一种常温黑体辐亮度参数校准装置及测量方法与流程

本发明属于常温黑体辐亮度参数技术领域，尤其涉及的是一种常温黑体辐亮度参数校准装置及常温黑体辐亮温测量方法。

背景技术：

由于常温黑体辐射温度测量的传统方法是直接使用多个接触式铂电阻温度计测量黑体腔的温度作为黑体的实际辐射温度，但由于黑体腔实际发射率、温度梯度、温度分布均匀性以及接触式温度测量的缺陷等因素导致黑体腔测量温度与实际辐射温度之间存在不少误差，这势必对黑体的校准精度带来一些误差。

目前，国内对红外波段的辐亮度的校准，主要采用的是标准黑体辐射源法。标准黑体辐射源法研究的核心是精确测量基准黑体的辐射温度和有效发射率，通过普朗克辐射公式，计算得到被测对象的辐亮度参数。该种方法是目前最为普遍的方法，其中国外的npl、ptb、nist实验室，还有国内的中国科学计量院、中国科学院安徽光机所、中国科学院长春光机所都采用此方法进行辐亮度参数定标的研究。尽管随着金属凝固点黑体技术和红外测试技术的发展，黑体的辐射温度和发射率实现了高准确度的测量；然而，黑体的有效发射率与其工作波长、温度、结构、涂层等多种因素有关，使用时间的累积和使用环境的变化都可能给发射率参数带来持续的变化，这是影响黑体和红外系统辐射参数定标精度的重要因素。因此包括中国在内大多数国家都不具备实验室测量黑体发射率的成熟条件。由于金属凝固点黑体通常被作为基准黑体，而普通的工作标准黑体的辐射温度是通过铂电阻温度计来测量，由于铂电阻温度计测量得到温度通常与黑体的辐射温度存在一定的差异，差值一般在0.2k以上，随着黑体工作温度的升高，差值能达到6k以上。因此，采用标准黑体辐射源法，无法满足高精度辐亮度的使用要求。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

技术实现要素：

本发明提供一种基于标准探测器的红外辐亮度校准方法，将红外辐亮度溯源到低温辐射计上，以解决黑体辐亮度高精度测量和校准难题。

本发明的技术方案如下：一种常温黑体辐亮度参数校准装置，其特征在于，由第一装置和第二装置构成，所述第一装置包括：激光器、用于将激光器的激光分为两路的分光片、用于测量激光波长的光波长计、激光功率稳定器、空间滤波器、红外积分球、位移导轨、低温辐射计和红外辐亮度探测器；其中激光功率稳定器、空间滤波器、红外积分球、位移导轨、低温辐射计、红外辐亮度探测器均在隔热暗室中；激光器分别采用he-ne激光器和co2激光器，其输出的激光经分光片分光后，一路通过光波长计测量激光器的实际波长，另一路经激光功率稳定控制器和空间滤波器的光束整形后进入低温辐射计，低温辐射计准确测量入射激光的功率为响应功率，然后将红外辐亮度探测器移入主光路，记录下此时红外辐亮度探测器的的响应电压，通过绝对光谱响应率的定义公式得到红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，实现3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率的测量；所述第二装置为红外探测器相对光谱响应校准装置，通过红外探测器相对光谱响应校准装置对从第一装置中取出的红外辐亮度探测器的相对光谱响应率进行测量。

一种利用上述的常温黑体辐亮度参数校准装置进行常温黑体辐亮温测量方法，其特征在于，激光器分别采用he-ne激光器和co2激光器，其输出的激光经分光片分光后，一路通过光波长计测量激光器的实际波长；

另一路经激光功率稳定控制器和空间滤波器的光束整形后进入低温辐射计，低温辐射计准确测量出入射激光的功率为响应功率，然后将红外辐亮度探测器移入主光路，记录下此时红外辐亮度探测器的响应电压，然后通过绝对光谱响应率的定义公式得到红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，即实现了3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率的测量；

然后通过红外探测器相对光谱响应校准装置对所述红外辐亮度探测器的相对光谱响应率进行测量，结合上述在3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，再通过公式运算得到3.39μm、10.6μm、3μm-4μm和10μm-11μm波长下该红外辐亮度探测器测量的辐亮度响应度；

当黑体设定为某一温度时，将黑体和红外辐亮度探测器设于隔热暗室中，采用红外辐亮度探测器直接测量，得到黑体的实际测量辐亮度，再通过普朗克公式推导出公式(1)、(2)：

式中：t------黑体的辐亮温；

l------黑体的辐亮度；

λi------3.39μm、10.6μm；

c1、c2------第一、第二辐射常量，c1＝(3.741832±0.000020)×10^-16w·m²，c2＝(1.438786±0.000045)×10^-2m·k；

ε(λ,t)------黑体的光谱发射率，约等于1；

λ1、λ2------波长范围分别为3μm-4μm、10μm-11μm；

而计算得到常温黑体的辐亮温。

在上述技术方案基础上，绝对光谱响应率的定义公式为，公式(3)：

其中，v为响应电压，φ为入射到探测器的辐射通量即响应功率，辐射通量直接溯源到低温辐射计。

在上述技术方案基础上，所述红外探测器相对光谱响应校准装置对所述红外辐亮度探测器的相对光谱响应率进行测量后，结合在3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，经过如下公式运算：

红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl公式为，公式(4)：

其中，v为响应电压，l为光源辐亮度。

红外辐亮度探测器接收到的辐射通量φ为，公式(5)：

φ＝l×a×ω(5)

其中，为l光源辐亮度；a为视场面积，即由孔径光阑和视场光阑共同确定的有效视场决定；ω为孔径光阑对物面中心所张的立体角为，公式(6)、公式(7)

a＝π×(d×tanθv)²(6)

