CN110686872A - 一种基于黑体腔法向-半球反射分布比的发射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出通过测量待测黑体腔法向的反射数据，并通过仿真获得黑体腔法向‑半球反射特性比从而得到黑体半球全反射数据最终计算黑体腔0‑D条件下的发射率的测量方法。首先利用已知功率的激光光源沿法向中心位置照射黑体腔，使用测量装置测量黑体腔在法向条件下反射光源的功率；接着通过仿真计算建立已知结构的黑体腔的法向反射特性和半球反射特性的关系，得到黑体腔半球方向对光源的全反射数据；最终根据黑体半球方向反射的光源的功率和光源的出射功率获得黑体腔的发射率。

Description

一种基于黑体腔法向-半球反射分布比的发射率测量方法

技术领域

本发明属于黑体测量领域，特别是涉及一种基于黑体腔法向-半球反射分布比的发射率测量方法。

背景技术

黑体作为标准红外辐射源，广泛应用于标定各种红外辐射源的辐射强度，用于各种辐射温度计、热成像系统等辐射测温设备的标定；研究各种物质表面的热辐射特性，辅助测量材料表面发射率、光学系统的透射比及物质的透射、反射和吸收等光学性能。根据普朗克黑体辐射定律，衡量一个黑体辐射源性能的优劣主要决定于空腔内有效发射率以及黑体腔的工作温度。

目前，黑体的发射率测量方法有多种，但是尚无有效的在不影响黑体工作状态下对无法改变位置的黑体发射率进行原位准确测量的方法。

发明内容

本发明提供一种对黑体发射率进行准确测量的方法，其相对于现有的发射率测量方法来说，提出了在不影响黑体工作状态下对无法改变位置的黑体发射率进行原位准确测量方法，为准确衡量黑体的辐射能力提供了参考。

本发明提供了一种基于黑体腔法向-半球反射分布比的发射率测量方法，其包括：

步骤1、提供一待测黑体腔，所述黑体腔具有朝向一侧的口部；

步骤2、通过距离黑体腔的预定位置处的激光器，向所述黑体腔的开口，使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔；

步骤3、由黑体腔反射出的激光一部分被离轴抛物面镜反射进入光谱仪；

步骤4、光谱仪的接收角为Ω、视场面积为A的范围内黑体腔反射的激光功率为P_QCL ^M-R；黑体腔反射的从黑体腔口部半球方向出来总的激光功率定义为P_QCL ^Reflected，对于几何形状确定的黑体腔在黑体腔内的涂层发射率为ε_c时，使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔，总的反射激光功率与测量到的反射激光功率存在确定的关系：

其中r为二者之间的比值，定义为黑体腔法向-半球反射分布比，此时黑体腔的法向发射率ε：

步骤5、为了计算黑体腔的法向-半球反射分布比，建立黑体腔和激光光源以及测量系统的模型通过光学仿真得到在涂层发射率为ε_c1，ε_c2……ε_cn下黑体腔的法向发射率ε₁，ε₂……ε_n和系数r₁，r₂……r_n，通过插值拟合可以得到分布比r和法向发射率ε之间的关系。

其中，在所述黑体腔的开口与激光器之间设置有离轴抛物面镜。

其中，所述离轴抛物面镜的焦点位于黑体腔口部的中心位置。

本发明利用已知功率的外部光源沿法向中心位置照射黑体腔，使用测量装置测量黑体腔在法向条件下反射光源的功率，再通过仿真计算建立已知结构的黑体腔的法向反射特性和半球反射特性的关系，得到黑体腔半球方向对光源的全反射数据，最终根据黑体半球方向反射光源的功率和光源的出射功率获得黑体腔的发射率。

附图说明

图1为本发明的发射率测量装置示意图；

图2为本发明的光谱仪测量到的有无激光照射时的黑体信号图；

图3为本发明的黑体腔反射激光半球分布模型和测量系统测量的部分的示意图。

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。

本发明的测量装置利用量子级联激光作为光源。使用激光光束沿黑体腔法向方向从黑体腔中心位置照射进入黑体腔。激光经过内壁多次反射绝大部分的激光能量被黑体腔吸收，有极少部分能量从黑体腔口部反射出去。则从黑体腔反射出去的激光能量与由激光器出射的能量的比值即为黑体腔的反射率。

