(shè)計(jì)的黑體腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用STEEP3軟件計(jì)算黑體空腔在8～14 μm波長范圍內(nèi)的發(fā)射率。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3結(jié)果顯示對(duì)于該型黑體，黑體腔口徑50 mm，腔深260 mm，錐底角度60°，內(nèi)壁涂有耐高溫涂層時(shí)其模擬發(fā)射率達(dá)到了0.999以上。

圖3 黑體空腔法向有效發(fā)射率仿真計(jì)算結(jié)果Fig.3 The simulation results of the normal effective emissivity of the blackbody cavity

3.2 黑體腔熱仿真

通過有限元分析方法對(duì)黑體腔進(jìn)行熱仿真可以更直觀地了解黑體腔溫度分布，為黑體腔溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供幫助。

模擬過程中已經(jīng)將溫度計(jì)孔等一些微小特征簡化，黑體腔處于真空環(huán)境中無對(duì)流換熱。黑體腔與散熱管同為紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為400 W/(m·K)，銅材質(zhì)表面發(fā)射率設(shè)置為0.6，不銹鋼外殼導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為16 W/(m·K)，發(fā)射率設(shè)置為0.2，黑體腔初始溫度設(shè)置為293.15 K。黑體腔采用兩段式控溫，軟件中在黑體口部與底部分別添加了溫度隨時(shí)間變化的表面熱源來模擬兩段加熱，黑體腔與散熱管之間用銅辮連接用于黑體腔散熱，軟件中用表面熱通量來模擬散熱管的散熱效果。模擬過程中黑體內(nèi)壁發(fā)射率設(shè)為0.95來表示黑體腔內(nèi)壁噴涂了耐高溫的高發(fā)射率涂層。黑體腔通過中等大小的自由四面體劃分網(wǎng)格，在存在凹槽的地方使用較細(xì)化的自由四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真計(jì)算了黑體在335,400,450,500 K時(shí)黑體腔軸向溫度分布，熱仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 黑體腔熱仿真結(jié)果Fig.4 The thermal simulation results of the black body cavity

仿真結(jié)果顯示:黑體在335 K時(shí)軸向溫差最小為0.08 K，黑體在500 K時(shí)軸向溫差最大為0.25 K;隨著黑體溫度升高軸向溫差逐漸增大，溫度越低軸向溫差越小。黑體在320～500 K溫度范圍內(nèi)軸向溫差最大為0.25 K。

4 性能測試

測試過程中在室溫大氣環(huán)境下測量了黑體空腔發(fā)射率。在真空度10-3～10-4Pa，環(huán)境溫度21～23 ℃條件下測試了黑體輻射源在335～500 K溫度范圍內(nèi)的軸向均勻性和控溫穩(wěn)定性。最后，通過真空低背景紅外亮度溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置(VRTSF)測試了黑體的亮度溫度。

4.1 發(fā)射率測量

室溫大氣環(huán)境下用2種方法對(duì)黑體的空腔發(fā)射率進(jìn)行了測量。第一種方法是利用中國計(jì)量科學(xué)院研制的一套基于控制環(huán)境溫度變化的發(fā)射率測量裝置進(jìn)行測量[15，16]，該裝置通過控制2塊不同溫度的輻射板交替運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境輻射的控制。在室溫大氣環(huán)境下利用輻射溫度計(jì)(TRT)測量波長在8～14 μm 內(nèi)的發(fā)射率。

測量原理是利用黑體輻射源的光譜輻射亮度L(T)由普朗克黑體輻射定律計(jì)算得到：

(1)

式中：c1=3.741 8×10-16W·m2；c2=1.438 8×10-2m·K；T為黑體的溫度；λ為空氣中的波長；n為空氣折射率。

當(dāng)環(huán)境溫度與黑體溫度接近時(shí)，探測到黑體表面總輻射亮度包括黑體的輻射亮度和環(huán)境的輻射亮度；當(dāng)黑體前加入1個(gè)熱板時(shí)環(huán)境溫度隨之改變，總輻射亮度包括黑體的輻射亮度和熱板加入時(shí)環(huán)境的輻射亮度。通過普朗克輻射定律可計(jì)算不同環(huán)境溫度下黑體的輻射亮度，從而計(jì)算黑體發(fā)射率。基于控制環(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量裝置示意圖如圖5所示。

圖5 基于控制環(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of blackbody emissivity measurement device based on controlling environmental radiation

