CN100494922C - 溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源及其标定方法，黑体源包括有圆锥形腔，恒温水浴槽，圆锥形腔的前端连接有一圆柱形腔，圆锥形腔的锥角为36度，锥形腔与圆柱形腔的内壁为黑色。标定方法是首先完成基于绝对低温辐射计的红外光功率标准传递，从而将功率标准溯源于绝对低温辐射计；再设置一个新光路，即在红外功率标准传递探测器前增加精密光阑和滤光片，即可制成溯源于绝对低温辐射计的红外标准辐亮度计，实现功率标准传递探测器到辐亮度标准传递探测器的转换，实现辐亮度的标定，精度较已有技术有很大提高。
Description
技术领域
本发明属于光学辐射测量方法与设备，具体是一种溯源于绝对低温辐射计的高精度锥形腔水浴黑体源及采用绝对低温辐射计对其辐亮度进行标定的方法。
背景技术
遥感卫星应用正越来越深入社会生活的各个方面。目前，我国已发射的或即将发射的许多遥感卫星都装有成像或非成像的红外光学传感器来进行红外遥感，以获取天空、地面和海洋目标的红外图像或红外光谱信息。红外辐射是红外遥感信息的基本载体，各种平台上红外光学传感器的几何和光谱分辨率能力都与其红外辐射的准确测量能力直接相关。有效的红外辐射测量要保证测量的准确性和在不同条件下的一致性，即红外辐射测量仪器相对于标准辐射源或者标准探测器在量值、空间、光谱和时间变化上的响应一致性。红外辐射定标就是客观评价红外光谱测量仪器及有关器件的重要途径，是红外遥感信息定量化的关键技术之一，具有广泛的应用前景。
1960年，英国国家物理实验室(NPL)率先开展了高精度红外辐射定标技术的研究。目前，英国、美国、荷兰、加拿大等国已经成功的利用基于绝对低温辐射计的定标技术建立了波长直至20μm的高精度红外辐射测量标准，它比以往的基于辐射源的红外辐射测量标准在不确定度上有了很大的提高，其中以美国国家标准技术研究院(NIST)的水平为最高。
目前，我国已经成功掌握了可见光—近红外基于绝对低温辐射计的定标技术，测量的不确定度达到了国际一流水平。但在中远红外的辐射定标则溯源于辐射源，即需要准确测量辐射源的温度，其测温联合标准不确定度(k＝2)仅为0.1K，而且所用红外黑体空腔的有效发射率仅优于0.99，与国外发达国家相比有一定的差距。溯源于绝对低温辐射计的高精度锥形腔水浴黑体源为一种用于红外辐射定标的常温黑体。目前，常温黑体在国外已形成定型产品被推广使用，在国内也有少数几家科研院所研制过，但由于加热元件的温控精度和温场均匀性以及空腔有效发射率的限制，在定量化红外遥感应用中存在着一定的局限性。
对于现代红外遥感应用的定量化需求越来越高的要求，现有的一些基于温度测量标准的红外黑体在温控精度、有效发射率以及亮度测量的标准不确定度等方面已显得相对不足。
发明内容
为了提高星上光学传感器的定标校准精度，满足现代定量化红外遥感的需求，本发明提出了一种溯源于绝对低温辐射计的高精度锥形腔水浴黑体源，并给出了其利用绝对低温辐射计进行标定的方法。
本发明的技术方案如下：
溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源，包括有圆锥形腔，恒温水浴槽，其特征在于圆锥形腔的前端连接有一圆柱形腔，圆锥形腔的锥角为36度，锥形腔与圆柱形腔的内壁为黑色。
锥形腔与圆柱形腔的内壁为一层厚度约为0.01厘米的黑色消光涂料或黑色釉漆。
圆柱形腔与水浴槽之间是采用聚四氟乙烯密封垫片进行密封连接，由圆锥形腔与和圆柱形腔之间通过螺纹连接，并用防水胶粘接密封。
溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源的标定方法，其特征在于将可见光与红外光激光器，红外功率标准传递探测器与绝对低温辐射计，设置在由光纤耦合器、准直器和偏振器、激光功率控制器、空间滤波器组成的光路中，可见光与红外光激光器发出的激光束均可以切入光纤耦合器；先用可见光激光器发出激光束经光纤耦合器进入光路，对光路进行调整；然后，将红外激光器发出激光束切入光路，经过偏振器得到垂直偏振、平行的光束，通过激光功率控制器调节入射激光功率，并将功率起伏稳定在允许的范围内，激光功率控制器工作时要求入射激光为垂直偏振的线偏振光，为了消除激光束高阶模式对测量精度的影响，采用了空间滤波器保证只有良好的基模光束进入绝对低温辐射计的高吸收率接收腔，绝对低温辐射计测量激光的绝对功率后，将红外功率标准传递探测器切入光路，测量其输出电压，每个波长的激光功率均在低温辐射计允许的25μW-250μW范围内以25μW为间隔进行测量；红外功率标准传递探测器便可以完成基于绝对低温辐射计的红外光功率标准传递，从而将功率标准溯源于绝对低温辐射计；另外，根据辐亮度定义式，辐亮度与光辐射功率之间仅相差用于限制立体角和通光面积的几何因子，这样在精确测定了立体角和通光面积后，就可以根据辐亮度定义式由光辐射功率推出辐亮度，实现功率标准传递探测器到辐亮度标准传递探测器的转换；这样，通过设置一个新光路，即在红外功率标准传递探测器前增加精密光阑和滤光片，即可制成溯源于绝对低温辐射计的红外标准辐亮度计，由于水浴黑体的发射率是根据构成黑体的材料和几何因子通过计算得知的，精度很高，这样，水浴黑体的辐亮度分布仅由温度决定。传统光学计量中黑体的使用都是通过测量其温度来得到黑体的辐亮度分布值。由于实际操作中黑体温度很难控制，而且黑体面源温度分布具有一定的非均匀性，因此本发明提出利用溯源于绝对低温辐射计的红外标准辐亮度计，在真空低温背景下，对锥形腔水浴黑体源的红外辐亮度直接进行标定，使其不依赖于温度的准确测量而溯源于绝对低温辐射计，从而具有国际公认的最高精度。
高精度锥形腔水浴黑体主要是由E225型高精度加热恒温浴槽以及研发的圆柱形+锥形黑体腔所组成的。E225型高精度加热恒温浴槽已经通过国家技术监督局计量司的进口计量器型式鉴定，其温控精度优于0.01K，温控范围为室温～100℃。根据维恩位移定律和普朗克公式，在此温度下的黑体可对响应波段在8～14μm之间的红外光谱计量仪器进行标定。整个黑体腔是由铝材料(LY12)制造的，厚度为2毫米。腔体的外表面镀上了防氧化层，内表面则涂上厚度为0.01厘米的红外黑体消光涂料。通过这些技术手段，提高了腔体的热均匀性，降低了腔壁上的热阻，并且有效迟滞了腔体表面的氧化。
黑体腔与恒温浴槽之间是利用了聚四氟乙烯密封垫片进行密封的，它与其它密封材料相比具有耐化学腐蚀与耐高温的优良特性。
圆柱形腔尺寸根据传感器标定时的应用需求来决定，无特殊要求。锥形腔的锥角度为36度主要是为了可以精确的计算腔体的发射率，因黑体发射率是一个重要指标。
高精度锥形腔水浴黑体源在使用之前需要进行标定。为此，本发明提出了利用溯源于绝对低温辐射计的红外辐亮度标准探测器的来标定锥形腔水浴黑体源光谱辐亮度的方法。
为了消除背景环境对水浴黑体标定精度的影响，高精度水浴黑体源辐亮度应当在真空10-4Pa(10-6Torr)，温度77K的背景下使用基于功率标准传递探测器的红外辐亮度标准探测器进行标定，这就提供了同遥感飞行器上相似的低温真空背景。
经过实验，在四个温度点上(333K、343K、353K、363K)运用全辐射亮度比较法对黑体发射率进行了测量，测得的在各个温度点下溯源于绝对低温辐射计的高精度锥形腔水浴黑体源同发射率为0.95的国产电加热式常温黑体亮度比对。测试表明，高精度水浴黑体的发射率明显优于0.95。
发明效果