图1为本发明的黑体发射率的测量装置示意图。如图1所示，黑体腔1具有朝向一侧的开口，为距离所述黑体腔的预定位置处设置有激光器2，激光器作为平行光源照射进入所示黑体腔，在黑体腔1的开口与激光器2之间设置有离轴抛物面镜3，所述离轴抛物面镜3放置在黑体腔前部，在所述离轴抛物面镜的中心有一个通孔，激光器2出射的激光通过这个通孔照射进入黑体腔1，离轴抛物面镜3的焦点位于黑体腔口部的中心位置，则部分被黑体腔反射出的激光被离轴抛物面镜3反射进入测量仪器4。由于测量仪器4具有一个确定的接收角和测量目标尺寸，所以黑体腔反射的激光只有位于黑体中心接近法向的部分进入测量仪器，其他部分则未进入测量仪器，所述测量仪器优选为傅里叶变换红外光谱仪。

对于测量仪器4来说，当没有激光照射时光谱仪测量到的是黑体自身辐射的信号，而当使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔时由黑体腔反射的激光信号与黑体腔自身辐射的信号叠加在一起进入测量仪器4，也就是进入到光谱仪。光谱仪测量的黑体自身辐射信号和使用激光照射黑体腔时光谱仪测量到的信号如图2所示。

图2所示为本发明的光谱仪测量到的有无激光照射时的黑体信号图。从图中可以看到当激光照射黑体腔时，光谱仪测量到的信号在激光的特征波长位置出现了一个尖峰。这个尖峰即是光谱仪测量到的反射的激光信号。尖峰的大小和黑体反射的激光功率相关。对于已经标定的光谱仪其测量的光谱信号可以转换为辐射亮度信号，如果以没有激光照射时黑体的辐射信号作为基线，计算激光照射时对应尖峰下的面积(图2中的阴影部分)，则该面积近似等于黑体反射的激光辐射亮度。

将没有激光照射时光谱仪测量的黑体腔光谱亮度信号定义为L_BB(λ,T)，将激光照射黑体腔时光谱仪测量的黑体光谱亮度信号定义为L_BB+QCL(λ,T)，则黑体腔反射进入测量系统的激光的光谱亮度信号L_QCL ^M-R(λ)为：

L_QCL ^M-R(λ)＝L_BB+QCL(λ,T)-L_BB(λ,T)(1)

则测量系统测量到的反射的激光亮度信号L_QCL ^M-R为：

L_QCL ^M-R＝∫_λL_QCL ^M-R(λ)dλ (2)

离轴抛物面镜和傅里叶光谱仪组成的测量系统在黑体腔口部测量的视场的面积为A，测量系统汇聚端的光线接收角为Ω，则根据定义测量系统测量的来自黑体腔反射的激光功率P_QCL ^M-R为：

P_QCL ^M-R＝∫_AdA∫_ΩL_QCL ^M-RcosθdΩ (3)

同时引入在测量系统测量的接收角为Ω视场面积为A的范围内黑体腔反射的激光的平均亮度信号L_QCL ^M-R，对于测量系统在较小的接收角度内cosθ接近1，则测量系统测量的黑体腔反射的激光功率P_QCL ^M-R可以简化计算为：

P_QCL ^M-R＝L_QCL ^M-RΩA (4)

黑体腔反射的从黑体腔口部半球方向出来总的激光功率定义为P_QCL ^Reflected，对于一个几何形状确定的黑体腔在黑体腔内的涂层发射率为ε_c时，使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔，总的反射激光功率与测量到的反射激光功率存在确定的关系：

其中r为二者之间的比值，定义为黑体腔法向-半球反射分布比，此时黑体腔的法向发射率ε：

其中，P_QCL为从激光器出射的激光功率，可以通过激光功率计测量得到，P_QCL ^M-R通过公式(4)计算得到。图3所示为本发明的黑体腔反射激光半球分布模型和测量系统测量的部分的示意图

为了得到黑体腔法向-半球反射分布比r，通过光学仿真软件分别对两种情况下的反射的激光功率进行模拟计算。对于一个形状结构已知的等温黑体腔其发射率和黑体腔内部涂层的发射率特性有关。在光学仿真软件中按照黑体腔实际的结构参数建模，设置黑体空腔内涂层的发射率分别为ε_c1，ε_c2……ε_cn，在每一种情况下布置与激光器波长和光束直径相同的光源，光源以功率P(这里将光源输出功率设为1W)以垂直黑体腔开口的中心位置照射进入黑体腔。对黑体腔在不同的涂层发射率下从黑体腔口部的半球方向反射出的激光功率P_QCL ^Reflected(ε_c1)，P_QCL ^Reflected(ε_c2)……P_QCL ^Reflected(ε_cn)和从黑体腔口部的中心位置面积为A，发散角为Ω的区域内反射出的激光功率P_QCL ^M-R(ε_c1)，P_QCL ^M-R(ε_c2)……P_QCL ^M-R(ε_cn)进行仿真计算。其中黑体腔口部的中心位置面积A，发散角Ω为测量系统的对应参数。

