红外探测器光谱响应度测试技术研究

光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，随着红外探测技术的发展，精确测量红外探测器的光谱响应度变得越来越重要。首先对红外探测器光谱响应度的测试技术进行分析，然后建立红外探测器相对光谱响应度测量装置，并用腔体热释电探测器在该装置上进行红外探测器光谱响应度校准实验。通过对红外探测器相对光谱响应度进行重复测量，给出测量结果的平均值，最后对影响测量结果的不确定度进行分析。由于该装置的测量范围是1～20μm，因此还可以实现InSb探测器和HgCdTe探测器相对光谱响应度的测量。不确定度分析结果表明，InGaAs探测器光谱响应度的测量精度较高。     

红外光谱响应度测试系统研究

红外光谱响应度是红外探测领域的重要技术指标。介绍了红外光谱响应度的测试技术及其测试系统。该系统选用以无光谱选择的腔体热释电探测器为标准,用双单色仪进行分光同时,采用国际上最新的测试方法完成了红外波段光谱响应度的测量,获得了高的测量不确定度,分析了测试结果及其影响因素。     

可见-近红外(488～944 nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究

报道了可见-近红外波段(488～944nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0．016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见-近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0．028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。     

琼斯法定标用双波段红外辐射计的研制和校准

目前野外工作大口径双波段红外经纬仪的外场辐射定标装置普遍采用大面积均匀扩展辐射源,该方法需要两套定标设备,功耗高、便携性能差、研制难度大。为解决这一问题,分析比较了不同定标方法的原理、过程及技术性能,得出琼斯法是对野外环境下工作的大口径红外经纬仪进行辐射定标最佳方案的结论。为此研制了双波段红外辐射计,该辐射计由黑体照明光管和参考辐射计两部分组成,采用牛顿式望远系统及中继光路系统,选用InGaAs和PbSe两款红外探测器分别接收短波红外和中波红外辐射信号,可对短波和中波双波段进行辐射定标。讨论了校准参考辐射计对保证红外经纬仪最终测量精度的必要性,并给出参考辐射计在短波和中波不同的校准方法和校准结果。对校准该辐射计的不确定度进行了分析,短波和中波校准不确定度分别为4.12%和2.35%。     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

基于日盲型滤光片辐射计的232～400 nm波段辐射标准传递研究

传统滤光片辐射计在测量紫外(UV)波段时带外泄漏影响严重。将日盲型光电管作为UV滤光片辐射计的探测单元,采用搭建的比对测量装置对日盲型UV滤光片辐射计各通道进行系统级相对光谱辐射功率响应度测量,再利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的光谱辐射照度标准灯对UV滤光片辐射计进行绝对光谱辐射照度响应度定标。采用单色仪系统完成UV滤光片辐射计与溯源至美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准探测器的对比,两者结果最大相差2.09%,验证了辐射标准传递的准确性。最后,通过立体角构建,将232～400 nm辐射标准传递到了大口径大动态范围UV积分球辐射源中。     

室温中红外HgCdTe光导探测器响应率的温度特性

为了评定基于室温中红外HgCdTe光导探测器的氟化氘激光阵列靶斑仪系统的测量不确定度,需要对HgCdTe光导探测器响应率的温度特性进行定量分析.理论分析了室温中波红外HgCdTe光导探测器响应率与温度和波长的关系,得出了在一定范围内探测器响应率可以近似表示为温度和波长变量分离函数形式的假设.采用波长为3.8μm和1.31 μm激光光源,分别测量了在-40℃～+30℃温度范围内室温中波红外HgCdTe探测器响应率变温特性,实验结果验证了在测量不确定度范围内假设的正确性.基于此结论,提出了一种高效标定HgCdTe光导探测器在氟化氘激光波长处响应率温度特性的实用方法.     

空间目标的地基红外辐射特性测量技术研究

提出了一种基于望远镜内部定标黑体与大气层外已知光谱特性的红外自然星体作为参照基准的地基大口径望远镜联合定标方法,在此基础上建立了相应的辐射度测量数学模型,以实现对空间目标的高精度红外辐射特性测量。内部定标黑体用于得到大口径望远镜后半光路系统对应探测器的各个像元响应度,外部标准红外自然星体用于估算大气层外目标附近大气与望远镜前半光路系统的等效透射率。在地基1.2m口径望远镜上对大量特性已知的红外自然星体辐射强度测量实验表明,当目标附近具有较强能量红外参考星情况下,如红外参考星在3~5μm波段大气层外辐照度高于1×1016 W/cm2量级,目标红外辐射强度测量不确定度能够优于15%。该方法能够克服大气程辐射、消光及高质量大口径辐射定标源对大气层外目标红外辐射强度测量不确定度的影响,适合于地基大口径望远镜红外光电测量系统的辐射定标与大气层外空间目标红外辐射特性高精度测量。     

