真空低温高灵敏度中红外辐射计

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性，设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型，详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比，得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案，研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构，满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度，创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源，采用四级TE制冷中红外探测单元，配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器，获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明：在温度77 K、真空度1×10^-5 Pa真空低温环境下，测试213 K目标黑体辐射源，1 h内的信号不稳定度为0.24%；噪声等效温差(NETD)值为0.034 K；测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

真空低温环境下超大面源黑体现场校准技术

红外辐射面源黑体应用于特定红外特性目标的模拟,各种红外探测、制导系统的外场测试。随着空间应用的红外成像器的口径的增大,红外辐射面源的口径也相应增大,为了保证超大辐射面黑体的性能指标满足要求,必须对其在真空低温条件下进行性能校准。但目前国内还没有相应计量标准,无法保证测试结果的准确可靠。设计了一种真空低温环境下超大面源黑体现场校准装置,实现对超大面源黑体的发射率、辐射温度、温场均匀性、温度稳定性等性能参数的校准,并取得了较好的试验结果,实现了真空低温环境下超大面源黑体的参数校准。     

宽动态范围红外积分球辐射源的优化设计与性能测试(特邀)

为满足红外遥感器高精度等效噪声光谱辐亮度的定标要求,在原有的设计基础上改进了红外积分球辐射源研制制造工艺,满足真空低温使用要求。该积分球辐射源采用8组碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,实现工作波段覆盖3~15 μm,可调辐射动态范围提升1倍。设计了辐射定标与测量光路,通过比对测量标准腔式黑体辐射源,实现红外积分球辐射源真空低温条件下的辐射定标。定标结果表明:红外积分球辐射源出光口法线Ф200 mm范围内的面均匀性为99.75%,±10°范围内的角度均匀性为99.81%,非稳定性为0.05%。实现了红外积分球辐射源光谱辐亮度输出等色温近线性可调功能,5 μm和10 μm辐亮度可调范围分别达到12.8 μW/(cm2·sr·nm)和1.6 μW/(cm2·sr·nm)。     

红外热成像系统低温极限成像探测分析

从普朗克黑体辐射定律出发,通过计算,得到不同温度下景物的辐射出射度,推导出真空低温密闭环境中景物辐射通过光学系统进入红外探测器的辐射通量的计算公式,得到了探测器接收到的辐射通量,研究了影响探测器性能的主要噪声,并且计算了系列红外探测器的最小可探测功率,进而分析得到了影响红外热成像系统可探测最低温度的影响因素,通过计算得到了系列探测器的低温探测极限。该工作可为用于低温环境和目标探测成像的红外成像测温系统设计提供依据。     

大面积黑体积分发射率的计算

红外辐射计、辐射温度计及某些光电转换元件的标定问题,是从事光度和温度测量工作者极为关心的问题。目前,广泛采用各种形式的黑体炉作为标准辐射源进行分度。但是,对于大目标的测量仪器,必须应用大口径炉,这样一来,既会造成能源的浪费,又将使黑体质量降低。因此,设法使用由许多小棱柱形空腔拼合的大面积黑体,做为标准辐射源,既节省能     

冰点槽空腔黑体辐射源实验研究

使用铜圆柱圆锥形黑体辐射源空腔 ,F500型高精 密温度测温仪和TRTⅡ辐射温度计,搭建冰点槽黑体辐射源及性能测试系统,完成冰点黑体 辐射源空腔温度 的均匀性和稳定性实验。实验验证了冰点条件下黑体辐射源空腔用于红外辐射温度计校准, 利用冰点开展 量值传递的可行性。实验测得冰点槽黑体辐射源空腔温场环境稳定性在0.001min, 均匀性不超过 0.001℃,黑体辐射源空腔腔底稳定性为0.03min,均匀性优于0.024℃,验证了 在给定的气压条件下, 可利用基于冰点作为冰点槽黑体辐射源固定点,其性能良好,可用于红外辐射温度计在冰点 的稳定性测试和校准。     

点目标成像红外遥感器探测信噪比测试研究

针对遥感器真空低温测试需求，设计并搭建了一套能够在低温真空环境中稳定工作的红外目标背景模拟器，模拟器主要由冷光阑、真空低温面源黑体、三维电移台三部分组成，冷光阑模拟探测背景，冷光阑上分布微孔用于模拟探测点目标。通过有效控制目标模拟器与背景模拟器间的隔热、控温以及背景模拟器与待测遥感器之间的隔热，实现稳定测试。另外，将仿真优化与实践经验相结合，通过仿真计算去除模拟器冷光阑板厚度、目标相位、平行光管等的影响，有效降低系统测量不确定度。文中的仿真分析方法和验证情况对于红外遥感器点目标探测信噪比检测试验具有参考意义。     

