孫彥東, 郝小鵬, 謝臣瑜, 周晶晶,曾 兵, 宋 健, 凌 玲

(1.成都理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國計量科學(xué)研究院 熱工計量科學(xué)研究所遙感實驗室，北京 100029)

1 引 言

熱紅外遙感器外場定標是熱紅外遙感技術(shù)從定性到定量化研究的關(guān)鍵技術(shù)和基本前提,提高熱紅外遙感器定標精度對于定量化發(fā)展具有重要的意義[1]。國外熱紅外傳感器定標技術(shù)以星上定標和外場輻射定標相結(jié)合的方法,國內(nèi)較多選用外場輻射定標的方法進行人工測量[2～4]。輻射定標場一般是具有單一地面特征的偏遠地區(qū),如戈壁(敦煌定標場)、草地(內(nèi)蒙古定標場)和高原湖泊(青海湖定標場)等,一次完整的野外定標需要充分考慮人員配置、儀器運輸、天氣氣象、地衛(wèi)同步等諸多因素,不僅費時費力,且頻次較低,數(shù)據(jù)遲步[5～7]。因此,研制具有自動化觀測能力的外場定標設(shè)備,實現(xiàn)場地目標輻射量值自動化觀測,對于實現(xiàn)場地自動化定標具有重要意義[8,9]。

目前,國內(nèi)外一些科研單位在熱紅外輻射計研制方面做了大量的工作,美國邁阿密大學(xué)Osboorne B J等研制的海洋大氣輻射干涉儀(marine-atmospheric emitted radiance interferometer,M-AERI),通過算法分離得到發(fā)射率,獲得場地光譜輻亮度數(shù)據(jù),可以更好地表征地物輻射特性,但是重量重,尺寸大,功耗大,不利于野外運輸,且不具備數(shù)據(jù)遠距離自動傳輸?shù)墓δ躘10];英國南安普頓大學(xué)Donlon C等研制的海面溫度自動觀測紅外輻射計(infrared sea surface temperature autonomous radiometer,ISAR),通過現(xiàn)場測量發(fā)射率,以特定角度依次測量目標和天空,具有自動保護裝置和自校準功能,但不具備遠距離數(shù)據(jù)傳輸功能[11];國內(nèi)西安光學(xué)精密機械研究所易波等研制的四譜段紅外輻射計系統(tǒng),具有中、熱紅外探測能力,測溫精度為±0.5 K[12,13];中國計量科學(xué)研究院郝小鵬等研制的自校準地水表面紅外輻射測溫儀(self-calibrated infrared radiation thermometer,SCIRT)可自動現(xiàn)場測量,通過自配的定標黑體實現(xiàn)量值的自校準功能,但不具備校正天空背景輻射和數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)哪芰14]。CE312熱紅外輻射計作為成熟的主流商業(yè)儀器,具有多通道、體積小、高集成化特點,但長期被國外高價壟斷,且存在定標系數(shù)偏移、目標測量單一、保存數(shù)據(jù)量少,無遠程數(shù)據(jù)傳輸功能等缺點。隨著紅外遙感定量化水平的提升以及國產(chǎn)化核心儀器的應(yīng)用需求,急需研制具有高精度、多通道、自校準以及多目標測量的熱紅外輻射計。

中國計量科學(xué)研究院在SCIRT研究工作的基礎(chǔ)上,研制了多通道自校準熱紅外輻射計(multi-channel self-calibration infrared radiation thermometer,MSIRT)。MSIRT主要用于全天候自動觀測外場地表輻亮度和溫度,具備高測量精度、全天候、測量發(fā)射率功能和遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力。本文重點介紹MSIRT儀器的工作原理,性能評價,及與CE312的實驗室和外場比對驗證,并對MSIRT實驗室定標的不確定度進行評估。

