红外积分辐射计的测量与标定

红外辐射计是一种测量红外辐射源辐射度的仪器[1～4],按照测量的光谱类型,通常分为全波段辐射计、积分辐射计和光谱辐射计.随着红外技术的发展,红外辐射计的应用需求也日趋广泛,研制相应的红外辐射计逐步成为一种迫切的需求.仪器的标定是研制红外辐射计的一个关键环节,以往的标定方法多采用分段近似处理,标定的工作量较大,也影响测试结果.

本课题组近期研制的红外积分辐射计(BIIR),采用一种全新的扩展源辐射量标定和测量方法,只需测量一次即可完成整个标定过程,达到了设计要求并具有较好的精度.

1　红外积分辐射计

1.1　系统组成

红外积分辐射计BIIR(图1)是在原MarkⅡ光谱辐射计的基础上改造而成的,MarkⅡ是进口光谱辐射计,采用渐变滤光片的方式实现光谱辐亮度的测量.由于使用年代已久,其控制电路、探测器部分均老化,但其望远光学系统部分仍性能良好.仅利用BIIR的原望远系统及黑体腔,对光学系统、探测器、电子线路、机械结构和控制软件等进行重新设计、制作和标定,实现了1～3μm,3～5μm,8～12μm波段积分辐射量的测量,具有较大的动态范围(点源200～1 500 K,面源300～1 200 K).目前所安装的3个滤光片能测量3个波段(对1～3μm波段,由于条件限制暂不能测),通过增加滤光片数目最多能测量6个波段.

　图1中,入射辐射通过光学系统会聚在调制盘上,通过参考黑体后产生差值辐射信号.差值辐射信号经滤光片并通过中继透镜后进入红外探测器,探测器产生与之成正比的电压信号,同时调制盘的转动频率送入相敏检波电路的参考回路.检测出所需的辐射电压信号,该信号经A/D转换为数字信号,由单片机系统采集,送入上位计算机,通过处理转化为所需的辐射量.此外,调制盘、参考黑体和滤光片轮的控制电路均由下位主控单片机统一进行控制.

1.2　辐亮度响应度

红外辐射计的标定根据定标源分为两类[1,5,6]:①定标源充满视场,即定标源为扩展源(面源),由于无法确定探测器对辐射源所张的立体角,所以应标定红外辐射计的辐亮度响应度;②定标源只覆盖视场的一部分,即定标源为点源,可直接标定出红外辐射计的辐照度响应度.

1.2.1　测量原理

式中　τa(λ,l)为大气光谱透射比,且τa(λ,0)=1;ε(λ)为目标光谱发射率,黑体:ε(λ)=1,灰体:ε(λ)=ε0(常数);τ0(λ)为光学系统的光谱透射比;D和f′分别为光学系统的孔径和焦距.若探测器面积为A,光谱响应率为RV(λ),则在Δλ∈[λmin,λmax]波段产生的目标辐射与参考黑体辐射之差产生的信号电压ΔV为