基于超连续光源的InGaAs探测器相对光谱响应度定标技术

InGaAs光电探测器是近红外波段重要的光探测器件之一,具有高量子效率、低暗电流、宽带宽等特性,被广泛应用于光电测量、光通信及遥感等领域中。基于超连续白光激光器与双单色仪的光谱比较装置,利用标准InGaAs陷阱探测器对平面InGaAs探测器在900 nm～1600 nm波段进行了相对光谱响应度的定标,并与利用钨灯作为光源的响应度定标结果进行了比较。两种光源条件下,光谱响应度在900 nm～1600 nm波段最大相对差值小于0.2%,取得了较好的一致性。超连续光源的测量重复性最大值小于0.06%,远小于使用卤钨灯的测量重复性1%,降低了因测量重复性贡献的不确定度分量,验证了超连续激光器在探测器相对光谱响应度定标中的可行性。此外,还对被定标的平面探测器光谱响应度结果进行了测量不确定度分析。     

硅陷阱探测器在350—1064 nm波段的绝对光谱响应度定标

介绍了利用钛宝石可调谐激光器、倍频器和单波长激光器作为光源,在24个波长分立点定标了三个硅陷阱探测器的绝对光谱响应度,解决了红外激光的精确定位与调整、窗口透过率模拟定标等关键技术.结果显示：在激光波长为412—800nm时,三个陷阱探测器定标的不确定度约低于0.05％;当激光波长大于800nm以及低于355nm时,获得的陷阱探测器的定标不确定度约低于0.065％.硅陷阱探测器可以作为空间各类遥感器在350—1064nm波段定标的传递标准探测器. 关键词： 陷阱探测器 低温辐射计 光谱响应度 辐射定标     

Development of filter radiometer based high accurate calibration facility for solar UV meters

A reference filter radiometer based measurement system was established in the laboratory to calibrate solar UV radiometers. Filter radiometer was constructed from three-element silicon photodiode based reflection type trap detector, band-pass filters and precision aperture in a temperature-controlled enclosure. Spectral responsivity of trap detector was determined as traceable to the cryogenic radiometer and electrically calibrated pyroelectric detector. Relative uncertainties in the filter radiometer's responsivities at six wavelengths between 291 nm and 434 nm were calculated. In order to engage this radiometer in various types of implementations, filter(s) having previously known spectral transmittance was used in the radiometer housing. Calibration of solar UV meters can be achived accurately by using the developed system.     

Realization of relative responsivity scale with the electrically calibrated pyroelectric radiometer

In UME, the relative spectral responsivity scale extending from 250 to 2500 nm was realized using electrically calibrated pyroelectric radiometer (ECPR). Its absolute spectral responsivity was determined against the electrical substitution cryogenic radiometer (ESCR) facility at 488.1, 514.6, 532.0, and 632.8 nm with an uncertainty of 1 part in 10⁴ (k=2). The relative spectral responsivity scale of ECPR was derived from the surface reflectance data and absolute spectral responsivity data for the mentioned spectral range. Optical characterization of its spatial non-uniformity (at 632.8 nm) and surface reflectance (over 250–2500 nm wavelength region) indicated that the gold-black absorber is spectrally flat within 0.1%. The total expanded uncertainty in the realization of the mentioned radiometric scale along with ECPR was estimated as 1.74%.     

HgCdTe-IRFPA成像器件光谱响应率标定方法比较与误差分析

红外焦平面成像器件的光谱响应率是天基红外遥感的基本物理指标。为了准确应用该项参数去除器件在制造工艺中的不均匀性对产品质量的影响，必须在系统使用之前对其重新标定，获取真实值。总结了目前较为普遍的IRPFA产品光谱响应率标定方法，通过比较选择标准代替法对产品进行标定。根据所得到测量数据，分析了其可能存在的误差，总结了在对IRPFA产品进行标定时应注意的问题。同时提出了一种调整积分时间的方法，以弥补有些波段标定黑体辐射功率过低带来误差过大的缺陷。     

激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为激光束功率测量探测器,采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场,精确测量太阳辐射计870 nm无偏直射通道中心波长处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度,最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度,联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分得到该通道大气层外响应常数V₀值,与NASA的GSFC中心的2009年定标结果差异仅为3.75%,定标不确定度达到2.06%,验证了这一新技术的原理可行性。     

一种近红外探测器的光谱响应率测量

对近红外辐射功率光谱绝对响应率的定标技术进行了研究。设计了一种制冷扩展波长型的InGaAs探测器，为了使其能够作为功率传递的标准探测器工作在（1.2～2.5）μm波长范围，对探测器的光谱响应率进行了测量。首先在1260nm波长下进行绝对功率传递的标定试验，然后用基于红外单色仪的光谱比较系统（SCF）测量了探测器的相对光谱响应率。结合2个步骤的数据，最终可以得到探测器的绝对光谱响应率。