CN103743489A - 基于标准面源黑体的红外辐射计标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标准面源黑体的红外辐射计比例常数标定方法，属于红外光学辐射领域。该标定方法针对目前红外辐射计斩波器喷涂高发射率黑漆和带有四个温度探头的特点，在斩波器温度与内置控温参考黑体温度相等时采集信号，避免斩波器的附加辐射进入探测器，此外，还要求在采集信号时，环境温度、壳体内部温度与斩波器温度相等，使得环境、壳体与斩波器之间的辐射动态平衡，这样就可以消除斩波器、壳体内部以及环境等附加辐射的影响。另外，该标定方法还在常用环境温度范围内进行了多个温度点的标定，弥补了传统方法中以一个温度点标定而代替多个温度点进行标定的以点带面的不足之处。与传统方法相比，这种红外辐射计比例常数标定方法的精度更高。

Description

基于标准面源黑体的红外辐射计标定方法

技术领域

本发明属于红外辐射领域，主要涉及一种红外辐射计的标定方法，尤其涉及一种用标准面源黑体标定红外辐射计的方法。

背景技术

一般红外辐射计包含：两个光轴互相平行且视场相等的望远红外光学组件和可见光CCD瞄准组件、斩波器、内置控温参考黑体、探测器、信号处理及内置控温参考黑体温度控制电路、三维调节机构，以及精密测温仪。三维调节机构可以带动红外辐射计方位移动、俯仰移动和高低移动。精密测温仪上有用于测量内置控温参考黑体温度的测温探头。当红外辐射计安装完成准备首次投入使用时，需要用标定装置对红外辐射计的比例常数进行标定。标定装置通常包含：带中心十字的标准面源黑体，测量平台，及含有标定软件的计算机。

当对红外辐射计进行标定时，把红外辐射计和标准面源黑体放到一个台面上，红外辐射计距离标准面源黑体5cm至10cm；把可见光CCD瞄准组件的输出端连接到计算机；把精密测温仪的输出端连接到计算机；把红外辐射计的输出端连接到计算机；打开标准面源黑体电源，打开计算机电源，打开红外辐射计电源；观察计算机显示器上CCD瞄准组件对标准面源黑体所成的像，调整红外辐射计的三维调节机构，直至CCD瞄准组件的内置瞄准十字对准标准面源黑体的中心十字线；再微调红外辐射计与标准面源黑体的间距，使标准面源黑体的像充满计算机显示器；计算机采集红外辐射计内精密测温仪测量到的内置控温参考黑体温度并存储；计算机采集红外辐射计的输出电压值V并存储；然后，计算机按照下列公式计算红外辐射计的标定比例常数K，由此实现红外辐射计比例常数的标定。

$K=V/\{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{STBB}}\×[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{STBB}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{IBB}})\left]\mathrm{d\λ}\right\}$

其中： $M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{STBB}})={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{STBB}}}-1}\mathrm{d\λ};$

$M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{IBB}})={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{IBB}}}-1}\mathrm{d\λ}.$

式中：M(λ，T_STBB)为标准面源黑体的光谱辐射出射度；M(λ，T_IBB)为内置控温参考黑体的光谱辐射出射度；c₁为第一辐射常数，该参数取值（3.741774±0.0000022）×10^-16W·m²；c₂为第二辐射常数，该参数取值（1.4387869±0.00000012）×10^-16W·m²；e为自然对数体系中的底数；λ₁为红外辐射计测量光谱的下限；λ₂为红外辐射计测量光谱的上限；ε_STBB为标准面源黑体的发射率;T_STBB为标准面源黑体温度；T_IBB为内置控温参考黑体温度。

然而，这种标定方法是把温度值代入普朗克辐射出射度公式，直接计算内置控温参考黑体进入探测器的辐射功率，其实内置控温参考黑体的辐射功率是经过斩波器反射以后才进入探测器的，因此斩波器也会吸收参考黑体的部分辐射功率，而且斩波器自身进入探测器的辐射功率也被忽略了，这两个环节最终导致了标定比例常数的精度不高。另外这种标定方法只在一个环境温度点下进行标定，没有在多个环境温度点进行标定，因此在不同环境温度下使用时，用一个温度点的比例常数代替其他不同温度点的比例常数，也会带来一定的误差。

