CN104833429A - 一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置及方法，所述测量装置包括：一待测黑体；一热辐射环，所述热辐射环位于所述待测黑体的开口一侧；一红外辐射温度计，所述红外辐射温度计测量采集到的辐射信号，在所述热辐射环与所述红外辐射温度计之间设置有水冷光阑，所述水冷光阑用于降低杂散辐射。本发明通过基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，分析了热辐射环温度和黑体温度变化对测量结果的影响，验证了该方法应用于星载定标黑体发射率在轨校准的可行性。

Description

一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种黑体发射率测量装置及方法，特别是涉及一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置及方法。

背景技术

红外遥感是对地观测系统的重要探测手段之一，在国土安全、防灾减灾、环境监测、气象预报和气候变化监测等很多领域都发挥着重要作用。由于红外遥感载荷在轨运行期间量值稳定性不高，需要利用星载定标系统不断的进行标定。高精度的星载定标系统，对于保持红外遥感载荷高定量化和高稳定性的观测水平具有决定性作用。星载定标系统一般由一到二个星载黑体实现高低温度的标定，也可利用深空环境作为标定源。

根据普朗克黑体辐射定律黑体的亮度温度由黑体温度、波长和发射率来决定。黑体的温度通过黑体上的高精度温度传感器测量得到。而黑体发射率通过地面实验测量得到后，作为一个重要参数直接用于黑体亮度温度的计算。目前尚无在轨测量和校准的措施。而卫星在轨运行期间星载定标黑体可能会受到宇宙射线照射的破坏或者长时间工作老化变性，这些都可能改变黑体的发射率，从而影响定标的准确性。为了提高我国红外遥感的定标水平，同时满足气候监测对高精度的红外遥感载荷的需求，有必要研究星载黑体发射率在轨的自校准方法。准确在轨测量黑体发射率对于提高星载定标系统的精度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，其包括：

一待测黑体； 

一热辐射环，所述热辐射环位于所述待测黑体的开口一侧；

一红外辐射温度计，所述红外辐射温度计测量采集到的辐射信号，其特征在于：

在所述热辐射环与所述红外辐射温度计之间设置有水冷光阑，所述水冷光阑用于降低杂散辐射。

其中，在所述待测黑体的外侧具有恒温水冷套。

其中，在所述待测黑体的腔底的后部设置有温度计，用对测量所述待测黑体的温度。

其中，在所述热辐射环上具有加热膜。

本发明提供了一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量方法，其中至少提供黑体、热 辐射环、红外辐射温度计；

步骤(1)保持黑体和热辐射环处于预定温度状态，红外辐射温度计测量黑体辐射亮度温度值，同时采集黑体和热辐射环温度传感器的信号；

步骤(2)将热辐射环从黑体前端移开，开始加热热辐射环到高于黑体的温度；

步骤(3)将热辐射环移动到黑体前部，辐射温度计测量黑体辐射亮度温度值，并且采集黑体和热辐射环温度传感器的信号。

本发明通过基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，分析了热辐射环温度和黑体温度变化对测量结果的影响，验证了该方法应用于星载定标黑体发射率在轨校准的可行性。

附图说明

图1热辐射环对黑体背景辐射的影响示意图；

图2测量装置的结构示意图；

图3黑体的结构示意图；

图4热辐射环的结构示意图

图5热辐射环温度与黑体温度差异与黑体的发射率的关系图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

如图1所示为热辐射环对黑体背景辐射的影响示意图，其中，待测黑体1的辐射和热辐射环2的辐射通过待测黑体1反射到红外辐射温度计4，其测量原理如下：

一个具有无限小开口的理想黑体辐射源，其光谱辐射亮度可以由普朗克黑体辐射定律计算得到，如公式(1)所示：

$B_{\mathrm{\λ}}\left(T\right)=\frac{c_1}{{\mathrm{\πn}}^2{\mathrm{\λ}}^5[\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{n\λT}}\right)-1]}---\left(1\right)$

