消除背景辐射影响的辐射源尺寸效应测量模型

　　1　引　　言

　　理想辐射温度计的输出信号只与由其光学系统确定的视场之内的目标辐射亮度有关。而实际辐射温度计的输出信号还与其视场以外的背景辐射的强弱有关，表现为输出信号与被测辐射源的大小有关，这被称为辐射温度计的辐 射源尺 寸效 应 (SSE)。SSE是辐射温度计光学系统中灰尘引起的散射、透镜表面间的反射、光学系统的像差及衍射等效应的综合结果[1]。在光学领域的部分文献和较早的辐射测温文献中，SSE常被归入杂散光影响[2，3]。SSE是影响辐射温度计测温的主要不确定因素之一，对于不同于校准源尺寸条件的测温结果以及不同源尺寸测温结果之间的比较，需要修正SSE的影响[1，4～8]。

　　国际电工委员会(IEC)制定的辐射温度计国际标准中也将SSE列为辐射温度计的重要性能参数[9]，将在后续标准中制定对SSE的测量方法。

　　SSE对温度基准和工业测温的影响是各国计量学研究的热点。Bloembergen等[1，5]提出确定SSE的两种方法：直接法和间接法。比对研究表明后者的测量不确定度优于前者[10，11]。Saunders等[12]提出不受辐射源尺寸限制的SSE测量新方法———扫描法，并证明三种方法等价。Bloembergen等[1，4～6]研究了对SSE影响的一般性修正公式，适用于温度计输出信号与被测亮度成正比的情形。对于低温测量，Bloembergen等[5，7]提出对低温辐射温度计SSE的测量应修正辐射源以外的背景辐射的影响;Punik等[13]指出受辐射源尺寸的限制，修正背景辐射影响不得不采用近似处理方法。在其他光学测量方法中，不同强度或颜色的背景也常常是影响测量结果的重要因素[14～16]。

　　本文分析了现有的低温SSE测量方法存在的不足，基于辐射温度计测温原理，提出了能消除背景辐射影响的更简单的SSE测量与计算模型，讨论了对SSE测量方案的优化，并给出了典型的SSE测量结果。

　　2　SSE测量理论

　　本文讨论具有单一波段的辐射温度计，大多数辐射温度计均属此类。

　　2.1　现有SSE测量理论

　　较早的研究SSE的文献是针对高温测量的。Bloembergen等[1，4～6]则系统地提出了SSE理论。

　　辐射温度计的测量信号是对温度为T、半径为r的等温圆形黑体辐射源及辐射源之外的温度为Tb的等温黑体背景辐射的响应，表示为S(r，T，Tb)，其中r始终大于辐射温度计的设计目标直径。这里的S(r，T，Tb)限定为与入射辐射通量成正比。

　　对于高温测量，辐射温度计对背景辐射的响应可忽略，即认为背景温度Tb=0K。此时，辐射温度计的输出信号为S(r，T，0)，亦可省略背景温度参数，表示为S(r，T)。