该溯源于绝对低温辐射计的高精度锥形腔水浴黑体源可对星载中远红外传感器进行高精度实验室标定，其有效发射率的理论计算值高达0.998，测温联合标准不确定度为0.015K。
附图说明
图1为本发明黑体源结构示意图。
图2为本发明基于绝对低温辐射计的红外光功率标准传递工作原理示意图。
图3利用本发明实现星载红外传感器高精度定标的示意图。
具体实施方式
溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源，包括有圆锥形腔1，恒温水浴槽3，其特征在于圆锥形腔1的前端连接有一圆柱形腔2，圆锥形腔1的锥角为36度，圆锥形腔1与圆柱形腔2的内壁为黑色，涂有黑色釉漆或黑色消光涂料。圆柱形腔2与水浴槽3之间是采用聚四氟乙烯密封垫片进行密封连接，圆锥形腔1与和圆柱形腔2之间通过螺纹连接，并用防水胶粘接密封。
图3是一具体利用本发明实现星载红外传感器高精度定标的示例，水浴黑体源的辐射经过一系列光学系统后，会聚于星载红外传感器光敏面，从而对传感器实现高精度辐射定标。其中，斩波器的调制频率由待定标红外传感器的频响特性而决定。整个定标系统需置于温度为77K的液氮制冷低温仓中，以消除背景辐射。
Claims (4)
1、溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源，包括有圆锥形腔，恒温水浴槽，其特征在于圆锥形腔的前端连接有一圆柱形腔，圆锥形腔的锥角为36度，锥形腔与圆柱形腔的内壁为黑色。
2、根据权利要求1所述的溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源，其特征在于锥形腔与圆柱形腔的内壁为一层厚度约为0.01厘米的黑色消光涂料或黑色釉漆。
3、根据权利要求1所述的溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源，其特征在于圆柱形腔与恒温水浴槽之间是采用聚四氟乙烯密封垫片进行密封连接，圆锥形腔与圆柱形腔之间通过螺纹连接，并用防水胶粘接密封。
4、溯源于绝对低温辐射计的锥形腔水浴黑体源的标定方法，其特征在于将可见光与红外光激光器，红外功率标准传递探测器与绝对低温辐射计，设置在由光纤耦合器、准直器和偏振器、激光功率控制器、空间滤波器组成的光路中，可见光与红外光激光器发出的激光束均可以切入光纤耦合器；先用可见光激光器发出激光束经光纤耦合器进入光路，对光路进行调整；然后，将红外光激光器发出激光束切入光路，经过偏振器得到垂直偏振、平行的光束，通过激光功率控制器调节入射激光功率，并将功率起伏稳定在允许的范围内，激光功率控制器工作时要求入射激光为垂直偏振的线偏振光，为了消除激光束高阶模式对测量精度的影响，采用了空间滤波器保证只有良好的基模光束进人绝对低温辐射计的高吸收率接收腔，绝对低温辐射计测量激光的绝对功率后，将红外功率标准传递探测器切入光路，测量其输出电压，每个波长的激光功率均在绝对低温辐射计允许的25μW～250μW范围内以25μW为间隔进行测量；红外功率标准传递探测器便可以完成基于绝对低温辐射计的红外光功率标准传递，从而将功率标准溯源于绝对低温辐射计；另外，根据辐亮度定义式，辐亮度与光辐射功率之间仅相差于限制立体角和通光面积的几何因子，这样在精确测定了立体角和通光面积后，就可以根据辐亮度定义式由光辐射功率推出辐亮度，实现红外功率标准传递探测器到红外辐亮度标准传递探测器的转换；这样，通过设置一个新光路，即在红外功率标准传递探测器前增加精密光阑和滤光片，即可制成溯源于绝对低温辐射计的红外标准辐亮度计，实现在真空低温背景下，对锥形腔水浴黑体源的红外辐亮度直接进行标定。
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