第二種方法是通過能量比較法測量黑體腔的光譜發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)過程中使用一標(biāo)準(zhǔn)黑體作為參考，其口徑與待測黑體一致且發(fā)射率已知；將標(biāo)準(zhǔn)黑體與待測黑體設(shè)定至一指定溫度，等待其溫度穩(wěn)定后利用傅里葉光譜儀測量8～14 μm內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)黑體的光譜信號(hào)I1，待測黑體的光譜信號(hào)I2；同時(shí)利用測溫儀采集標(biāo)準(zhǔn)黑體與待測黑體內(nèi)部溫度值，通過計(jì)算得到待測黑體的發(fā)射率。發(fā)射率ελ可表示為：

(2)

式中：Lλ(T)為黑體在溫度T時(shí)的輻射亮度；Iλ，bg為常溫狀態(tài)下環(huán)境輻射亮度；Iλ為熱板加入時(shí)的環(huán)境輻射亮度。通過能量比較法測量黑體發(fā)射率示意圖如圖6所示。

圖6 對(duì)比法測量黑體發(fā)射率示意圖Fig.6 Schematic diagram of measuring blackbody emissivity by contrast method

2種不同方法測量結(jié)果如圖7所示。其中TRT測試結(jié)果取10次測量的平均值作為最終值，圖中用直線表示。2種方法測量黑體空腔發(fā)射率結(jié)果表明：黑體空腔法向有效發(fā)射率大于0.999，與仿真結(jié)果具有良好一致。

圖7 發(fā)射率測量結(jié)果Fig.7 Emissivity measurement results

4.2 均勻性測量

通過溫控器將黑體溫度設(shè)定至目標(biāo)溫度，待黑體溫度穩(wěn)定后，通過測溫儀采集黑體口部與底部測溫傳感器的數(shù)據(jù)，連續(xù)采集30 min以上，將兩只溫度傳感器測量數(shù)據(jù)平均值的最大差值作為黑體軸向溫度均勻性測試結(jié)果，見表2所示。

表2 均勻性測量結(jié)果Tab.2 Uniformity measurement results K

由測試結(jié)果可以看出，黑體輻射源在335 K時(shí)，黑體空腔的軸向溫差為0.056 K，溫度在400 K時(shí)黑體腔軸向溫差為0.082 K，500 K時(shí)黑體輻射源空腔的軸向溫差為0.157 K。測量結(jié)果表明：黑體溫度越高軸向溫差越大，溫度越低軸向溫差越小，與仿真結(jié)果一致；黑體在320～500 K范圍內(nèi)，黑體腔沿軸向的溫差優(yōu)于0.2 K。

4.3 穩(wěn)定性測量

通過溫控器將黑體控制在目標(biāo)溫度點(diǎn)，待黑體溫度穩(wěn)定后，利用測溫儀采集安裝在黑體腔底部測溫溫度傳感器測量值。連續(xù)采集40 min，將40 min內(nèi)測量值的標(biāo)準(zhǔn)差作為黑體輻射源在該溫度下的穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)。黑體在各溫度點(diǎn)的穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 穩(wěn)定性測量結(jié)果Fig.8 Stability measurement results

由結(jié)果可以看出：黑體在各溫度點(diǎn)下，40 min內(nèi)的溫度變化不超過0.03 K；黑體在320～500 K溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定性優(yōu)于0.03 K。

4.4 黑體輻射源亮度溫度測量

黑體輻射源的亮度溫度測量是在中國計(jì)量科學(xué)研究院的VRTSF系統(tǒng)中完成的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括作為量值標(biāo)準(zhǔn)的125～500 K標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源、液氮黑體輻射源、真空模擬艙、光路切換艙、1595A高分辨測溫電橋和傅里葉變換光譜儀等。實(shí)驗(yàn)過程中將標(biāo)準(zhǔn)黑體與待測黑體安裝在光路切換艙上，通過溫控器將標(biāo)準(zhǔn)黑體與待測黑體控制在同一溫度下，同時(shí)利用測溫儀記錄兩種黑體內(nèi)部溫度；利用光路切換艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平面鏡切換測量光路，通過傅里葉變換光譜儀來測量標(biāo)準(zhǔn)黑體與待測黑體在同一目標(biāo)溫度下的信號(hào)值；最后，根據(jù)待測黑體與標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射信號(hào)及接觸溫度計(jì)算待測黑體的輻射亮度溫度。測量系統(tǒng)圖如圖9所示。