其中，c₁＝3.7418*10-16W·m2，c₂＝1.4388*10-2m·K，T为黑体腔的温度，单位为K，λ为空气中的波长，单位为μm，n为空气折射率。

而对于实际黑体辐射源其发射率接近于1，但不等于1，需要考虑其发射率和反射率对辐射亮度的贡献。即当环境温度与黑体温度接近时，探测到的实际黑体辐射源的光谱辐射亮度不仅要包含黑体辐射源自身的光谱辐射亮度，还包含着其反射的环境辐射亮度。因此，探测到的黑体辐射源总的光谱辐射亮度可以由公式(2)给出：

${\tilde{I}}_{\mathrm{\λ}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{B}_{\mathrm{\λ}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}})I_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}---\left(2\right)$

其中，ε_λ为黑体的光谱发射率，B_λ(T_bb)为理想黑体发射的光谱辐射亮度，I_λ(T_rm)为环境辐射亮度。通常情况下，环境辐射亮度的普朗克表达为公式(3)：

I_λ，bg＝B_λ(T_rm)   (3) 

其中，T_rm为环境的温度值。假设环境温度是均匀分布。当在待测黑体前部加入一个热辐射环时，热辐射环成为环境辐射的一部分，如图1所示。当热辐射环处于室温时热辐射环与周围环境相同，当热辐射环温度升高就会改变环境辐射。黑体接收到的环境辐射包含热辐射环的辐射和环境的辐射。此时的环境辐射亮度I_λ，bg可以由下面的公式计算：

I_λ，bg＝FI_λ(T_halo)+(1-F)B_λ(T_rm)   (4) 

其中I_λ(T_halo)为热辐射环的辐射亮度，B_λ(T_rm)为热辐射环以外的环境辐射的辐射亮度，F为热辐射环相对黑体的角系数，可以根据黑体和热辐射环的几何参数计算得到。T_halo为热辐射环的温度。

根据公式(2)可以得到发射率的计算公式：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{{\tilde{I}}_{\mathrm{\λ}}-I_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}}{B_{\mathrm{\λ}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)-I_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}}---\left(5\right)$

其中，I_λ，bg为环境辐射亮度可由公式(4)计算得到，是测量到的总的黑体辐射亮度，B_λ(T_bb)是黑体辐射亮度，可由普朗克方程计算得到。

作为测量仪器的红外辐射温度计，其测量输出为温度值。假设辐射温度计的光谱响应为矩形带通响应，利用辐射温度计的Sakuma-Hattori方程将辐射源的亮度温度值转换为辐射亮度值。Sakuma-Hattori方程是表述探测器输出与其辐射温度之间关系的数学模型，如公式(6)：

$S\left(T\right)=\frac{C}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{AT}+B}\right)-1}---\left(6\right)$

其中，S(T)为使用Sakuma-Hattori方程计算的探测器输出，假设响应幅度为1，可将S(T)视为辐射温度计接收到的辐射亮度。T为辐射温度计温度值，单位为K，A，B，C为方程系数，c₂＝0.014388m·K。系数A，B可由探测器的中心波长与探测器波长响应宽度计算得 到，系数C待定。

假设黑体发射率在λ₁～λ₂波长范围内为常数。对公式(2)的波长积分，可得，

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\tilde{I}}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}=\mathrm{\ϵ}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{B}_{\mathrm{\λ}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)\mathrm{d\λ}+(1-\mathrm{\ϵ}){\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{I}_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}\mathrm{d\λ}---\left(7\right)$

辐射温度计探测到的辐射亮度应与黑体总的辐射亮度相等，即，

$S\left(T_{\mathrm{rt}}\right)={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\tilde{I}}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}---\left(8\right)$

其中，T_rt为辐射温度计的示值，单位为K。将公式(8)和公式(6)代入公式(7)得到公式(9)，

$\frac{C}{\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{rt}}+B}\right)-1}={\mathrm{\ϵ}\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{B}_{\mathrm{\λ}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)\mathrm{d\λ}+(1-\mathrm{\ϵ}){\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{I}_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}\mathrm{d\λ}---\left(9\right)$

