红外光谱辐射亮度测量中温度均匀性和源尺寸效应的研究

在已有的紫外、可见和近红外波段的光谱辐射亮度国家基准的基础上，将光谱辐射亮度的测量范围向红外波段扩展，建立2 μm～14 μm红外光谱辐射亮度计量基准装置，可为遥感对地观测、气候变化、目标识别、材料发射率测量等领域的红外光谱辐射定标提供技术支撑。针对红外光谱辐射亮度测量中的温度均匀性和源尺寸效应进行研究，通过定制光阑或限制所用腔口位置实现了温度均匀性的提升；采用光学仿真、增加光阑和简化光路等方法进行了系统源尺寸效应的分析和抑制，有效地降低了源尺寸效应的不确定度。下一步将对系统的非线性效应等参数进行研究，并对整套系统的不确定度进行评估。     

激光大动态范围线性测量

为研究探测器在单色光照射下大动态范围的辐射响应度是否不变，建立了基于激光的线性测量装置，并对该装置的测量不确定度进行评价。实验根据双光路叠加法，分别采用功率和照度两种模式研究了光电探测器的线性。对于功率模式，实验测量了6个数量级光功率变化下探测器的大动态范围非线性系数；对于照度模式，将激光导入积分球输出光辐射，测量了探测器在3个量级变化下的非线性系数。实验结果表明:当激光功率模式下探测器的输出电流从0.2 mA变至0.2 nA，探测器的非线性系数全部小于±0.02%；当激光照度模式下探测器光电流从200 nA变为0.2 nA，探测器非线性系数小于±0.02%。由此可知，激光线性装置可以实现功率和照度两种模式测量，满足至少6个量级以上的测量。     

用单色亮度比较法确定高温黑体的温度

高温黑体温度的测量水平将直接影响光谱辐射度量值的不确定度。我国的高温温标截止于 2 2 0 0℃。确定2 2 0 0℃以上范围内的温度必须进行温度延伸。从Planck公式的定义出发 ,推导出用单色亮度比较法进行温度延伸的原理和方法。在国家光谱辐射度基准改造中 ,该方法被用来确定高温黑体的温度。实验证明 :使用参考灯替代法能够有效消除探测器灵敏度漂移带来的误差。此外 ,旁证实验用来验证该方案的可行性。     

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

圣诞树底座灯系统的光学参数对照测量与数据分析

某公司生产的圣诞树由于质量问题在销往国外时被烧毁。采用故障样品和参照样品比较测量法,在同等条件下,分别测量两个样品的光谱辐射照度分布,波段积分辐射照度,色温,以及温度特性等参数。实验结果表明:故障样品与参照样品的色温分别为2722K和3060K。在紫外波段、可见波段和近红外波段,故障样品的积分辐射照度分别是正常样品的1.7倍、2.4倍和10.7倍。故障样品的灯系统未进行任何技术处理,而参照样品的灯系统进行了可见与近红外吸收处理,因此总辐射照度显著减弱。温度特性实验结果表明:在同样的受辐照时间7min内,故障样品的温升高达101.5℃,而参照样品的温升只有46.4℃。这些参数的差异可能是导致圣诞树烧毁的主要原因。     

光谱辐射照度标准灯的数据插值与曲线拟合方法研究

介绍了多种插值方法与曲线拟合方法,对光谱辐射照度标准灯在所需波长间隔上的照度值进行内插运算,包括这些方法的模型建立、参数计算及误差分析过程。得到了效果较好的插值方法及分段普朗克曲线拟合模型,其中拟合模型较好地体现了光谱辐射照度标准灯的灯丝发射率及灯壳的光谱透射比。最终结果的相对偏差接近国家级计量院提供标准灯的最佳不确定度0.2%。     

Czerny-Turner型双光栅单色仪的波长驱动与波长校准研究

单色仪在实际光谱测量前需要进行波长校准。文中分析了波长驱动原理,并推导了Czerny-Turner双光栅单色仪出射波长与步进电机脉冲数的关系式。在此基础上进行了波长校准实验。使用低压汞灯作为校准光源,在紫外波段和可见波段蓝端,扫描多条低压汞灯特征谱线,得到单色仪的指示波长与信号强度的关系数据。计算出单色仪出射这些谱线时使用的波长修正量。最后使用曲线拟合方法得到250 nm～450 nm光谱范围内单色仪出射任意波长时对应修正量的计算式。波长校准保证了单色仪的波长准确性。     

高温黑体性能评定和温度测量

中国计量科学研究院引进了高温黑体BB3500M作为新的光谱辐射照度基准光源。黑体BB3500M包括辐射腔体和温度反馈系统。辐射腔体由一系列高温热解石墨环组成,可以加热至3 500 K。在光谱辐照度测量中,高温黑体的性能参数和温度测量至关重要。对于黑体的性能参数,着重考察了黑体温度的稳定性和腔底温度的均匀性。在将高温黑体的光谱辐射照度传递给工作标准灯时,黑体的温度可能发生改变。实验观测了一小时内黑体的温度漂移情况。当高温黑体加热至3 016 K时,采用温度反馈系统的BB3500M稳定在0.3 K。实验光路中设置了限制光栏,用于屏蔽来自黑体腔壁的辐射。黑体腔底辐射环的温度均匀性优于0.2 K。在温度测量中,2 473 K以下的温度可以直接溯源到中国计量科学研究院热工处,对于更高温度的测量需要进行温度延伸。文中从普朗克公式出发,通过多波长亮度比较法进行了温度延伸。实验先在低温区进行延伸证实了方法的可能性,然后进行了高温区的温度延伸。     

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。