2 MSIRT儀器與定標方法介紹

2.1 MSIRT儀器設(shè)計與工作原理

MSIRT主要由輻射計主體、高/低溫黑體、光路轉(zhuǎn)換艙及操作軟件組成。輻射計光路轉(zhuǎn)換艙內(nèi)置電機帶動鍍金反射鏡360°旋轉(zhuǎn),可依次對高/低溫黑體,地面目標,天頂進行測量。紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)和濾光片,匯聚到探測器的有效光敏表面,使高/低溫黑體輻射與外部輻射通過同一光路,這有利于消除背景輻射的影響,保證輻射校準的準確性。光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。高/低溫黑體與光路轉(zhuǎn)換艙連接,可實現(xiàn)輻射計的實時校準,消除內(nèi)部電子元器件受溫度漂移對校準系數(shù)引起的變化和輻射計因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致自發(fā)輻射變化的影響。黑體的光譜發(fā)射率均在0.999以上,黑體空腔錐底均安裝高精度鉑電阻溫度計,控溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 K,測溫精度優(yōu)于0.03 K。通過高/低溫黑體對輻射進行實時校準,可有效保證其測量精度。電機驅(qū)動鍍金鏡旋轉(zhuǎn),得到大氣上行輻射與大氣下行輻射,實現(xiàn)發(fā)射率的測量。

圖1 MSIRT光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 MSIRT optical system

MSIRT主體包括多通道紅外輻射采集的光學(xué)系統(tǒng)、控制與采集電路和機械結(jié)構(gòu)。探測器的光敏面直徑6 mm,其后安裝熱電堆探測器信號放大電路,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。鍍金反射鏡輪與濾光片輪分別由步進電機驅(qū)動控制。鍍金鏡輪可實現(xiàn)儀器有/無鍍金鏡兩種狀態(tài)下的測量,當(dāng)儀器的視場被鍍金鏡遮擋時,儀器的輸出值可近似為儀器的內(nèi)部輻射。濾光片輪安裝4個不同波段的濾光片,分別是通道1光譜波段8.2～9.4 μm,通道2光譜波段10.1～11.1 μm,通道3光譜波段11.8～12.8 μm,通道4光譜波段8.0～13.2 μm,可拓展至6個通道。整個光學(xué)系統(tǒng)視場角為10°,測量溫度范圍為-40～60 ℃[15～17]。

2.2 定標方法

2.2.1 實驗室定標

紅外輻射計定標的最終目的是確定其定標系數(shù),即輻射計DN值(Digital Number )與輻亮度之的定量關(guān)系。MSIRT實驗室定標原理主要有帶寬輻亮度法和分譜輻亮度法。帶寬輻亮度法對儀器進行標定時,通過普朗克經(jīng)驗公式和輻射計觀測原理得到轉(zhuǎn)換系數(shù)和定標系數(shù)。分譜輻亮度法以普朗克公式和輻射計觀測原理為基礎(chǔ)進行線性擬合得到定標系數(shù)。為提高目標輻亮度和輻亮溫精度,根據(jù)定標方法選用帶寬輻亮度定標方法[18]。

實驗室定標流程如圖2所示。輻亮度Lx(T)與溫度T之間通過經(jīng)驗公式進行精確轉(zhuǎn)換,通道x的轉(zhuǎn)換系數(shù)ax、bx、nx和dx通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到。實際測量時,通過內(nèi)部鍍金反射鏡消除儀器內(nèi)部自身和噪聲的影響。實驗室定標核心公式通過輻射計觀測原理得到熱電堆探測器的輸出信號值與輻亮度之間的關(guān)系。式中Lx(T)為目標光譜輻射亮度,Lx(Tdet)為鍍金反射鏡的光譜輻射亮度,USx為觀測目標時內(nèi)部熱電堆探測器的輸出電壓值,USxm為觀測鍍金反射鏡時探測器輸出的電壓值,通道x的定標系數(shù)通過線性擬合得到Ax和Bx。

圖2 實驗室自測量定標流程圖Fig.2 Flow chart of laboratory self-measurement calibration

2.2.2 基于高精度黑體的外場校準定標

為獲得定標系數(shù)Ax和Bx,對MSIRT設(shè)計了2個定標黑體,分別為高溫黑體和環(huán)境溫度黑體(簡稱環(huán)溫黑體),通過采用兩點法實時校準可保證MSIRT各通道的測量精度長期有效。

