CN104833419A - 一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，属于红外光源辐射照度测量技术领域。它为了解决红外辐射照度的测量不确定度高，测量量程窄的问题。入射光依次经过主物镜组、光学机械调制器、一号中继透镜组、滤光片/衰减片组和二号中继透镜组后入射至红外探测器，红外探测器的探测信号依次经前置放大器和量程转换器后进入锁相放大器，光耦及整形电路测量光学机械调制器的调制频率信号，并将该信号作为参考信号发送至锁相放大器，数据采集器对锁相放大器发来的信号进行处理，并控制光学机械调制器的调制频率。本发明的辐射照度测量范围为10^-11W/cm²～10^-4W/cm²，不确定度为2％。适用于对1-3μm准直光源的辐射照度的测量。

Description

一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪

技术领域

本发明涉及红外光源辐射照度测量技术。

技术背景

现代科学技术的迅猛发展，极大地促进了光电对抗技术在军事领域的应用与完善。红外光源的应用越来越广泛，例如机载红外有源干扰机作为一种典型的光电对抗装备在现代多次局部战争与军事冲突中，显示了较好的作战效果。而红外光源是红外有源干扰机的核心部件，其红外辐射强度指标直接影响着整个装备的功效。因此，为确定红外光源的性能指标，对红外光源辐射强度参量测试技术的研究是必要的。

在红外光源测量技术中，红外辐射强度测量不但占有主导地位，而且是探索新型红外光源工作的一种重要手段。任何红外光源的红外辐射特性都是波长、时间、观测方向等许多独立变量的函数，红外辐射强度测量的目的就是为了在辐射源的辐射量与某一个或若干个独立变量之间建立起一定的关系。通常红外辐射强度测量中所用的仪器只能在离开辐射源一定距离上测量投射到其光学孔径上的辐射照度或者探测器所接收的辐射功率，而不能直接给出待测源的辐射特性，但可根据辐射量之间的关系推算出辐射源的辐射强度数值。

在辐射度学中辐射照度概念是为了描述一个物体表面被辐照的程度。其定义为：被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照射处的辐射照度。辐射照度简称为辐照度，用E表示。辐射照度的数值是投射到表面上每单位面积的辐射功率，辐射照度的单位是W/m²。辐射照度是一个重要的参数，其他的辐射量，如辐射通量、辐射强度和辐射亮度等，均可由辐射照度值计算得到。

半导体的红外探测技术是用一定能量的光子激发半导体材料，由其产生的特征发光谱线来分析半导体材料性能的一种光学半导体材料测量方法。由于具有快速、无损和非接触的特点，已成功应用于红外辐射测量中。

近期资料显示准直光源红外辐射照度的性能还处于失检状态，仍然用理论计算值作为依据。红外辐射照度的准确测量是红外辐射能量测试工程上的难题，现有文献资料记载的准直光源红外辐射照度测量的不确定度高达10％左右，且测量范围窄，测量范围仅为10^-9W/cm²-10^-7W/cm²。

发明内容

本发明为了解决现有技术中红外辐射照度测量的不确定度高、测量范围窄的问题，从而提供一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪。

一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，它包括光学系统、电路系统及计算机系统；

所述光学系统包括主物镜组、光学机械调制器、一号中继透镜组、滤光片/衰减片组，二号中继透镜组；

所述计算机系统包括计算机；

所述电路系统包括直流电机与控制及驱动电路、红外探测器、前置放大器、锁相放大器及数据采集器；

所述电路系统还包括量程转换器和光耦及整形电路；

主物镜组将接收到的准直光束聚焦到光学机械调制器，光学机械调制器将光束透射到一号中继透镜组，一号中继透镜组将光束透射到滤光片/衰减片组，滤光片/衰减片组将光束透射到二号中继透镜组，二号中继透镜组将光束会聚到红外探测器的探测面上；

红外探测器的探测面接收该光束，红外探测器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接量程转换器的输入端，量程转换器的输出端连接锁相放大器的信号输入端，锁相放大器的信号输出端连接数据采集器的信号输入端；光耦及整形电路的调制频率信号输入端连接光学机械调制器的调制频率信号信号输出端，光耦及整形电路的调制频率信号输出端连接锁相放大器的参考信号输入端；直流电机与控制及驱动电路的输出端连接光学机械调制器的控制信号输入端，直流电机与控制及驱动电路的输入端连接数据采集器的控制信号输出端；