4 K低温辐射计的吸收腔吸收率测试技术研究

为了实现低温辐射计工作温度4 K条件下吸收腔吸收率的测量,研究了变温条件下吸收腔吸收率的测量方法。通过在低温辐射计布儒斯特窗口前设计反射监测组件,并控制低温辐射计工作在10?6 Pa的真空环境下,调节低温辐射计制冷温度,分别测量室温条件和不同温度条件下低温辐射计吸收腔在632.8 nm处的反射信号,结合利用传统积分球法在室温条件下低温辐射计吸收腔632.8 nm处反射率的测量结果,通过计算可精确得到不同温度条件下低温辐射计吸收腔的吸收率。实验测量吸收腔在室温条件和4 K温度条件下的吸收率,分别为0.99976和0.99971,对4 K条件下低温辐射计吸收腔吸收率的测量不确定度进行评定,得到的结果显示其相对扩展不确定度为0.005%（k=2）。     

基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法研究

介绍了中国计量科学研究院基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量原理、方法和装置的研究进展。基于普朗克黑体辐射理论,建立了控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法的理论模型,并且搭建该测量装置,研究了该方法测量黑体辐射源发射率的结果和影响因素。利用该系统测得的黑体辐射源发射率测量的结果与理论模拟的结果高度吻合,测量重复性(标准偏差)达到0.07%。实验结果表明该方法在测量黑体发射率时不受热辐射环温度重复性的影响,当热辐射环温度与被测黑体温度的差异足够大时,热辐射环温度的变化对黑体发射率测量结果的影响可以满足应用的需求。该方法具备热红外遥感载荷在轨定标黑体的发射率测量的应用潜力,为我国红外遥感在轨定标系统定量化水平的提高提供重要技术基础。     

基于图像灰度的大范围辐射温度反演

为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。     

基于受激参量下转换的红外标准传递辐射计定标技术

基于受激参量下转换过程产生光子的相关特性,构建了一套无需制冷且只利用可见光探测器即可实现红外标准传递辐射测量的系统。首先详细描述了该红外标准传递辐射计系统的工作原理,接着利用标准黑体拟合获取了该系统的定标系数,由此得到红外标准传递辐射计温度与待测黑体响应值的关系,最后通过与水浴黑体在相同温度点的响应值所反演获取的辐射温度作比较,进一步评估和验证了该红外标准传递辐射计系统的不确定度。实验结果表明:该红外标准传递辐射计测量水浴黑体辐亮度的联合不确定度为1.64%,表明该红外标准传递辐射计可作为标准黑体到用户传感器的传递标准。     

精密黑体辐射标准源

在红外技术中,黑体是一种有用的热辐射参考源,红外器件参数检测和红外整机性能评价的精度和一致性,很大程度上均依赖于辐射数据的准确性。经验指出,制造一个具有达到黑体特性的辐射标准源,比建造任何相同精度的非黑体源(如标准灯等)简单得多。因此黑体辐射标准源,广泛用于辐射仪器绝对测量的标定;用于标定红外热象仪和红外测温仪的温度;用于标定红外辐射计、红外和激光能量计、功率计的辐射能量和辐射功率;用于标定光度计、高温计的辐射功率和辐射温度等。辐射源的光谱辐射度分布应符合不同温度     

红外四谱段测温辐射计的电子学设计与实现

为了给卫星上的红外辐射计做地面定标检测而设计了一种能自动测量海水表面温度的四谱段红外辐射计。文中针对红外辐射计的电子学系统进行了详细的设计,通过分光调制分别对3.5~4m,8~13 m,10.3~11.3 m,11.5~12.3 m 4种波段的红外辐射进行采集和处理,利用双黑体标准辐射源实时自动校正系统参数和相应算法计算出当前海水表面的温度,并能在PC 机上实时显示温度和保存数据的一种红外辐射系统。另外,通过A/D 采样设计保证了系统采样分辨率0.1 K 的要求。最后,通过分析该辐射计在南海所获得的数据,得到该系统满足了测温精度依0.5 K的技术指标要求。     

真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置研制

为满足红外遥感载荷在辐射定标方面的量值溯源需求,中国计量科学研究院研制了真空低背景红外高光谱亮温计量标准研究装置。介绍了红外高光谱亮温计量标准装置的设计方案和高光谱分辨的量值传递方法和溯源链等。设计了用于放置用户被校黑体的模拟太空环境的真空低背景实验舱,建立了包含固定点黑体源和标准变温黑体源在内的标准器,通过傅里叶变换红外光谱仪将标准黑体源的量值传递给被校黑体辐射源。研制的标准变温黑体辐射源的温度范围覆盖125~500 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 7,亮度温度标准不确定度优于0.026 K@300 K/10 m。真空固定点黑体包含汞固定点、镓固定点和铟固定点黑体,口径为25 mm,温度不确定度优于0.020 K@10 m。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,能够满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