圖9 亮度溫度測量系統(tǒng)圖Fig.9 Schematic diagram of brightness temperature measurement system

黑體控溫335，380，400，450 K時(shí)接觸溫度用黑體腔底部溫度計(jì)讀數(shù)表示，結(jié)果如表3所示。

黑體在335，380，400，450 K時(shí)分別用MCT和InSb 2種探測器進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖10所示。測量結(jié)果顯示黑體溫度越高亮度溫度偏離接觸溫度越明顯。

表3 黑體接觸溫度Tab.3 Blackbody contact temperature K

圖10 黑體輻射源亮度溫度測量結(jié)果Fig.10 Measurement results of blackbody radiation sourcebrightness temperature

5 不確定度分析

黑體輻射源不確定度來源主要有：黑體自身溫度引入的不確定度u1、空腔發(fā)射率引入的不確定度u2、外界溫度引入的不確定度u3。

黑體輻射源自身溫度引入的不確定度包括測試傳感器校準(zhǔn)引入的不確定度u11：溫度傳感器在273.15～523.15 K溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u11可查閱傳感器校準(zhǔn)證書，已列入表3中；測試傳感器穩(wěn)定性引入的不確定度u12：鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性引入的不確定度為0.005 K；測溫儀表引入的不確定度u13：經(jīng)查詢?cè)摐y溫儀測量不確定度為0.005 K；溫控穩(wěn)定性引入的不確定度u14：當(dāng)黑體溫度穩(wěn)定后，使用測溫儀采集底部溫度傳感器數(shù)值，連續(xù)采集40 mins，穩(wěn)定性由采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差表示。穩(wěn)定性結(jié)果如圖8所示；底部溫度均勻性引入的不確定度u15；該指標(biāo)無直接測量結(jié)果，由于黑體腔采用紫銅加工完成，其導(dǎo)熱性能優(yōu)異，當(dāng)黑體處于真空狀態(tài)下無對(duì)流換熱，腔底溫度均勻，引入的不確定度優(yōu)于0.010 K。黑體輻射源自身溫度引入的不確定度u1由式(3)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

(3)

表4 不同溫度點(diǎn)黑體輻射源的各不確定度分量及合成不確定度Tab.4 Uncertainty components and combined uncertainty of blackbody radiation sources at different temperature points K

有效發(fā)射率引入的不確定度為u2：根據(jù)黑體空腔有效發(fā)射率仿真與計(jì)算結(jié)果，黑體空腔有效發(fā)射率優(yōu)于0.999，將黑體空腔有效發(fā)射率引入的溫度修正量的絕對(duì)值除以包含因子(k=1.73)作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度[17]，因此黑體空腔有效發(fā)射率引入的不確定度u2=0.005 K。

環(huán)境溫度引入的不確定度u3：環(huán)境溫度對(duì)亮度溫度的影響在0.001 K以內(nèi)，按照均勻分布計(jì)算，環(huán)境引入的不確定度u3=0.001。

通過對(duì)真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的各不確定度分量分析，進(jìn)一步計(jì)算了該黑體輻射源的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由公式(4)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

(4)

表5 不同溫度點(diǎn)不確定度分量及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.5 Uncertainty components at different temperature points and combined standard uncertainty K

6 結(jié) 論

中國計(jì)量科學(xué)研究院研制了中溫區(qū)真空標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源,黑體輻射源工作溫度范圍320～500 K。在室溫大氣環(huán)境下測試了標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的發(fā)射率，在335～500 K溫度范圍內(nèi)測試了黑體輻射源軸向溫度均勻性、溫度穩(wěn)定性和亮度溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源發(fā)射率優(yōu)于0.999，在335，400，500 K時(shí)溫度均勻性分別為0.05，0.08，0.15 K，40 min內(nèi)的溫度穩(wěn)定性分別為0.005，0.020，0.030 K。利用真空低背景紅外亮度溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置(VRTSF)測量了亮度溫度，并對(duì)不確定度進(jìn)行了分析，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.04 K。該黑體性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠?yàn)榧t外遙感載荷提供亮度溫度校準(zhǔn)。通過對(duì)黑體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，探索出了一種新型的真空標(biāo)準(zhǔn)黑體設(shè)計(jì)方法。