CN102155994A - 红外辐射计校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外辐射计校准装置及其校准方法，属红外计量领域。该装置由红外标准辐射源、红外光学准直系统和多个标准探测器及计算机组成，红外光学准直系统采用平面反射镜和离轴抛物面反射镜构成。红外标准辐射源发射的红外辐射直接或通过红外光学准直系统准直后由被校红外辐射或标准探测器计接收并相应获得被校红外辐射计或标准探测器的测量电压，遮挡红外标准辐射源，使被校红外辐射计或标准探测器直接或通过红外光学准直系统接收背景辐射并相应获得被校红外辐射计或标准探测器的背景电压，进而计算出红外辐射计的辐照度响应度曲线。本发明不仅解决了大视场红外辐射计的响应度校准问题，而且校准精度高。

Description

红外辐射计校准装置及其校准方法

技术领域

本发明属于红外光学计量领域，涉及一种对红外辐射计的辐照度响应度进行校准的装置及其校准方法。

背景技术

红外辐射计的校准主要是针对红外辐射计的辐照度响应度进行校准，使用已知辐射量值的红外标准辐射源来校准红外辐射计，获得红外辐射计的输出值(如电压值)与输入辐射量之间的关系，该过程即是对红外辐射计的校准。在其它技术条件相当时，红外辐射计接收到的已知辐射量值越准确，由此得到的校准结果也就越准确。

国外一般采用如下描述的装置来实施对红外辐射计的校准，其方法是：红外辐射源发出的红外辐射经过次镜(平面反射镜)和球面反射镜后，变成一束平行光，相当于一个远距离红外辐射源，通过改变黑体辐射源的温度和光阑的孔径，产生不同的红外辐射量值，将红外辐射计正对该辐射源的输出端，即得到相应的输出，从而达到校准的目的。此装置和相应的校准方法的缺点是：该准直系统造成的像差将导致红外辐射源的展宽，进而影响精确校准；难以对较大视场的红外辐射计进行校准。

国内没有专门的计量机构对红外辐射计进行上述计量，而一般用户在实际使用过程中则是采用将黑体辐射源近距离直接对准红外辐射计进行校准，这样，很难实现黑体辐射源的有效光阑清晰成像于红外辐射计的视场中，从而影响校准的准确度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种校准精度高的红外辐射计校准装置及其校准方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的红外辐射计校准装置包括红外标准辐射源、红外光学准直系统、信号接收系统和计算机，红外标准辐射源包括标准黑体辐射源、调制器和精密光阑，所述红外标准辐射源置于精密转台上，其中，精密光阑带有集成在一个光阑盘上多个孔径不同的光阑片；红外光学准直系统含有平面反射镜和离轴抛物面反射镜，且均由各自对应的四维微调支架置于光学平台上；所述信号接收系统包括具有不同探测范围并溯源至低温辐射计的多个标准探测器，各标准探测器通过相应的可升降底座固定在两维可调平移台上；被校红外辐射计根据测量需要，置于所述红外准直光学系统输出端处的第一测量位置或与可控精密转台正对的第二测量位置；所述标准黑体辐射源发射出的红外辐射照射到所述精密光阑上，来自于被选光阑片的红外光束经所述调制器调制后，由红外光学准直系统准直成平形光进入被校红外辐射计或直接进入被校红外辐射计，标准探测器通过两维可调平移台的移动进入第一测量位置或第二测量位置，并通过红外光学准直系统接收或直接接收来自被选光阑片的红外光束；所述计算机控制所述精密转台的角位移，采集对应标准探测器的输出，根据被校红外辐射计的输出数组计算被校红外辐射计的辐照度响应度曲线R_E并在屏幕上显示。

由上述装置而建立的红外辐射计校准方法是通过以下步骤实现的：

第一步，通过所述计算机设置所述精密光阑的光阑片并记录其孔径值，根据被校红外辐射计的视场角来选择与其匹配的光阑片；

第二步，根据被校红外辐射计的视场角确定接收方式，当被校红外辐射计的视场角大于10mrad时，将被校红外辐射计置于第二测量位置处，通过计算机控制所述精密转台顺时针转动一定角度，使红外标准辐射源的输出端对准被校红外辐射计的输入端，当被校红外辐射计的视场角小于10mrad时，通过计算机控制所述精密转台逆时针转动一定角度，使红外标准辐射源的精密光阑处于红外光学准直系统的焦面上；