基于高温黑体的傅里叶光谱测量系统响应度分段线性标定

傅里叶红外光谱仪（FTIR）光谱响应度的标定工作是FTIR红外光谱精准测量的基础。基于中国计量科学研究院（NIM）的ThermoGage HT9500型高温基准黑体辐射源,对NIM搭建的FTIR高温黑体红外辐射特性测量系统的光谱响应度,通过分段线性标定法进行了标定实验。建立并描述了FTIR测量高温黑体红外辐射特性系统响应度函数标定模型,并通过测量的黑体辐射源在1 273~1 973 K温区、1~14 m宽频谱内的红外光谱,对FTIR测量系统的光谱响应度进行了标定实验研究。结果表明:分段线性标定FTIR红外光谱测量系统方法具有良好可靠性。1 373~1 873 K温区的测量光谱与基于黑体标定的计算光谱在1~14 m频谱内平均偏差优于1%,黑体光谱辐射亮度峰值波长上反演得到的黑体计算温度与实际温度偏差优于0.45%。     

高精度星载微波定标源黑体温度测量控制系统的设计

微波辐射定标源作为微波辐射计的重要载荷设备,可校准微波辐射计输入亮温度与输出量值间的关系,实现微波辐射计灵敏度、线性度和稳定度等参数的标定。针对辐射源黑体及其测温传感器,设计了一种在轨温度测量与控制电路,用于温度信号的检测与调理、低通滤波、数据采集、温度数据处理以及温度的稳定控制。地面测试与在轨运行均表明,系统满足星载微波辐射计的设计要求,具有高精度、高可靠性的特点。     

复杂环境下弹道中段目标探测能力分析

基于低轨预警卫星对中段弹道导弹的探测机理,综合考虑了复杂探测环境中各辐射源（太阳、地表、大气、云层）对弹道中段目标的辐射作用,计算了三个波段各辐射源在目标表面产生的辐照度,在此基础上建立了弹头目标自身辐射及反射辐射模型。基于弹道中段目标红外辐射计算结果,结合预警卫星成像系统的衍射效应,推导了成像综合信噪比、探测作用距离修正模型,从这两个方面分析了深空背景下低轨预警卫星对弹道中段目标的探测能力。结果表明:复杂探测环境中各辐射源对目标成像综合信噪比的影响不可忽略,约为目标自身辐射综合信噪比的1.2倍;低轨卫星光学系统的衍射效应对中段目标探测能力影响严重,8~9.4、9.4~10、10~14 m波段下衍射效应修正前后综合信噪比差值占未修正综合信噪比的比率分别为41.9%、36.7%、10.4%;探测距离随观测角度的变化而变化,迎头探测时,探测距离最大。     

辐射源温度与测试D用黑体温度不同时,红外系统计算的修正

红外探测器的归一化探测率D~*和单色探测率D~*(λ)是对不同辐射源测量的。本文参考资料[1]中积分灵敏度和光谱灵敏度的关系,推导了D~*与D~*(λ)的关系式。辐射源的温度与测试D~*用黑体温度不同时,红外系统计算不能直接引用D~*;辐射源不是单色光时也不能直接引用D~*(λ)。在一些资料等中,作了倚化假设,仍直接用D~*作系统的计算,本文作者认为有进一步探讨之余地。本文以无背景辐射下系统信噪比的计算为例,引用了D~*和D~*(λ)推导中的处理方法,并参考[1]中有效辐射的概念,推导了任意温度辐射源的连续光谱照射下探测器信噪比的表达式。文中提出了用D_(max)~*及有效辐射功率P_(?)替代D~*及真实辐射功率P来进行计算的修正方法,以供批评讨论。     

测试装置空间分布对红外相机噪声等效温差测试的影响

红外相机的噪声等效温差（NETD）是评价成像质量的一项重要准则。红外相机NETD测试装置中的黑体辐射源、靶标、入瞳（平行光管加待测相机）三者的位置、口径需要满足一定的数学关系，否则会降低测试精度。基于几何光学理论、辐射度学，推导出红外相机测试系统中黑体辐射源、靶标、入瞳三者的空间分布关系，研究靶标孔处的测量温度与后方黑体辐射源温度之间的关系，建立数学模型，指导红外相机测试系统的试验，并结合一套测试系统，验证了测试装置空间分布满足本模型要求时，相对误差小于7.4%，否则测试精度迅速下降。分析了以靶标为目标时，靶标孔处的温度均匀性和稳定度的变化。     

红外目标模拟器校准系统的研制与应用

采用标准辐射和红外目标模拟器的辐射交替折转进入红外光谱辐射计的方法，研制的红外目标模拟器校准系统可以对红外目标模拟器进行直接校准．该系统由标准准直辐射源，光束偏转装置和红外光谱辐射计组成．标准准直辐射源由工作温度为50℃～1050℃的标准黑体和口径300mm的离轴抛物面作主镜的准直光管组成．光束偏转装置由口径465mm的反射镜和定位精度5″的转台组成．红外光谱辐射计采用圆形渐变滤光片CVF对入射的辐射分光，3个光谱工作区间为1μm～3μm，3μm～5μm和8μm～14μm。3个区间的测试数据显示了最小可校准的光谱辐照度低于10^-11／cm^2，系统的相对标准不确定度为2％．