根據(jù)MSIRT的測量原理,當(dāng)觀測兩定標黑體時,儀器輸出的信號值與黑體輻亮度之間的關(guān)系用式(1)表示:

(1)

通過求解方程便可得到各通道的待定標系數(shù)A和B的結(jié)果:

(2)

采用2個黑體對儀器進行實時定標,即使系統(tǒng)工作環(huán)境及溫度發(fā)生變化,也能夠保證在外場長期測量的高精度要求。

2.2.3 黑體量值溯源

為獲取黑體的實時溫度信號值,黑體空腔錐底具有測溫傳感器的安裝孔。測溫單元采用精密鉑電阻溫度計PT-100。黑體溫度量值的溯源至標準恒溫槽黑體輻射源(型號:H50-D65,口徑:65 mm,溫度范圍:-60～80 ℃,發(fā)射率:0.999 2),恒溫槽黑體輻射源的溫度經(jīng)工作基準鉑電阻溫度計溯源至國家溫度基準。利用標準傳遞輻射計TRT得到恒溫液浴黑體槽的輻射溫度值,利用標準鉑電阻溫度計的測量值對TRT的示值進行修正,修正后的TRT再對黑體進行校準。黑體溫度溯源鏈路如圖3所示。

圖3 內(nèi)置黑體溫度量值溯源鏈路Fig.3 Blackbody temperature traceability link built in

高/環(huán)溫黑體和恒溫浴槽黑體均設(shè)置相同溫度,利用TRT作為傳遞儀器進行實時校準。測量高溫黑體時, 在30～50 ℃ 區(qū)間內(nèi)每隔5 ℃ 進行1次測量,環(huán)溫黑體以實驗室環(huán)境變化為基準選取5個溫度點,在設(shè)置溫度穩(wěn)定后使用標準傳遞輻射計TRT同時測量,得到高溫黑體實際溫度值比黑體設(shè)置值高0.5 ℃,環(huán)溫黑體實際溫度值比設(shè)置值低0.3 ℃,將測量得到的高/環(huán)溫黑體的偏差平均值溯源修正上位機程序中,保證自校準測量精度。具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 內(nèi)置黑體溫度溯源結(jié)果Tab.1 The results of blackbody temperature traceability built in ℃

3 定標實驗與不確定性分析

3.1 MSIRT實驗室定標

為得到MSIRT的定標系數(shù),輻射定標標準輻射源選擇H50-D65作為定標源。根據(jù)MSIRT4個通道的光譜響應(yīng)度,利用普朗克公式計算每個通道的光譜輻亮度Lx(T)與溫度T之間的關(guān)系,得到ax、bx、nx和dx這4個轉(zhuǎn)換系數(shù)。結(jié)果見表2所示。

表2 通道輻亮度與溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.2 The coefficient of conversion between channel radiance and temperature

定標實驗時,實驗室室溫保持在(22±0.5) ℃,將MSIRT觀測窗口緊貼標準黑體輻射源,使MSIRT視場完全覆蓋黑體輻射源腔體,避免臨邊效應(yīng)造成的影響,減少測量過程中的不確定性。

在-40～60 ℃測溫范圍內(nèi),針對有/無鍍金反射鏡每間隔10 ℃對紅外熱電堆探測器的輸出電壓值USx和USxm以及探測器內(nèi)部的溫度值Tdet進行1次采集。根據(jù)輻射計觀測原理MSIRT 4個通道的實驗室定標結(jié)果如圖4所示,其中橫坐標為USx和USxm之間的電壓差,縱坐標為光譜輻亮度差值。

圖4 MSIRT定標擬合結(jié)果Fig.4 Results of MSIRT calibration fitting

對11個溫度點進行線性擬合,得到4個通道下的待定系數(shù)Ax和Bx,將每個通道的定標系數(shù)代入到式(2)中,獲得測量目標的輻亮度和輻亮溫結(jié)果。