随着技术的发展，红外辐射计也有了新的发展。为了提高红外辐射计的测试精度，目前的红外辐射计在传统红外辐射计的基础上有了改进：其中斩波器喷涂高发射率黑漆；精密测温仪上带有四个测温探头，分别测量环境温度、斩波器温度、内置控温参考黑体温度、壳体内部温度。但是，传统红外辐射计的标定方法并不适用这种改进后的红外辐射计的标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，为改进后的红外辐射计提供一种基于标准面源黑体的红外辐射计标定方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的红外辐射计标定方法包括以下步骤：

第一步、把红外辐射计和标准面源黑体按5cm至10cm的间距放到精密光学平台上，把红外辐射计的输出端、精密测温仪和可见光CCD瞄准组件均与计算机相连；打开标准面源黑体、计算机和红外辐射计各自的电源；调整红外辐射计的三维调节机构，直至CCD瞄准组件的内置十字对准标准面源黑体的中心十字线；再微调红外辐射计与标准面源黑体的间距，使标准面源黑体的像充满计算机显示器；在计算机的界面上输入相关已知参数；

第二步、当环境温度达到设定标定温度T_EN且标准面源黑体的温度达到设定温度T_STBB并稳定后，控制所述计算机的数据采集卡连续采集所述精密测温仪四个温度探头的测量值，即环境温度T_EN、斩波器温度T_CH、内置控温参考黑体温度T_IBB、红外辐射计内部壳体温度TIN，并显示在计算机的显示器上；

第三步、当环境、斩波器、内置控温参考黑体和红外辐射计内部壳体温度相等即T_EN=T_CH=T_IBB=T_IN时，将上述温度值缓存在计算机的存储器中并控制所述计算机的数据采集卡停止采集温度数据；控制所述计算机的采集卡采集红外辐射计当前输出的一个电压值V，将该电压值V存储在计算机的存储器中并显示在计算机的显示器上；

第四步、控制所述计算机按照以下公式计算红外辐射计在环境温度T_EN时的比例常数K：

$K=V/\{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{STBB}}\×[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{STBB}}}-1}\mathrm{d\λ}-{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{EN}}}-1}\mathrm{d\λ}\left]\mathrm{d\λ}\right\}$

其中：c₁为第一辐射常数；c₂为第二辐射常数；e为自然对数体系中的底数；λ₁为红外辐射计测量光谱的下限；λ₂为红外辐射计测量光谱的上限；ε_STBB为标准面源黑体的发射率；上述参数均为已知参数；

第五步、控制所述计算机存储此环境温度T_EN时的比例常数K；

第六步、设置不同的环境温度，重复第一步至第五步，直到所需要标定的温度范围值全部标定完为止；

第七步、控制所述计算机将所需要的标定温度范围值内的所有比例常数K与各环境温度T_EN之间的关系以表格形式输出并送给打印机。

本发明结合红外辐射计斩波器喷涂高发射率黑漆而使其发射率接近于1并在斩波器温度与内置控温参考黑体温度相等时斩波器吸收内置控温参考黑体的辐射又能等量辐射出去的特点，将信号采样条件设置在斩波器温度等于内置控温参考黑体温度，同时，又利用斩波器与壳体内部温度及环境温度相等时斩波器与壳体内部及环境之间的辐射达到动态平衡的特点，因而将环境温度与壳体内部温度与斩波器温度相等也作为标定时采样信号的条件，用这种条件下所得到的采样信号计算标定比例常数，就可以消除斩波器、壳体内部以及环境等附加辐射的影响，使得计算获得的比例常数更接近红外辐射计的实际情况。此外，该标定方法还在常用环境温度范围内进行了11个温度点的标定，弥补了传统方法中以一个温度点标定而代替多个温度点进行标定的以点带面的不足之处。