其中，2θv为视场角，即视场光阑边缘与孔径光阑中心的夹角，tanθv＝c/h，所以，红外辐亮度探测器接收到的辐射通量φ为，公式(8)：

所以，红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl表示为，公式(9)：

即利用上式推导出红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl，其中，绝对光谱响应率rφ直接溯源到低温辐射计，测量出几何结构参数孔径光阑半径a和视场光阑θv，这两个值是定值，得到红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl；

再利用式(4)得出光源辐亮度。

本发明提供一种常温黑体辐亮度参数校准方法及装置，提出了一种新的常温黑体辐亮度参数的校准方法，主要由激光器、光波长计、激光功率稳定系统、红外辐亮度探测器、低温辐射计等组成。红外辐亮度参数校准的波长选用中波红外常用的3.39μm波长点，长波红外选用长波常用的10.6μm波长点，通过红外辐亮度探测器作为溯源链，将常温黑体的辐亮度参数溯源到低温辐射计上，将常温黑体的辐亮度不确定度提高了将近一个量级。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中红外辐亮度探测器的原理图。

图3为本发明中红外探测器相对光谱响应校准装置的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。如图1所示，一种常温黑体辐亮度参数校准装置，其特征在于，由第一装置和第二装置构成，所述第一装置包括：激光器21、用于将激光器的激光分为两路的分光片22、用于测量激光波长的光波长计23、激光功率稳定器24、空间滤波器25、红外积分球31、位移导轨29、低温辐射计26和红外辐亮度探测器27；其中激光功率稳定器24、空间滤波器25、红外积分球、位移导轨、低温辐射计、红外辐亮度探测器均在隔热暗室30中；激光器分别采用he-ne激光器和co2激光器，其输出的激光经分光片分光后，一路通过光波长计测量激光器的实际波长，另一路经激光功率稳定控制器和空间滤波器的光束整形后进入低温辐射计，低温辐射计准确测量入射激光的功率，即响应功率，然后将红外辐亮度探测器移入主光路，记录下此时红外辐亮度探测器的的响应电压，通过绝对光谱响应率的定义公式可以得到红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，即实现了3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率的测量；所述第二装置为红外探测器相对光谱响应校准装置，通过红外探测器相对光谱响应校准装置对红外辐亮度探测器27的相对光谱响应率进行测量。

如图3所示，需要指出的是红外探测器相对光谱响应校准装置为现有技术，其具体原理和结构以及要求可见中华人民共和国国家计量技术规范jjf1150-2006：光电探测器相对光谱响应校准规范，故不作详细描述。

如图1和图2所示，一种常温黑体辐亮温测量方法，其特征在于：激光器分别采用he-ne激光器和co2激光器，其输出的激光经分光片分光后，一路通过光波长计测量激光器的实际波长；

另一路经激光功率稳定控制器和空间滤波器的光束整形后进入低温辐射计，低温辐射计准确测量出入射激光的功率，即响应功率，然后将红外辐亮度探测器移入主光路，记录下此时红外辐亮度探测器的响应电压，然后通过绝对光谱响应率的定义公式可以得到红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，即实现了3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率的测量；

然后通过红外探测器相对光谱响应校准装置对所述红外辐亮度探测器的相对光谱响应率进行测量，结合上述在3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，经过公式运算可得到3.39μm、10.6μm、3μm-4μm和10μm-11μm波长下该红外辐亮度探测器的辐亮度响应度；

当黑体28设定为某一温度时，将黑体28和红外辐亮度探测器27设于隔热暗室中，采用红外辐亮度探测器直接测量，得到黑体的实际测量辐亮度，再通过普朗克公式可推导出公式(1)、公式(2)，

式中：t------黑体的辐亮温；

l------黑体的辐亮度；

λi------3.39μm、10.6μm；

c1、c2------第一、第二辐射常量，c1＝(3.741832±0.000020)×10^-16w·m²，c2＝(1.438786±0.000045)×10^-2m·k；

ε(λ,t)------黑体的光谱发射率，约等于1；

λ1、λ2------波长范围分别为3μm-4μm、10μm-11μm；

而计算得到常温黑体的辐亮温。

其中，绝对光谱响应率的定义公式为，公式(3)：

其中，v为响应电压，φ为入射到探测器的辐射通量即响应功率，辐射通量可以直接溯源到低温辐射计。

优选的，所述红外探测器相对光谱响应校准装置对所述红外辐亮度探测器的相对光谱响应率进行测量后，结合上述在3.39μm和10.6μm两个波长点的红外辐亮度探测器的绝对光谱响应率，经过如下公式运算：

红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl公式为，公式(4)：

其中，v为响应电压，l为光源辐亮度。

红外辐亮度探测器接收到的辐射通量φ为，公式(5)：

φ＝l×a×ω(5)

如图2所示，其中，为l光源辐亮度；a为视场面积，即由孔径光阑和视场光阑共同确定的有效视场决定；ω为孔径光阑对物面中心所张的立体角，为公式(6)及公式(7)

a＝π×(d×tanθv)²(6)

其中，2θv为视场角，即视场光阑边缘与孔径光阑中心的夹角，tanθv＝c/h，所以，红外辐亮度探测器接收到的辐射通量φ为，公式(8)：

所以，红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl可以表示为，公式(9)：

即利用上式推导出红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl，其中，绝对光谱响应率rφ直接溯源到低温辐射计，测量出几何结构参数孔径光阑半径a和视场光阑θv，这两个值是定值，就可以得到红外辐亮度探测器的标准辐亮度响应度rl；

再利用式(4)得出光源辐亮度。

本发明提供一种常温黑体辐亮度参数的校准装置，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。