数据采集器的信号输出端与计算机连接，计算机的控制信号输出端连接滤光片/衰减片组的控制信号输入端。

上述光学机械调制器为镀金反射膜调制器。

上述滤光片/衰减片组含四片衰减片。

上述滤光片/衰减片组的衰减程度可调，每片衰减片的透过率为10％。

上述每片滤光片的透射光谱范围均为1-3μm。

上述红外探测器采用InSb红外探测器，光谱工作区间为1-5.5μm。

上述测量仪还包括液氮制冷设备，该液氮制冷设备用于对红外探测器进行制冷。

上述数据采集器的信号输出端通过USB接口与计算机连接。

光学机械调制器是红外系统信息处理的主要部件，光学机械调制器放置于主物镜组的焦平面上，入射的准直光束通过主物镜组会聚到光学机械调制器，聚焦的光束经由光学机械调制器发散，经由一号中继透镜组形成一个平行光区域，即一号中继透镜组与二号中继透镜组之间的区域，在该区域实现光束的滤光和衰减，二号中继透镜组将光束会聚到探测器的探测面上；探测器将探测到的光信号转变为正弦形式的电信号，并将该电信号依次通过前置放大器和量程转换器后发送至锁相放大器；光耦及整形电路中的光耦对光学机械调制器的调制频率进行测量，光耦及整形电路中的整形电路对测量到的调制频率信号整形后得到方波信号，并将该方波信号送入锁相放大器的参考信号输入端；锁相放大器的输出信号为与入射辐射照度成正比的直流信号，该直流信号为模拟电压信号，数据采集器将接收到的模拟电压信号转换成数字信号，并通过USB接口发送至计算机。直流电机与控制及驱动电路中的直流电机带动光学机械调制器转动，直流电机与控制及驱动电路中的控制及驱动电路控制直流电机按照设定的转数工作。电路系统采用锁相技术，能够有效的减小背景辐射和噪声的影响。计算机控制滤光片/衰减片组的衰减程度；光学系统中的衰减片组和电路系统中的量程转换器共同协调测量范围和信噪比，将以往单纯的入射辐射-响应电压的对应关系改变为入射辐射-衰减片-响应电压三者之间的对应关系，提高了信噪比，从而保证系统在较大量程的基础上仍然能够工作在线性区间。上述光学系统的有效入瞳直径为70mm，焦距为140mm，可实现对准直光源红外1-3μm辐射照度的测量。

本发明所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪能够实现宽量程、高精度测试，辐射照度测量范围为10^-11W/cm²-10^-4W/cm²，不确定度为2％。

附图说明

图1是实施方式一中的光学系统的结构示意图。

图2是实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，它包括：光学系统、电路系统及计算机系统；

所述光学系统包括主物镜组A1、光学机械调制器C、一号中继透镜组A2、滤光片/衰减片组B，二号中继透镜组A3；

所述计算机系统包括计算机；

所述电路系统包括直流电机与控制及驱动电路1、红外探测器2、前置放大器3、锁相放大器6及数据采集器7；

所述电路系统还包括量程转换器4和光耦及整形电路5；

主物镜组A1将接收到的准直光束聚焦到光学机械调制器C，光学机械调制器C将光束透射到一号中继透镜组A2，一号中继透镜组A2将光束透射到滤光片/衰减片组B，滤光片/衰减片组B将光束透射到二号中继透镜组A3，二号中继透镜组将光束会聚到红外探测器2的探测面上；

红外探测器2的探测面接收该光束，红外探测器2的输出端连接前置放大器3的输入端，前置放大器3的输出端连接量程转换器4的输入端，量程转换器4的输出端连接锁相放大器6的信号输入端，锁相放大器6的信号输出端连接数据采集器7的信号输入端；光耦及整形电路5的调制频率信号输入端连接光学机械调制器C的调制频率信号信号输出端，光耦及整形电路5的调制频率信号输出端连接锁相放大器6的参考信号输入端；直流电机与控制及驱动电路1的输出端连接光学机械调制器C的控制信号输入端，直流电机与控制及驱动电路1的输入端连接数据采集器7的控制信号输出端；