附图说明

图1是本发明标定方法中被标定红外辐射计与标定设备的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明针对的红外辐射计包含：两个光轴互相平行且视场大小相等的望远红外光学组件1-1和可见光CCD瞄准组件1-2，电机驱动的斩波器1-3，内置控温参考黑体1-4，探测器1-5，信号处理及内置控温参考黑体温度控制电路1-6，放置在红外辐射计外部的精密测温仪1-7，以及精密测温仪上携带的测量环境温度的测温探头1-7-1、测量斩波器温度的测温探头1-7-2、测量内置控温参考黑体温度的测温探头1-7-3、测量壳体内部温度的测温探头1-7-4，红外辐射计壳体1-8的底板固定在方位—俯仰—高低三维调节机构1-9上。喷涂高发射率黑漆的斩波器1-3与望远红外光学组件1-1的光轴成45°角，内置控温参考黑体的辐射面与望远红外光学组件1-1的光轴平行，处于斩波器1-3的下方。

正如图1所示，本发明标定方法所用的标定设备包括精密光学平台2、标准面源黑体3、带有数据采集卡4的计算机5。标准面源黑体3工作温度在5℃～100℃。计算机5安装有红外辐射计比例常数标定软件包，红外辐射计比例常数标定软件包含有：界面模块、计算模块、温控模块、采集模块，其中界面模块包括：红外辐射计参数设置栏、温度采集按钮、电压采集按钮、存储按钮、停止按钮、计算按钮、温度值显示区、电压值显示区、输出按钮。

基于标准面元黑体的红外辐射计比例常数标定方法包括以下步骤：

第一步、把红外辐射计和标准面源黑体3放到精密光学平台2上，红外辐射计距离标准面源黑体5cm至10cm，把精密测温仪的输出端连接到计算机5的数据采集卡4；打开标准面源黑体电源，打开计算机电源，打开红外辐射计电源；把可见光CCD瞄准组件1-2的输出端连接到计算机5的数据采集卡4，观察计算机显示器上CCD瞄准组件1-2对标准面源黑体3所成的像，调整红外辐射计的三维调节机构1-9，直至CCD瞄准组件1-2的内置瞄准十字对准标准面源黑体3的中心十字线；再微调红外辐射计与标准面源黑体3的间距，使标准面源黑体3的像充满计算机5的显示器；连接红外辐射计的输出端与计算机的数据采集卡；在计算机界面的红外辐射计参数设置栏输入以下参数：红外辐射计的名称和型号，红外辐射计光谱波段的上限和下限，标准面源黑体的发射率和工作温度；在红外辐射计上输入内置控温参考黑体温度T_IBB等于环境温度T_EN。

第二步、当环境温度达到设定标定温度T_EN时，且标准面源黑体3的温度达到设定温度T_STBB且稳定后，点击计算机界面的温度采集按钮，数据采集卡4连续采集红外辐射计的精密测温仪1-7的环境温度探头1-7-1、斩波器温度探头1-7-2、内置控温参考黑体温度探头1-7-3和红外辐射计内部壳体温度探头1-7-4分别测量的温度值，即环境温度T_EN、斩波器温度T_CH、内置控温参考黑体温度T_IBB和红外辐射计内部壳体温度TIN，并在计算机温度值显示区显示这四个温度值，在本优选实施例中，标准面源黑体3的温度设定为40℃。

第三步、操作人员观察计算机5的显示器，当T_EN=T_CH=T_IBB=T_IN时，点击计算机界面的存储按钮，将上述温度值缓存在计算机存储器中，点击计算机界面中的停止按钮；点击计算机界面中电压采集按钮，采集卡4采集红外辐射计当前输出的一个电压值V，并在显示区显示，点击存储按钮，存储红外辐射计此时输出的电压值V。

第四步、点击计算机界面中的计算按钮，计算机按照以下公式计算出红外辐射计的比例常数K，

$K=V/\{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{STBB}}\×[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{STBB}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{IBB}})\left]\mathrm{d\λ}\right\}$

