HGP-1红外光谱仪标定与测量方法

　　1　引　言

　　HGP-1红外光谱仪是我们自行研制的野外用红外光谱辐射特性测量设备,其标定与测量方法是设备能够进行辐射量定量测量的关键。我们从辐射量物理概念的深入理解入手,通过对测量原理的探究与实际测量数据的对比分析,解决了设备标定和测量方法问题,确保了测量数据的精度与可信度,并为事后数据处理软件的编制工作提供了理论依据。

　　2　设备工作原理与标定方法

　　2.1　红外光谱仪工作原理

　　HGP-1红外光谱仪由探测头部、电源、控制采集与信号处理系统三部分组成,原理框图如图1所示。来自外部辐射源的辐射经过ZnS保护窗口(A)、到达卡塞格轮光学系统(BC)、视场光阑(D),斩波器(E),CVF圆型渐变滤光片(F),全反射成像镜(H)后,成为一列交替变化的信号:先是未知特性的入射辐射信号,接着是斩光器自身辐射和反射的信号,并随着CVF的旋转,在不同的时刻使不同波长的光通过并聚焦到探测器(I)上,该探测器将辐射信号转换为电信号,电信号经电路放大和探测。同时通过控制处理机中的程序控制斩光器和CVF的电机,并对探测器输出的信号与测温信号进行同步采集记录。

　　2.2　红外光谱仪的标定

　　2.2.1　标定方法

　　红外辐射测量是建立在黑体辐射理论基础上,以黑体辐射源为基准辐射量的对比测量。因此测试之前要建立系统响应函数,它反映测量所得的输出信号与输入辐射信号之间的函数关系,它由设备光学系统、电子线路和探测器的响应率等因素决定。借助扩展标准面黑体辐射源、红外平行光管等设备,用光谱辐亮度函数对设备输出信号进行标定。设黑体辐射率近似为1(不考虑标定时黑体的反射信号),则理想条件下设备输出信号与输入辐亮度信号之间关系如下:

　　2.2.2　标定误差分析

　　我们假定在理想条件下,式(1)才成立,而实际情况下式(1)为:

　　N噪声(λ)由环境背景、系统噪声和调制盘辐射三部分误差构成,同标定时环境背景温度、湿度、压力、风力等诸多因素相关,并同电子放大系统工作带宽,斩光器与CVF频率稳定性有关。另外,标定时所用黑体的稳定性、光路调整的精确性等都给标定带来误差。

　　2.2.3　标定精度的控制

　　(1)标定前将所用黑体送法定计量单位计量。(2)标定时黑体、平行光管、光谱仪要求调整到同轴,所采用平行光管的孔径和F数要大于光谱仪光学系统孔径和F数。对各级反射镜、及非离轴平行光管要进行数据修正。(3)对标定环境的温度、湿度、风力等进行控制。(4)由于探测器输出信号与辐亮度之间成指数规律,因而可取不同的黑体温度T,得到不同的输出值V(λ,T),解出RESP(λ)。