3.2 MSIRT重復(fù)性實驗

實驗室定標完成后,為驗證MSIRT定標結(jié)果的準確性,評估儀器長期工作性能,對MSIRT在相同條件進行重復(fù)性實驗。選取-30、0、30、60 ℃四個溫度點,每個溫度點待標準輻射源溫度穩(wěn)定后進行測量,選取20 min的測試數(shù)據(jù),計算每個通道對應(yīng)溫度點的平均值和標準偏差,實驗進行3次,具體數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Repetitive experimental data ℃

由表3可知,在-30 ℃時,通道1與通道3三次測試結(jié)果的平均值在測試點溫度上下變化,最大差值不超過0.16 K,通道2和通道4三次測試結(jié)果的平均值較測試點最大差值優(yōu)于0.1 K,標準偏差范圍為0.08～0.14;0 ℃與30 ℃時,4個通道三次測試結(jié)果的平均值較測試點最大差值為0.1 K,最大標準偏差為0.12;60 ℃時,通道1三次測試結(jié)果的平均值較測試點最大差值為0.15 K,通道2和通道4三次測試結(jié)果的平均值較測試點最大差值為0.16 K,通道3三次測試結(jié)果的平均值較測試點最大差值在0.2 K以內(nèi),最大標準偏差為0.11。整體差值在0.2 K以內(nèi),驗證了MSIRT具有良好的穩(wěn)定性。

3.3 不確定度分析

MSIRT輻射定標各分量不確定度分析結(jié)果見表4所示。采用標準恒溫槽黑體輻射源進行MSIRT實驗室定標時,不確定度來源主要包括兩大部分:黑體輻射源和MSIRT系統(tǒng)內(nèi)部的光路和探測系統(tǒng)。標準黑體輻射源引入的不確定度主要包括:黑體控溫不確定度u1、黑體發(fā)射率不確定度u2和環(huán)境溫度引入的不確定度u3。黑體控溫不確定度包括溫度計溯源u11、控溫穩(wěn)定性u12、溫度均勻性u13和電阻測量u14。MSIRT引入的不確定度包括測量重復(fù)性不確定度u4,光路切換與瞄準不確定度u5和雜散光不確定度u6。

表4 MSIRT輻射定標不確定度分析Tab.4 MSIRT radiation calibration uncertainty analysis

由表4可知,MSIRT輻射定標引入的總不確定度為0.27 K,并經(jīng)過具有相關(guān)資質(zhì)的第三方計量技術(shù)機構(gòu)的檢驗,滿足MSIRT高精度定標標準的需求。

4 與CE312比對實驗

4.1 CE312熱紅外輻射計介紹

CE312熱紅外輻射計是由法國CIMEL公司生產(chǎn)的一種用于探測地物與天頂熱紅外目標的裝置。該裝置由輻射計硬件主體, PC機控制軟件, 數(shù)據(jù)處理軟件組成。CE312濾光片輪裝有4個不同波段范圍的濾光片,通道1光譜波段為8.2～9.2 μm,通道2光譜波段為10.3～11.3 μm,通道3光譜波段為11.5～12.5 μm,通道4光譜波段為8～14 μm。設(shè)備測量室外溫度范圍為-80～50 ℃,野外工作環(huán)境溫度在-20～50 ℃,測量溫度分辨率為0.01 ℃,響應(yīng)時間1 s,視場角為10°[19]。

4.2 CE312實驗室定標

CE312定標和分析方法與MSIRT類似,均采用恒溫槽標準黑體輻射源作為定標源,整個定標擬合結(jié)果如圖5所示。橫坐標為光譜輻亮度差值,縱坐標為濾光片和鏡子的計數(shù)值差值,mW/(cm2·Sr)。根據(jù)輻射計觀測原理與CE312程序設(shè)定,定義每個通道線性擬合的斜率為靈敏度Sx,轉(zhuǎn)換系數(shù)和靈敏度結(jié)果見表5所示。