数据采集器7的信号输出端与计算机连接，计算机的控制信号输出端连接滤光片/衰减片组B的控制信号输入端。

计算机接收数据，完成信息采集、存储、计算、显示、打印和控制等功能。对接收到的红外辐射能量信号进行分析和计算，并将辐射照度结果保存并发送到显示模块以数字、图表和图形的形式显示出来。

测量仪的红外探测器输出的电压响应与被测入射辐射成正比。测量仪的入射辐射包括被测光源辐射和背景辐射，探测器的电压响应包括目标响应、背景响应和噪声电压。标定与测量时需要去除零点电压V₀：

V₀＝V_b+V_n  (1)

式中，V_b为背景辐射的响应电压，V_n为噪声电压。标定电压V_c可表示为：

V_c＝V_s-V₀＝R_E(λ)E_c(λ)  (2)

式中，Vs为标定时的系统输出电压，R_E(λ)为标定时的光谱辐照度响应度，E_c(λ)为标定时的光谱辐射照度。

由式(2)可得，对红外光源进行辐射照度测量时，标定电压与测量电压之比为：

$\frac{V_c}{V_m}=\frac{V_s-V_0}{V_{s1}-V_{01}}=\frac{R_E\left(\mathrm{\λ}\right)E_c\left(\mathrm{\λ}\right)}{R_{E1}\left(\mathrm{\λ}\right)E_m\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(3\right)$

式中V_m为测量电压，V_s1为测量时的输出电压，V₀₁为测量时的零点电压，E_m(λ)为被测光源的辐射照度，R_E1(λ)为测量时光谱辐照度响应度。

仪器标定设备采用标准准直辐射源，其包括标准黑体、平行光管、制冷光阑和三维调节光学平台等。标准辐射源通常采用标准黑体，由普朗克定律可知，其标准准直辐射源辐射照度可以表示为：

$E_c\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{\τ}}_d{\mathrm{\τ}}_c{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{D_c}{f_c}\right)}^2{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{c}_1{\mathrm{\π}}^{-1}{\mathrm{\λ}}^{-5}{[\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_c)-1]}^{-1}\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

式中τ_c和τ_d分别为标定时平行光管透过率和大气透过率，ε_λ为黑体发射率，D_c为黑体光阑孔径，f_c为平行光管焦距，T_c为黑体温度，λ为波长，c₁、c₂为常数。

标准黑体温度选择100℃-1000℃，以50℃为标准等间隔采样，为保证拟合的准确性，部分区间采用25℃间隔，共41个温度点，使用一级计量标准的精密热电偶对黑体的不同温度进行实时校准。标定中选用D_c＝0mm的实心光阑孔进行零点电压V₀的测量。获得标定数据后，采用最小二乘法等多项式曲线拟合的方式得到拟合函数如式(5)所示。

E(T_is)＝a₀+a₁v_c+a₂v_c ²+a₃v_c ³+…  (5)

式中，E(T_is)是被测光源的辐射照度值；a₀,a₁,a₂,a₃...是标定系数，v_c是测量的电压值。在标定中得到准直辐射源其黑体温度在T_is时光谱1-3μm的辐射照度和标定电压V_c的对应曲线关系。标准黑体采用一级计量标准的热电偶进行温度实时监测，温度精度为±0.5℃；出瞳孔径由V-12型精密轮廓投影仪进行测量，测量精度1μm；标准平行光管由一级计量站进行校准，由于其出瞳口径大于辐射能量校准系统的入瞳口径，且出射光为平行光，所以忽略平行光管的焦距不确定度，仅考虑其透过率的不确定度；系统的电压测量精度仅考虑在相同状态下的电压波动，即短期内系统电压测量的稳定性；受外部环境以及人为因素影响，系统存在标定的复现性误差，采用重复测试的方法进行标定的复现性测量，即系统的长期稳定性。仪器的不确定度为仅为2％，不确定度分析情况如表1所示。

表1 不确定度分析表

不确定度分量	相对标准不确定度(×10-2)
		黑体温度	1
黑体发射率	0.3
		黑体光阑孔径	1
平行光管透过率	0.42
		电压测量精度	0.74
系统标定复现性	0.85
		合成标准不确定度	1.88