第三步，将所述标准黑体辐射源的初始温度设置到50℃，启动被校红外辐射计，使其直接接收来自红外标准辐射源或者通过红外光学准直系统准直后的红外辐射，得到被校红外辐射计的测量电压V_s并记录该值，然后，遮挡红外标准辐射源的输出，使被校红外辐射计接收背景辐射，得到对应的背景电压V_bg并记录该值；

第四步，移开被校红外辐射计，控制所述两维可调平移台移动，将所选择的对应标准探测器于上一步被校红外辐射计所在的位置，打开对应标准探测器的开关，以使对应标准探测器直接接收红外标准辐射源的红外辐射或经红外光学准直系统准直后的红外辐射，然后，遮挡红外标准辐射源的输出，使对应标准探测器接收背景辐射，通过计算机相继采集对应标准探测器输出的测量电压V_dm和背景电压V_dbg；

第五步，将所述标准黑体辐射源的温度按照一个固定温差进行升温，并循环第三至第四步骤，直到被校红外辐射计饱和为止；

第六步，将被校红外辐射计获得的测量电压V_s数组和背景电压V_bg数组、被校红外辐射计的波长值输入到计算机中，同时调用对应标准探测器的测量电压V_dm数组和背景电压V_dbg数组以及计算机存储器中存放的相关已知参数，并根据辐照度响应度公式计算出被校红外辐射计在第一测量位置或第二测量位置的辐照度响应度曲线R_E并在计算机屏幕上显示。

本发明的整体技术效果体现在以下两方面。

(一)本发明采用了由平面反射镜和离轴抛物面反射镜构成的红外光学准直系统，实现了对视场角小于10mrad红外辐射计的辐射度响应度的校准，克服了现有技术中由球面准直系统像差导致的红外辐射源展宽问题；此外，根据被校红外辐射计的视场角选取不同的测量位置，同样可以对视场大于10mrad的红外辐射计进行校正。

(二)本发明通过溯源至低温辐射计的一组标准探测器测量标准红外辐射源发射出的红外辐射和背景辐射，用其测量值选择溯源电压-辐照度曲线上的修正值对被校红外辐射计的响应度进行修正，从而大大提高了本发明对红外辐射计的校准精度。

附图说明

图1是本发明红外辐射计校准装置的组成示意图。

图2是本发明所用调制器中斩波片的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步揭示本发明，下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明红外辐射计校准装置优选实施例包括红外标准辐射源、红外光学准直系统和信号接收系统。红外标准辐射源包括标准黑体辐射源6、调制器3和精密光阑4，三者按照一般光源组装方式组装好后置于一个精密转台5上。标准黑体辐射源6的温度由室温到1000℃连续可调，精密光阑4为一系列分立的光阑片安装在光阑盘上，调制器3配置的斩波片如图2所示，其占空比为1∶1，测试时，斩波片在电机的带动下旋转，形成500Hz的调制频率。红外光学准直系统则是由平面反射镜2、离轴抛物面反射镜1和带有光入射孔和出射孔的壳体15组成，平面反射镜2和离轴抛物面反射镜1的反射表面均镀高反射膜，所构成的离轴光学系统焦距为2000mm，离轴量为220mm，可提供的光束输出口径为Φ200mm。平面反射镜2和离轴抛物面反射镜1均由各自对应的四维微调支架置于光学平台13上，壳体15罩在整个离轴光学系统的外部，壳体15的光入射孔正对红外标准辐射源，且精密光阑4的光阑片处于离轴光学系统的物方焦面上。信号接收系统包括具有不同探测范围的多个标准探测器，本优选实施例中的探测器有硫化铅探测器8、锑化铟探测器9和碲镉汞探测器10，所对应的光谱范围分别为1μm～3μm、3μm～5μm和8μm～12μm。三个标准探测器通过相应的可升降底座固定在两维可调平移台7上，并均溯源至低温辐射计。被校红外辐射计可根据测量需要分别置于红外准直光学系统输出端处的第一测量位置11或与可控精密转台5正对的第二测量位置12，第一、第二测量位置11、12的连线与光学准直系统的光轴垂直。标准探测器在两维可调平移台7的带动下可使相应探测范围的标准探测器移置第一测量位置11或第二测量位置12。计算机14对精密转台5的角位移进行控制，采集对应标准探测器的一组输出，根据被校红外辐射计的一组输出值计算被校红外辐射计的辐照度响应度曲线RE。