同时分布比r为在黑体腔涂层发射率为ε_c时使用功率为P的激光以垂直黑体腔开口的中心位置照射进入黑体腔从黑体腔口部的半球方向反射出的激光功率P_QCL ^Reflected和从黑体腔口部的中心位置面积为A，发散角为Ω的区域内反射出的激光功率P_QCL ^M-R的比值，即：

此时黑体腔的法向发射率可以根据公式(5-6)计算。利用不同涂层发射率下仿真的结果，可以得到在涂层发射率为ε_c1，ε_c2……ε_cn下黑体腔的法向发射率ε(ε_c1)，ε(ε_c2)……ε(ε_cn)和系数r₁(ε_c1)，r(ε_c2)……r(ε_cn)。通过插值拟合可以得到系数r和法向发射率之间的关系：

r＝f(ε) (8)

目前已经获得了黑体腔反射的近法向的激光功率，激光出射功率和不同黑体腔涂层发射率下黑体腔法向发射率与黑体腔反射特性r的关系。为了计算黑体腔的法向发射率，将系数r和法向发射率ε作为迭代变量，利用系数r和法向发射率的关系作为迭代关系式计算发射率。即

其中，P_QCL为从激光器出射的激光功率，通过激光功率计测量得到，P_QCL ^M-R为以功率P_QCL激光照射黑体腔通过公式(4)计算得到的黑体反射的近法向的激光功率。初值r₀定义为黑体腔反射的激光亮度信号在黑体腔开口范围和半球方向均匀分布时的值，此时P_QCL ^Reflected和

分别为：

P_QCL ^Reflected＝L_QCLA_bb2π (11)

P_QCL ^M-R＝L_QCLAΩ (12)

其中L_QCL为假设黑体反射激光信号在黑体口不同位置和方向均匀分布时的反射激光的亮度信号，A_bb为黑体腔开口面积，2π为半球立体角。这样可以得到：

利用公式(11)和(12)经过多次迭代计算黑体腔的法向发射率收敛到某一值，则此时的值即为黑体腔的法向发射率ε。

本发明利用已知功率的外部光源沿法向中心位置照射黑体腔，使用测量装置测量黑体腔在法向条件下反射光源的功率，再通过仿真计算建立已知结构的黑体腔的法向反射特性和半球反射特性的关系，得到黑体腔半球方向对光源的全反射数据，最终根据黑体半球方向反射光源的功率和光源的出射功率获得黑体腔的发射率。

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 (3)

1.一种基于黑体腔法向-半球反射分布比的发射率测量方法，其包括：

步骤1、提供一待测黑体腔，所述黑体腔具有朝向一侧的口部；

步骤2、通过距离黑体腔的预定位置处的激光器，向所述黑体腔的开口，使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔；

步骤3、由黑体腔反射出的激光一部分被离轴抛物面镜反射进入光谱仪；

步骤4、光谱仪的接收角为Ω、视场面积为A的范围内黑体腔反射的激光功率为P_QCL ^M-R；黑体腔反射的从黑体腔口部半球方向出来总的激光功率定义为P_QCL ^Reflected，对于几何形状确定的黑体腔在黑体腔内的涂层发射率为ε_c时，使用功率为P_QCL的激光照射黑体腔，总的反射激光功率与测量到的反射激光功率存在确定的关系：

其中r为二者之间的比值，定义为黑体腔法向-半球反射分布比，此时黑体腔的法向发射率ε：

步骤5、为了计算黑体腔的法向-半球反射分布比，建立黑体腔和激光光源以及测量系统的模型通过光学仿真得到在涂层发射率为ε_c1，ε_c2……ε_cn下黑体腔的法向发射率ε₁，ε₂……ε_n和系数r₁，r₂……r_n，通过插值拟合可以得到分布比r和法向发射率ε之间的关系。

2.如权利要求1所述的发射率测量方法，其特征在于：在所述黑体腔的开口与激光器之间设置有离轴抛物面镜。

3.如权利要求1所述的发射率测量方法，其特征在于：所述离轴抛物面镜的焦点位于黑体腔口部的中心位置。

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