实际测量时，计算机对测量电压Vm进行分析、计算，调取对应的标定系数来计算光源在光谱1-3μm的辐射照度Em，计算结果将保存于计算机系统中并发送到显示模块以数字或图表的形式显示出来。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，光学机械调制器C为镀金反射膜调制器。

光学机械调制器C不但具有斩光器的功能，将连续辐射转变成交变辐射，而且还可用作空间滤波器，把被测目标从背景中识别出来，通过光学机械调制器C进行信号调制就可以减小背景辐射的干扰。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，滤光片/衰减片组B含四片衰减片。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，滤光片/衰减片组(B)的衰减程度可调，每片衰减片的透过率为10％。

衰减片组的衰减区间可调，将以往单纯的入射辐射-响应电压的对应关系改变为入射辐射-衰减片-响应电压三者之间的对应关系，提高了信噪比从而保证系统在较大量程的基础上仍然能够工作在线性区间，提高了测量结果的准确度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，每片滤光片的透射光谱范围均为1-3μm。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，红外探测器2采用InSb红外探测器，光谱工作区间为1-5.5μm。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，测量仪还包括液氮制冷设备，该液氮制冷设备用于对红外探测器2进行制冷。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，数据采集器7的信号输出端通过USB接口与计算机连接。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪作进一步说明，本实施方式中，当入射光为10^-11W/cm²能量级时，量程转换器切换至20×放大倍数，当入射光为10^-4W/cm²能量级时，量程转换器切换至2×放大倍数。

Claims (8)

1.一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，它包括光学系统、电路系统及计算机系统；

所述光学系统包括主物镜组(A1)、光学机械调制器(C)、一号中继透镜组(A2)、滤光片/衰减片组(B)，二号中继透镜组(A3)；

所述计算机系统包括计算机；

所述电路系统包括直流电机与控制及驱动电路(1)、红外探测器(2)、前置放大器(3)、锁相放大器(6)及数据采集器(7)；

其特征在于：所述电路系统还包括量程转换器(4)和光耦及整形电路(5)；

主物镜组(A1)将接收到的准直光束聚焦到光学机械调制器(C)，光学机械调制器(C)将光束透射到一号中继透镜组(A2)，一号中继透镜组(A2)将光束透射到滤光片/衰减片组(B)，滤光片/衰减片组(B)将光束透射到二号中继透镜组(A3)，二号中继透镜组将光束会聚到红外探测器(2)的探测面上；

红外探测器(2)的探测面接收该光束，红外探测器(2)的输出端连接前置放大器(3)的输入端，前置放大器(3)的输出端连接量程转换器(4)的输入端，量程转换器(4)的输出端连接锁相放大器(6)的信号输入端，锁相放大器(6)的信号输出端连接数据采集器(7)的信号输入端；光耦及整形电路(5)的调制频率信号输入端连接光学机械调制器(C)的调制频率信号信号输出端，光耦及整形电路(5)的调制频率信号输出端连接锁相放大器(6)的参考信号输入端；直流电机与控制及驱动电路(1)的输出端连接光学机械调制器(C)的控制信号输入端，直流电机与控制及驱动电路(1)的输入端连接数据采集器(7)的控制信号输出端；

数据采集器(7)的信号输出端与计算机连接，计算机的控制信号输出端连接滤光片/衰减片组(B)的控制信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：所述光学机械调制器(C)为镀金反射膜调制器。

3.根据权利要求1所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：所述滤光片/衰减片组(B)含四片衰减片。

4.根据权利要求3所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于滤光片/衰减片组(B)的衰减程度可调，每片衰减片的透过率为10％。

5.根据权利要求3所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：每片滤光片的透射光谱范围均为1-3μm。

6.根据权利要求1所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：红外探测器(2)采用InSb红外探测器，光谱工作区间为1-5.5μm。

7.根据权利要求6所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：它还包括液氮制冷设备，该液氮制冷设备用于对红外探测器(2)进行制冷。

8.根据权利要求1所述的一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪，其特征在于：数据采集器(7)的信号输出端通过USB接口与计算机连接。