积分球光谱辐射度建模与实验分析

通过跟踪光束在积分球内的多次反射过程,建立了积分球出口辐出度与积分球结构参数的关系。依据积分球内置光源的能量转换关系,建立了积分球开口处光谱辐出度与内置光源参数及积分球自身结构参数之间的理论关系模型。此外,选用具体的积分球内置光源参数,利用建立的模型计算出积分球开口处光谱辐出度理论值,并用标定好的光谱仪对该模型进行了实验测量与不确定度分析。结果表明:在0.6μm~0.85μm波段范围内,该模型计算值与实验测量值相对误差均小于4%;由于光谱仪自身响应特性及标定光谱仪的黑体温度的影响,0.9μm处相对误差为8.65%。     

宇宙微波背景辐射对量子卫星信道性能及纠缠储备量的影响

2016年8月16日1时40分,我国长征二号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射升空。然而,有关宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background radiation,简称CMB)对量子卫星信道通信性能及纠缠储备量影响的研究,至今尚未展开。为此,本文根据CMB辐射谱与黑体辐射谱完美的拟合特性和小尺度范围内的各向异性,得到CMB绝对温度、辐射波长和黑体辐出度的关系。针对幅值阻尼信道,建立了CMB绝对温度、黑体辐出度、辐射波长、信道平均保真度和纠缠度之间的定量关系。仿真结果表明,当CMB绝对温度为2.7K和3.0K时,黑体辐出度分别为0.03 W·μm和3.72 W·μm,量子卫星信道的平均保真度和纠缠度分别为0.64、0.43和0.41、0.12。由此可见,CMB对量子卫星信道通信性能的影响极大。因此,在实际的量子卫星通信系统中,应根据不同的CMB绝对温度,自适应调节算符纠缠的幺正操作,改变信道的纠缠储备量,使信道纠缠度维持在相对稳定的状态,降低CMB对卫星信道通信性能的影响。     

基尔霍夫定律对半透明反射平行板热辐射的应用

基尔霍夫(Kirchhoff)热辐射定律是光学和传热学的重要定律之一,内容为:热平衡条件下,任何物体的辐射度rλ,t与其吸收本领aλ,t的商是波长和温度的普适函数 f(λ,t),与物体的性质无关.表为其中rλ,t表示辐射体单位表面积在温度t,向2π立体角发出的波长为λ至λ dλ的辐射通量密度;aλ,t表示辐射体在温度t时吸收属于波长λ的单位波长间隔的辐射通量与射到该物体表面该波长间隔的辐射通量之比. 能够在任何温度下吸收所有波长的辐射即吸收本领αBλt=1的物体称为黑体,黑体的辐射度,Z.;一j(A,t).为了研究绝大多数非黑体的热辐射特性,常以黑体辐…     

天基红外探测系统的杂散光分析与计算

探讨了天基红外探测系统的杂散光来源,运用黑体辐射的理论分别对其大小进行了分析和计算。分析地气杂光在探测器靶面的辐照度时,通过在仿真软件中建立模型,应用追迹光线的方法得到了地气表面对相机所张的立体角,从而求出地气杂光在探测相机靶面上的辐照度,减小了计算的复杂度。然后对探测系统的噪声进行了分析,计算了某一个型号Sofradir焦平面器件的噪声等效辐照度(NEI),通过比较发现,杂散光在探测器靶面的辐照度远大于热像仪的NEI,必须对杂散光采取抑制措施。最后对地气杂光的抑制比和光学系统的致冷温度要求进行了分析,结论为系统的设计提供了参考。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。     

双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

高量值红外辐射照度校准技术研究

主要研究了1 000 W/m2以上红外辐照度测量仪的校准问题。针对红外辐照度测试仪实际使用情况,讨论了配备和未配备光学系统的测量仪校准方法,对于每种类型的辐照度测量仪给出了不同校准架构的校准算法。提出了利用高亮度大口径辐射源进行高量值辐照度的校准原理,组建了一套实验室专用的高量值红外辐照度校准装置,利用3 000 ℃腔式黑体和800 ℃大尺寸面源黑体进行了实际校准,给出了校准结果。最后讨论了现有高量值红外辐射照度校准方法的改进方向。     