令 $B_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{B}_{\mathrm{\λ}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)\mathrm{d\λ},I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\mathrm{\ϵ}{I}_{\mathrm{\λ},\mathrm{bg}}\mathrm{d\λ},$ 得到公式(10)，

$\frac{C}{\exp \left(\frac{c_2}{A{T}_{\mathrm{rt}}+B}\right)-1}=\mathrm{\ϵ}{B}_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)+(1-\mathrm{\ϵ})I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}}$

假设热辐射环处于两个不同温度的环境辐射分别为和对应于黑体温度分别为T_bb1和T_bb2温度计的辐射温度值分别为为T_rt1和T_rt2，根据公式(10)可以得到这两个状态的黑体辐射亮度与辐射温度计探测的辐射亮度之间关系式。将这两个状态的放长相比，得到公式(11)，

$\frac{\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{rt}2}+B}\right)-1}{\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{rt}1}+B}\right)-1}=\frac{\mathrm{\ϵ}{B}_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}1}\right)+(1-\mathrm{\ϵ})I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}1}}{\mathrm{\ϵ}{B}_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}2}\right)+(1-\mathrm{\ϵ})I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}2}}---\left(11\right)$

令 $Y_1=\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{rt}1}+B}\right)-1,Y_2=\exp \left(\frac{c_2}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{rt}2}+B}\right)-1,$ 将公式(11)中的发射率ε提取整理得到公式(12)，即为控制环境辐射发射率测量方法的计算公式，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Y_1{I}_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}1}-Y_2{I}_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}2}}{Y_2[B_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}2}\right)-I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}2}]-Y_1[B_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2}\left(T_{\mathrm{bb}1}\right)-I_{{\mathrm{\λ}}_1~{\mathrm{\λ}}_2,\mathrm{bg}1}]}---\left(12\right)$

公式(12)为使用红外带通辐射温度计作为测量仪器的黑体发射率计算公式。

如图2所示为基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置的结构示意图。该测量装置包括被测黑体1，放置在所述被测黑体1的黑体空腔开口前的热辐射环2，位于所述热辐射环2的一侧用于降低杂散辐射的水冷光阑3，对辐射信号进行测量的红外辐射温度计4，电控移动台5，高精度测温电桥6及计算机7等。如0所示，红外辐射温度计4瞄准被测黑体1的黑体空腔底部，用于测量黑体辐射亮度信号，热辐射环2安装在被测黑体1的黑体空腔开口的前面，所述热辐射环2距离黑体空腔开口具有预定的距离，通过热辐射环2设置不同的温度来控制环境辐射，在热辐射环2和红外辐射温度计4之间设置水冷光阑3来减小热辐射环2对红外辐射温度计4的影响，其中，被测黑体1的温度控制和测量，热辐射环2的温度控制和测量，以及红外辐射温度计4的测量值均通过计算机控制和采集。

被测黑体1的外部采用恒温水冷套8控制黑体空腔的外部环境温度，黑体空腔可采用硬铝材料或其他适合的材料加工而成，图3为待测黑体的结构示意图，所述黑体空腔为圆柱和锥形的组合结构，腔体部分为圆柱形，腔体的底部为锥形腔底，所述腔底和腔体可以为一体式结构或者两个独立的部件，当腔底和腔体为两个独立的结构时，腔底部分可以采用旋入到腔体的中的方式，实现二者的组合，在腔底的锥形截面上优选形成环绕所述锥形内壁的连续的V形槽，该V形槽采用加工机器在锥型腔底内壁上连续的车出，该种结构的腔底对于改善黑体的性能具有明显作用。在所述黑体腔体的与腔底相反的一侧设置有腔口部分，所述腔口部分通过螺栓固定到腔体上，所述腔口部分的内截面为梯形，该腔口部分在紧邻腔体一侧具有第一开口宽度H1，在远离腔体一侧具有第二开口宽度H2，所述第一开口宽度H1大于第二开口宽度H2。另外，为了控制黑体腔体的温度，可以在腔体的外侧壁上设置有加热膜10。所述黑体空腔优选内径为44mm，开口直径为24mm，锥角为60°，深度为79mm，在腔底的后部设置有温度计阱9，在所述温度计阱中安装有高精度铂电阻温度传感器，所述高精度铂电阻温度传感器用于测量黑体空腔的温度，所有的温度传感器的电测信号通过Fluke 1595测温电桥测量得到。为了防止热辐射环热辐射对黑体温度的影响，在黑体前端采用聚四氟乙烯和空气隔离。