其中： $M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{STBB}})={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{STBB}}}-1}\mathrm{d\λ};$

$M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{EN}})={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{EN}}}-1}\mathrm{d\λ};$

式中：c₁为第一辐射常数，该参数取值（3.741774±0.0000022）×10^-16W·m²；c₂为第二辐射常数，该参数取值（1.4387869±0.00000012）×10^-16W·m²；e=2.7183,为自然对数体系中的底数；V为红外辐射计输出的电压值；K为红外辐射计在环境温度T_EN时的比例常数；λ₁为红外辐射计测量光谱的下限；λ₂为红外辐射计测量光谱的上限；ε_STBB为标准面源黑体的发射率；M(λ，T_STBB)为标准面源黑体的光谱辐射出射度；M(λ，T_EN)为环境光谱辐射出射度；T_EN为环境温度；T_STBB为标准面源黑体温度；

第五步、点击计算机界面中的存储按钮，存储此温度T_EN时的比例常数K；此时完成了环境温度T_EN下的比例常数标定。

第六步、设置不同的环境温度，重复第一步至第五步，直到所需要的标定温度范围值全部标定完为止；在本实施例中，环境温度范围从15℃～25℃。

第七步、点击输出按钮，将所需要的标定温度范围值内的所有比例常数K与环境温度T_EN之间的关系以表格形式输出并送给打印机。

Claims (1)

1.一种基于标准面源黑体的红外辐射计标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一步、把红外辐射计和标准面源黑体(3)按5cm至10cm的间距放到精密光学平台(2)上，把红外辐射计的输出端、精密测温仪(1-7)和可见光CCD瞄准组件(1-2)均与计算机(5)相连；打开标准面源黑体(3)、计算机(5)和红外辐射计各自的电源；调整红外辐射计的三维调节机构(1-9)，直至CCD瞄准组件(1-2)的内置十字对准标准面源黑体(3)的中心十字线；再微调红外辐射计与标准面源黑体(3)的间距，使标准面源黑体(3)的像充满计算机(5)的显示器；在计算机(5)的界面上输入相关已知参数；

第二步、当环境温度达到设定标定温度T_EN且标准面源黑体(3)的温度达到设定温度T_STBB并稳定后，控制所述计算机(5)的数据采集卡(4)连续采集所述精密测温仪（1-7)四个温度探头的测量值，即环境温度T_EN、斩波器温度T_CH、内置控温参考黑体温度T_IBB、红外辐射计内部壳体温度TIN，并显示在计算机(5)的显示器上；

第三步、当环境、斩波器、内置控温参考黑体和红外辐射计内部壳体温度相等即T_EN=T_CH=T_IBB=T_IN时，将上述温度值缓存在计算机(5)的存储器中并控制所述计算机(5)的数据采集卡(4)停止采集温度数据；控制所述计算机的采集卡(4)采集红外辐射计当前输出的一个电压值V，将该电压值V存储在计算机(5)的存储器中并显示在计算机(5)的显示器上；

第四步、控制所述计算机(5)按照以下公式计算红外辐射计在环境温度T_EN时的比例常数K：

$K=V/\{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{STBB}}\×[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{STBB}}}-1}\mathrm{d\λ}-{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{EN}}}-1}\mathrm{d\λ}\left]\mathrm{d\λ}\right\}$

其中：c₁为第一辐射常数；c₂为第二辐射常数；e为自然对数体系中的底数；λ₁为红外辐射计测量光谱的下限；λ₂为红外辐射计测量光谱的上限；ε_STBB为标准面源黑体的发射率；上述参数均为已知参数；

第五步、控制所述计算机(5)存储此环境温度T_EN时的比例常数K；

第六步、设置不同的环境温度，重复第一步至第五步，直到所需要标定的温度范围值全部标定完为止；

第七步、控制所述计算机(5)将所需要的标定温度范围值内的所有比例常数K与各环境温度T_EN之间的关系以表格形式输出并送给打印机。

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