星载定标黑体午夜太阳辐照模拟实验

为了揭示午夜太阳辐射对三轴稳定卫星光学载荷的定标黑体温度均匀性和定标精度的影响,进行了基于贴片加热电阻外热流模拟方法的真空实验,利用电压变化产生的加热功率模拟复杂的太阳辐照度波动。将实验获取的温度数据与仿真计算结果对照验证,分析了太阳照射过程中黑体温度分布的规律。根据辐射度学理论,对温度不均匀性产生的定标误差进行了理论计算。实验结果显示:在午夜太阳照射过程中,边缘受照的黑体温度分布具有对称性,黑体最高升温幅度为8.8K,最大温度梯度3.1K/m,定标相对误差0.1%。研究表明:太阳辐射会显著影响黑体温度的均匀性,由此产生的定标精度误差不会影响工程应用的要求。     

外场用红外目标模拟器辐射特性测量研究

野外便携式红外目标模拟器作为红外目标辐射源,广泛应用于各军兵种武器装备的效能测试评估中.针对外场模拟辐射源不能精确标定的问题,采用标准面源黑体和红外傅里叶光谱辐射计相结合标定的方法,对红外模拟器特定温度下的光谱辐亮度进行测量,计算出感兴趣波段的积分辐亮度,根据模拟器辐射面积给出用户需要的模拟器各设定温度下的辐射强度.分析计算表明:计算出的感兴趣波段的积分辐亮度值和理论曲线相比较,取得了良好的一致性,间接验证了该方法的正确性.     

宇宙背景辐射的短波畸变

1987年2月23日,日本名古屋大学和美国加利福尼亚大学伯克利分校组成的合作小组.利用当天从日本发射的试探火箭,对宇宙背景辐射进行了高精确度测量.结果发现宇宙背景辐射在亚毫米波段大大偏离了黑体辐射.这与1981年Herbert Gush和 Mark Halpern报道的结果很相似. 根据大爆炸理论模型,宇宙背景辐射的光子产生于高红移时期.红移公式为1 Z=λ0/λe,其中λ0和λe分别是观测到的和发射的波长.在宇宙的早期,辐射与物质处于热平衡,产生的光子具有黑体辐射谱.到Z<10 6时,各种产生光子以维持热平衡的过程的产生率将变得不足以维持辐射的黑体谱.但是…     

基于光谱线性拟合的宽波段光源波动补偿方法

宽波段光源在工作过程中,光强通常会随供电电源输出功率的变化而波动。宽波段光源波段内各个波长的光谱强度将会发生不同程度的波动。为解决光源光强波动时其波段内各个波长光谱强度的补偿问题,提出了一种基于光谱线性拟合的补偿方法。使用这种方法,只需测量光源波段光强的变化,就可以补偿各个波长光谱强度的波动。通过分析理想黑体全波段辐射出射度与光谱辐射出射度的近似线性关系。建立了宽波段光源波段光强与光谱强度的线性模型。实验装置主要由卤素灯珠、光源电源、光阑、光谱仪及计算机构成。调节电源的输出功率,得到一组卤素灯珠在不同输入功率下的相对光谱强度。测量不同功率下卤素灯珠光谱强度来验证该方法补偿效果。按线性关系拟合了卤素灯珠光谱强度与其波段光强关系式,并分析了拟合误差。实验表明：卤素灯珠的光谱强度与其波段光强具有很好的线性关系,可以用波段光强按线性关系来补偿其光谱强度的波动。随着卤素灯珠输入功率的增大,补偿后的光谱强度的相对误差绝对值下降。在卤素灯珠输入功率范围内,使用该方法补偿的光谱强度在绝大部分(92%)波长下相对误差绝对值可在5%以内。     

动态黑洞的瞬时辐出度

选取超前爱丁顿坐标，采用统计的方法，计算出动态黑洞的瞬时辐出度.结果表明，动态黑洞的瞬时辐出度不仅与假定黑洞处于热力学平衡时的辐出度有关，还与黑洞的事件视界变化率、事件视界温度、事件视界附近的熵密度及黑洞的吸收和辐射系数有关.对于球对称动态黑洞，任一时刻黑洞的瞬时辐出度总是正比于黑洞事件视界温度的四次方. 关键词： 熵密度 事件视界温度 薄膜模型 瞬时辐出度     

光弹材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算分析

基于材料的热力学关系和能量守恒定律,给出弹性体形变过程中红外辐射温度改变量和辐出度变化的物理计算方程.并结合有限元方法进行物理建模,对光弹材料三点弯载荷实验过程中的红外辐射出射度的分布进行数值计算和模拟.结果与实验结果吻合较好,表明模型及其相关理论是合理的,可以用来量化揭示实验中的红外辐射特征.从而得到一种能够利用计算机量化分析固体材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算方法.     