图4所示为热辐射环2的结构示意图。所述热辐射环2优选采用为铝材质加工，其结构为空心圆台形，其包外框架11和内框架12，所述外框架11和内框架12组合形成圆台形，在外框架11和内框架12之间具有间隙，所述内框架12具有面向待测黑体的第一口径，远离所述待测黑体的第二口径，所述第一口径的尺寸大于第二口径的尺寸，所述内框架12包括靠近第一口径侧的第一部分和倾斜的第二部分，其中所述内框架的第一部分与第二部分 相连，在倾斜的所述第二部分上具有至少一个温度计孔14，在所述温度计孔14中安装有铂电阻温度计，所述外框架11具有与内框架相对应的遮挡部分，用于屏蔽内框架的热辐射。所述辐射环2优选面向待测黑体1一侧开口大小为57mm，另一侧开口大小为24mm，在所述内框架12的倾斜的第二部分的外侧壁上设置有加热膜13，通过所述加热膜13对热辐射环进行加热，在内框架11的内壁上喷涂高发射率的黑漆。在热辐射环2内框架11的第二部分上预留安装温度计的小孔，通过铂电阻温度计测量热辐射环的温度。所述外框架12为防辐射结构以降低热辐射环温度对环境的影响。另外，在热辐射环2外侧还可以安装防辐射外壳，降低热辐射环温度对环境的影响。热辐射环整体安装在电控平移台上，通过电控平移台控制热辐射环在测量位和非测量位切换。

测量仪器优选采用HEITRONICS公司的TRT4.82型红外辐射温度计，其测温范围为-50℃～1000℃，输出分辨率0.02℃，使用热释电探测器光谱响应范围为(8～14)μm，焦距为488mm，在焦距处的视场大小为9.2mm。

测量过程： 

第一步，保持黑体和热辐射环处于室温状态，辐射温度计测量黑体辐射亮度温度值，同时采集黑体和热辐射环温度传感器的信号；第二步，通过电控平移台控制热辐射环，将热辐射环从黑体前端移开，开始加热热辐射环到高于黑体温度约44K；第三步，待热辐射环温度稳定后，将热辐射环移动到黑体前部，辐射温度计黑体辐射亮度温度值，并且采集黑体和热辐射环温度传感器的信号，为了防止热辐射环辐射对黑体温度的影响，测量时间一般1min；最后，通过热辐射环位置控制电移台将其移到待测位置，放置5min后，再次移动到测量位置测量1min，如此反复6次。

测量中使用的红外辐射温度计的波长响应范围为8～14μm，则其中心波长λ₀＝6μm，带宽Δλ＝6μm。根据λ₀和Δλ的值可以得到Sakuma-Hattori方程的系数A，B分别为9.37μm，178μm·K，代入公式(6)中。同时公式(7)中积分的波长范围为8～14μm。将上述数据代入公式(12)，可得到黑体空腔发射率的计算结果。按照前述测量方法，在20天内测量了10次黑体空腔发射率，实验数据和发射率计算结果列于表1。控制环境辐射黑体发射率测量方法得到发射率的平均值为0.9961，标准偏差为0.07％。从实验结果可以看出，热辐射环的温度与黑体温度的差异最小为44.06K，最高为75.85K，相差约32K，而发射率的测量结果几乎无差异。因此可以看出，此方法与控制环境辐射热辐射环的温度设置的重复性无关，只与热辐射环与被测黑体温度的差异有关。