由上述装置而建立的红外辐射计校准方法是通过以下步骤实现的：

第一步，通过计算机14设置精密光阑4的光阑片并记录其孔径值，根据被校红外辐射计的视场角来选择与其匹配的光阑片，选择原则是，所选光阑片的孔径能够使标准红外辐射源的红外辐射到达被校红外辐射计时完全充满其视场即可。

第二步，根据被校红外辐射计的视场角确定接收方式，当被校红外辐射计的视场角大于10mrad时，采用“近距离小源法”对其响应度进行校准，即校准时，将被校红外辐射计置于第二测量位置12处，通过计算机控制精密转台5顺时针转动一定角度，使标准红外辐射源的输出端对准被校红外辐射计的输入端。当被校红外辐射计的视场角小于10mrad时，采用“远距离小源法”对其响应度进行校准，通过计算机控制精密转台5逆时针转动一定角度，使标准红外辐射源的精密光阑4处于红外光学准直系统的焦面上，标准红外辐射源的红外辐射通过红外光学准直系统准直后照射到被校红外辐射计的输入端。

第三步，将所述标准黑体辐射源6的初始温度设置到50℃，启动被校红外辐射计，使其接收来自标准红外辐射源或者通过红外光学准直系统准直后的红外辐射，得到被校红外辐射计的测量电压V_s并记录该值，然后，遮挡标准红外辐射源的输出，使被校红外辐射计接收背景辐射，得到对应的背景电压V_bg并记录该值。

第四步，移开被校红外辐射计，控制两维可调平移台7移动，将所选择的对应标准探测器8或9或10置于上一步被校红外辐射计所在的位置，打开对应探测器的开关，以使对应标准探测器8或9或10直接接收标准红外辐射源的红外辐射或经红外光学准直系统准直后的红外辐射，然后，遮挡标准红外辐射源的输出，使对应标准探测器8或9或10接收背景辐射，通过计算机14采集对应标准探测器8或9或10输出的测量电压V_dm和背景电压V_dbg。

第五步，将标准黑体辐射源6的温度按照一个固定温差进行升温，并循环第三至第四步骤，直到被校红外辐射计饱和为止。本优选实施例中，标准黑体辐射源6的最高温度为1000℃。

第六步，将被校红外辐射计获得的测量电压V_s数组和背景电压V_bg数组、被校红外辐射计的波长值输入到计算机14中，同时调用对应标准探测器8或9或10的测量电压V_dm数组和背景电压V_dbg数组以及计算机14存储器中存放的相关已知参数，并根据以下第一个或第二个计算公式对应计算出被校红外辐射计在第一测量位置11或第二测量位置12的辐照度响应度曲线即R_E数组并在计算机屏幕上显示。

$R_E=[(V_{\mathrm{dm}}-V_{\mathrm{dbg}})/V_{\mathrm{ds}}]\{(V_s-V_{\mathrm{bg}})/[\mathrm{\ϵ}{C}_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{C_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ρ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ρ}}_2\left(\mathrm{\λ}\right)A_s{\left(\mathrm{\π}{f}^2\right)}^{-1}\left]\right\}$

$R_E=[(V_{\mathrm{dm}}-V_{\mathrm{dbg}})/V_{\mathrm{ds}}]\{(V_s-V_{\mathrm{bg}})/[\mathrm{\ϵ}{C}_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{C_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)A_s{\left(\mathrm{\π}{L}^2\right)}^{-1}\left]\right\}$

式中，ε为标准黑体辐射源的发射率；C₁、C₂分别为第一、第二辐射常数，其数值分别为3.741844×10^-12W/cm²和1.438833W/cm²，λ为被校红外辐射计的波长，T为标准黑体辐射源有效辐射面的温度，τ(λ)为大气透射比，As为所选光阑片孔径值对应的面积，L为对应标准探测器或被校红外辐射计到精密光阑的距离，ρ₁(λ)和ρ₂(λ)分别为平面反射镜和离轴抛物面反射镜的光谱反射率，f为红外光学准直系统的焦距；V_ds是对应标准探测器溯源至低温辐射计得到的电压-光谱辐照度曲线上电压值，且该值与被校红外辐射计的辐照度量值相对应。上述参量均为已知量并事先存入在计算机的存储器中。

Claims (3)