光谱辐射照度量值复现中计算大口径固定点黑体拐点温度的新方法

我国光谱辐射照度基准量值复现的理论基础是普朗克定律,它揭示了波长、温度和光谱辐射照度之间存在着精确的定量关系。采用比较法、通过卤钨灯来进行光谱辐射照度量值的保存与传递。其中,黑体的温度测量在量值复现中是最主要的不确定来源。以往都是采用变温黑体作为量值复现的辐射源,其温度通过高温计溯源至温标固定点黑体。为满足我国对地观测、气象遥感、应对气候变化、海洋水色等领域对光谱辐射照度高精度的测量需求,中国计量科学研究院NIM建立了一套14 mm大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体系统,作为基准辐射源直接复现光谱辐射照度量值,进一步缩短了量值溯源链,减少了温度测量误差。实验中高温计用来测量黑体的相对温度,采用固定点熔化温坪曲线的拐点POI值校准后得到温度绝对值。因此拐点POI的合理评估计算就十分重要。与小口径WC-C固定点黑体不同,大口径固定点的熔化温坪曲线的持续时间更长,但温度起伏也更大,因此广泛用于小口径固定点的传统拐点POI算法不再适用。提出了一种可筛选多次拟合法,用于计算大口径固定点黑体的拐点温度。采用3 mm小口径WC-C和Re-C固定点对新方法的有效性进行验证,结果表明新方法与三种传统方法的平均值的最大偏差为-0.007和-0.001 K,在500 nm引入的光谱辐射照度测量误差分别为0.002 2%和0.000 3%。进一步采用14 mm大口径WC-C大口径固定点对新方法的稳健性进行验证。分析比较了筛选条件、数据平滑处理、拟合范围对拐点POI计算结果的影响,新方法和三种传统POI计算方法的最大影响量分别为0.001和0.633 K,在500 nm引入的光谱辐射照度不确定度分别为0.000 3%和0.20%。所提出的新方法能够有效减小外界因素引入的温度误差,进一步提升光谱辐射照度量值的复现准确度,更适用于大口径高温固定点黑体拐点温度的计算。     

Enhancement of blackbody friction due to the finite lifetime of atomic levels

The thermal friction force acting on an atom moving relative to a thermal photon bath is known to be proportional to an integral over the imaginary part of the frequency-dependent atomic (dipole) polarizability. Using a numerical approach, we find that blackbody friction on atoms either in dilute environments or in hot ovens is larger than previously thought by orders of magnitude. This enhancement is due to far off-resonant driving of transitions by low-frequency thermal radiation. At typical temperatures, the blackbody radiation maximum lies far below the atomic transition wavelengths. Surprisingly, due to the finite lifetime of atomic levels, which gives rise to Lorentzian line profiles, far off-resonant excitation leads to the dominant contribution for blackbody friction.     

一种导弹高超声速绕流红外辐射特性数值计算方法

主要研究导弹高超声速飞行时弹头流场对自身红外导引头的辐射照度影响问题.建立导弹弹头及气动流场模型,划分计算流场网格、红外导引头镜面网格和辐射场计算网格.从辐射照度和亮度的理论公式开始,推导出适用于辐射网格的气体辐射积分式,并将流场网格数值插值到辐射场网格,求出各节点辐射值得到由导弹飞行状态确定的导弹头部流场气体辐射,积分到红外导引头的光学系统镜面处,求出对其红外导引头的光学系统镜面处的辐射照度.得出流场气体对导引头主镜面的辐射照度值的分布规律:主镜面中心最大,围绕主镜面中心成环形分布,沿着半径方向逐渐减小,随着Mach数增大影响增加.      

-60℃～80℃面源黑体辐射特性校准系统

分析面源黑体及其辐射特性校准在红外热像仪研制、航天红外遥感及民用领域等的需求背景。提出一种基于光谱辐亮度比对的－60℃－80℃面源黑体辐射特性校准装置，并详细地分析校准数学模型。