表1.控制环境辐射的黑体发射率测量结果

黑体空腔的内径优选为44mm，开口直径为24mm。黑体腔底部设计为圆锥形，底部锥角为60度，黑体腔整体深度为79mm。其内部喷涂TEMPIL公司的PYROMARK高发射率的黑漆，其发射率为0.94。使用基于蒙特卡罗方法的STEEP3黑体腔发射率模拟软件计算其法向发射率为0.998。模拟计算结果比实验测量结果平均值高0.0019。由于理论计算并未考虑很多实际因素，如黑体空腔温度均匀性，涂层的发射率和反射率等，实验测量结果与理论计算结果比较吻合。在黑体前端加入热辐射环改变了黑体的环境辐射量，辐射温度计测量的信号中包含黑体反射的来自热辐射环的信号。本实验使用的黑体的发射率使用蒙特卡洛方法模拟值为0.998，则其反射率约为0.002，热辐射环的信号相对黑体辐射的信号必须足够大才能够被辐射温度计探测到。也就是说热辐射环的温度与黑体温度的差异必须足够大才能正确测量黑体的发射率。实验中测量了热辐射环温度与黑体温度差异从26K变化76K时黑体的发射率，实验结果如图5所示。从图5可以看出当热辐射环与黑体空腔温差升高 到44K及以上时，在将近1个月内的十次测量的黑体发射率的平均值为0.9961，标准差为0.07％。在高于此温差的情况下，在同一天内，黑体空腔发射率的测量结果几乎不变。因此，当热辐射环的温度与黑体空腔的温差高于44K时，其空腔发射率的测量与热辐射环与黑体空腔温度的差值无关。当热辐射环温度与黑体空腔的温差低于26K时黑体发射率的测量结果平均值相差较大，结果明显偏高。

本发明基于普朗克黑体辐射理论和Sakuma-Hattori方程，建立了黑体发射率计算模型，在不需得到Sakuma-Hattori方程中系数C的情况下，计算黑体的发射率。建立了实验装置，通过设置不同的热辐射环与黑体空腔的温度差从44K到76K，在20天内测量了10次黑体空腔发射率，其结果标准差为0.07％，验证了此方法与控制环境辐射热辐射环的温度设置的重复性无关，只与热辐射环与被测黑体温度的差异有关。实验结果证明当热辐射环温度与黑体温度的差异足够大时黑体发射率的测量结果不受热辐射环温度设置重复性的影响。

本发明通过基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，分析了热辐射环温度和黑体温度变化对测量结果的影响，验证了该方法应用于星载定标黑体发射率在轨校准的可行性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，其包括：

一待测黑体；

一热辐射环，所述热辐射环位于所述待测黑体的开口一侧；

一红外辐射温度计，所述红外辐射温度计测量采集到的辐射信号，其特征在于：

在所述热辐射环与所述红外辐射温度计之间设置有水冷光阑，所述水冷光阑用于降低杂散辐射。

2.如权利要求1所述的基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，其特征在于：在所述待测黑体的外侧具有恒温水冷套。

3.如权利要求1所述的基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，其特征在于：在所述待测黑体的腔底的后部设置有温度计，用对测量所述待测黑体的温度。

4.如权利要求1所述的基于控制背景辐射的黑体发射率测量装置，其特征在于：在所述热辐射环上具有加热膜。

5.一种基于控制背景辐射的黑体发射率测量方法，其采用如权利要求1-4的测量装置，其特征在于：

至少提供黑体、热辐射环、红外辐射温度计；

步骤(1)保持黑体和热辐射环处于预定温度状态，红外辐射温度计测量黑体辐射亮度温度值，同时采集黑体和热辐射环温度传感器的信号；

步骤(2)将热辐射环从黑体前端移开，开始加热热辐射环到高于黑体的温度；

步骤(3)将热辐射环移动到黑体前部，辐射温度计测量黑体辐射亮度温度值，并且采集黑体和热辐射环温度传感器的信号。