1.一种红外辐射计校准装置，包括红外标准辐射源、红外光学准直系统，红外标准辐射源包括标准黑体辐射源(6)、调制器(3)和精密光阑(4)，其特征在于：还包括信号接收系统和计算机(14)，所述红外标准辐射源置于精密转台(5)上，其中，精密光阑(4)带有集成在一个光阑盘上多个孔径不同的光阑片；红外光学准直系统含有平面反射镜(2)和离轴抛物面反射镜(1)，且均由各自对应的四维微调支架置于光学平台(13)上；所述信号接收系统包括具有不同探测范围并溯源至低温辐射计的多个标准探测器(8或9或10)，各标准探测器通过相应的可升降底座固定在两维可调平移台(7)上；被校红外辐射计根据测量需要，置于所述红外准直光学系统输出端处的第一测量位置(11)或与可控精密转台(5)正对的第二测量位置(12)；所述标准黑体辐射源(6)发射出的红外辐射照射到所述精密光阑(4)上，来自于被选光阑片的红外光束经所述调制器(3)调制后，由红外光学准直系统准直成平形光进入被校红外辐射计或直接进入被校红外辐射计，标准探测器(8或9或10)通过两维可调平移台(7)的移动进入第一测量位置(11)或第二测量位置(12)，并通过红外光学准直系统接收或直接接收来自被选光阑片的红外光束；所述计算机(14)控制所述精密转台(5)的角位移，采集对应标准探测器(8或9或10)的输出，根据被校红外辐射计的输出数组计算被校红外辐射计的辐照度响应度曲线RE并在屏幕上显示。

2.根据权利要求1所述的红外辐射计校准装置，其特征在于：所述标准黑体辐射源(6)温度由室温到1000℃连续可调；所述红外光学准直系统的焦距为2000mm，离轴量为220mm，光束输出口径为Φ200mm，所述标准探测器包括硫化铅探测器(8)、锑化铟探测器(9)和碲镉汞探测器(10)。

3.一种使用权利要求1或2所述的红外辐射计校准装置的红外辐射计校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，通过所述计算机(14)设置所述精密光阑(4)的光阑片并记录其孔径值，根据被校红外辐射计的视场角来选择与其匹配的光阑片；

第二步，根据被校红外辐射计的视场角确定接收方式，当被校红外辐射计的视场角大于10mrad时，将被校红外辐射计置于第二测量位置(12)处，通过计算机(14)控制所述精密转台(5)顺时针转动一定角度，使红外标准辐射源的输出端对准被校红外辐射计的输入端，当被校红外辐射计的视场角小于10mrad时，通过计算机(14)控制所述精密转台(5)逆时针转动一定角度，使红外标准辐射源的精密光阑(4)处于红外光学准直系统的焦面上；

第三步，将所述标准黑体辐射源(6)的初始温度设置到50℃，启动被校红外辐射计，使其直接接收来自红外标准辐射源或者通过红外光学准直系统准直后的红外辐射，得到被校红外辐射计的测量电压V_s并记录该值，然后，遮挡红外标准辐射源的输出，使被校红外辐射计接收背景辐射，得到对应的背景电压V_bg并记录该值；

第四步，移开被校红外辐射计，控制所述两维可调平移台(7)移动，将所选择的对应标准探测器(8或9或10)置于上一步被校红外辐射计所在的位置，打开对应标准探测器(8或9或10)的开关，以使其直接接收红外标准辐射源的红外辐射或经红外光学准直系统准直后的红外辐射，然后，遮挡所述红外标准辐射源的输出，使对应标准探测器(8或9或10)接收背景辐射，通过计算机14相继采集对应标准探测器((8或9或10)输出的测量电压V_dm和背景电压V_dbg；

第五步，将所述标准黑体辐射源(6)的温度按照一个固定温差进行升温，并循环第三至第四步骤，直到被校红外辐射计饱和为止；

第六步，将被校红外辐射计获得的测量电压V_s数组和背景电压V_bg数组、被校红外辐射计的波长值输入到计算机(14)中，同时调用对应标准探测器(8或9或10)的测量电压V_dm数组和背景电压V_dbg数组以及计算机(14)中存储器存放的相关已知参数，并根据辐照度响应度公式计算出被校红外辐射计在第一测量位置(11)或第二测量位置(12)的辐照度响应度曲线R_E并在计算机14的屏幕上显示。

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