表5 CE312定標系數(shù)Tab.5 CE312 calibration coefficient

圖5 CE312定標擬合結(jié)果Fig.5 CE312 calibration fitting results

4.3 定標結(jié)果比對

4.3.1 實驗室測試結(jié)果比較

實驗室定標結(jié)束后,為進一步驗證定標結(jié)果的準確性和測量精度,將MSIRT與CE312輻射計進行實驗室測試和戶外測試實驗。

利用H50-D65標準黑體輻射源作為定標源,在溫度范圍10～60 ℃內(nèi),每間隔10 ℃作為一個測溫點,將CE312和MSIRT依次對準標準黑體腔,測量時保持二者位置正確,設(shè)置黑體輻射源溫度值,從10 ℃依次升溫至60 ℃,記錄標準黑體輻射源每個溫度點穩(wěn)定前后的時間區(qū)間,取其平均值作為該溫度點的比較值。

實驗室測試結(jié)果見表6所示,括號內(nèi)為對應(yīng)偏差值。由表6數(shù)據(jù)分析可知,MSIRT在10～20 ℃溫區(qū)內(nèi)測試結(jié)果偏差較大,從紅外探測器原理分析,采用的熱電堆探測器以溫差產(chǎn)生電勢差,當(dāng)探測器溫度與目標溫度接近時電勢差較小;從圖4中的MSIRT定標擬合結(jié)果看出,在10～20 ℃左右溫區(qū)內(nèi)ΔU與ΔL趨近于0,導(dǎo)致信噪比較差;最大偏差值為通道3在10 ℃時測量結(jié)果為0.26 ℃,整體偏差在0.3 ℃以內(nèi);CE312通道的偏差值與溫度有關(guān),測量溫度值越高,偏差越大,最大偏差值為通道4在60 ℃時為0.83 ℃。

表6 MSIRT &CE312實驗室測試結(jié)果Tab.6 The results of MSIRT and CE312 laboratory tests ℃

4.3.2 戶外測試結(jié)果比較

為驗證儀器在野外的工作性能,在中國計量科學(xué)研究院昌平院區(qū)的戶外草地進行了與CE312初步比對測試。以均勻且平坦的地表作為觀測目標,如圖6所示。根據(jù)CE312儀器特征,MSIRT測量目標選擇典型地物草地,進行地表輻亮溫的測量。選取了10:00～17:30時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)作為比對結(jié)果,2臺儀器4個對應(yīng)通道的比對結(jié)果見圖7所示。由圖7結(jié)果可知,4個通道在此時間段內(nèi)輻亮溫曲線總體變化趨勢一致,數(shù)值相近,說明二者具有較好的一致性;從信噪比來看,MSIRT在全時段的測量中具有較好的信噪比,CE312在12 ℃以上信噪比明顯落后于MSIRT,在12 ℃以下二者信噪比相當(dāng)。

圖6 MSIRT &CE312戶外草地測試Fig.6 Outdoor grassland MSIRT and CE312 tests

圖7 MSIRT&CE312戶外比對測試結(jié)果Fig.7 MSIRT and CE312 outdoor comparison test results

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)介紹了MSIRT基本組成和工作原理,介紹了實驗室定標和基于高精度黑體的外場校準定標與實驗,對校準黑體進行了量值溯源。與CE312共同開展了實驗室定標,獲得了轉(zhuǎn)換系數(shù)和各通道的定標系數(shù)。通過室內(nèi)重復(fù)性實驗、與CE312實驗室測試結(jié)果比對實驗、戶外草地比對測試實驗,驗證了MSIRT的測量精度和野外工作性能。

進行了MSIRT定標實驗的不確定度分析,結(jié)果表明整體等效輻亮度溫度不確定度在0.27 K以內(nèi),各項指標均能滿足設(shè)計要求,驗證了MSIRT具有較高的精度水平,為開展紅外遙感器場地自動化定標方法的研究奠定了基礎(chǔ),為外場定標提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。