光度学 光度计量与装置

O432.22006010006光谱辐照度测量的数学模型及其方法研究=Mathematicalmodel and method for measurement of spectral irradiance[刊,中]/刘建平(西安应用光学研究所.陕西,西安(710065)),张辉…∥应用光学.—2005,26(6).—70-73为提高光谱辐照度的测量精度和量值溯源等问题,国防科工委光学计量一级站采用BB3200K高温黑体作为基准的辐射源,以新型辐射测温法为基础,通过一系列光辐射理论和几何原理推导出辐射温度与辐射光功率之间的关系。通过对光辐射功率的绝对测量,结合低温辐射计,完成了光谱辐照度量值的精度测量。该理论奠基了以探测器…     

系统级定标方法实现基于低温辐射计的标准灯400～900nm波段光谱辐照度

为提高光辐射工作标准精度和满足遥感器高精度辐射定标需要,开展了以低温辐射计为初级标准,滤光片辐射计为传递标准的标准灯光谱辐照度实现研究。通过滤光片辐射计响应的系统级定标、辐照度标准灯物理模型和递归迭代优化算法,由滤光片带宽下的积分响应得到辐照度标准灯的连续光谱分布。系统级的定标方法避免了滤光片透射率、几何因子测量和使用与标定状态不一致引入的不确定度。初步结果表明,该方法实现的400～900 nm波段标准灯光谱辐照度与基于国际温标(ITS-90)高温黑体标定的结果相对差别在后者的不确定度范围之内。在国内尝试实现了基于低温辐射计的标准灯光谱辐照度标准传递,对提高光辐射计量、辐射测温以及遥感器特别是高光谱遥感器辐射定标精度有重要意义。     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

光纤激光功率溯源至低温辐射计方法

介绍了1.3 μm/1.5 μm光纤激光功率溯源至低温辐射计的测量方法,与传统溯源至绝对辐射计的方法相比较,最终利用低温辐射计法通过633 nm波长稳定光源标定陷阱式探测器,然后用陷阱式探测器将量值传递到陷阱式量传探测器,最后通过1310 nm/1550 nm通信用光功率稳定光源通过热释电光功率计标定InGaAs光电探测器并用于测量光纤功率。实验结果表明,溯源至低温辐射计的光纤功率测量方法在1310 nm及1550 nm波长点处对一标准光功率计修正系数测量的相对标准差分别为0.0011及0.0007,其测量不确定度可优于0.6％(k=2),在保证量值一致性的同时有效降低了测量不确定度,提高量值传递精度。     

溯源至低温辐射计的硅陷阱探测器紫外波段绝对光谱响应度测量

介绍了溯源至低温辐射计的紫外绝对光谱响应度测量装置,对硅陷阱探测器在三个激光波长点进行了绝对光谱响应度校准实验.测量了硅陷阱探测器的空间均匀性和非线性系数,分析了影响测量准确度的各不确定度分量.实验表明:硅陷阱探测器在紫外波段266、325、379 nm三个激光波长点处的绝对光谱响应度测量扩展不确定度分别为0.19％、0.14％、0.11％,可作为紫外波段光辐射功率基准保持和传递的标准探测器,用于提高紫外波段光谱辐射度的校准能力.     

溯源至低温辐射计的硅陷阱探测器紫外波段绝对光谱响应度测量（英文）

介绍了溯源至低温辐射计的紫外绝对光谱响应度测量装置,对硅陷阱探测器在三个激光波长点进行了绝对光谱响应度校准实验.测量了硅陷阱探测器的空间均匀性和非线性系数,分析了影响测量准确度的各不确定度分量.实验表明:硅陷阱探测器在紫外波段266、325、379nm三个激光波长点处的绝对光谱响应度测量扩展不确定度分别为0.19%、0.14%、0.11%,可作为紫外波段光辐射功率基准保持和传递的标准探测器,用于提高紫外波段光谱辐射度的校准能力.     

太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求,研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状,并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案,以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪,通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标,使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明:太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300~2 400 nm,光谱分辨率为3~10 nm,输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%~0.5%;积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300~2 500 nm,光谱分辨率为1~8 nm,太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪,可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。     

可见-近红外(488～944 nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究

报道了可见-近红外波段(488～944nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0．016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见-近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0．028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

光谱辐射照度量值复现中计算大口径固定点黑体拐点温度的新方法

我国光谱辐射照度基准量值复现的理论基础是普朗克定律,它揭示了波长、温度和光谱辐射照度之间存在着精确的定量关系。采用比较法、通过卤钨灯来进行光谱辐射照度量值的保存与传递。其中,黑体的温度测量在量值复现中是最主要的不确定来源。以往都是采用变温黑体作为量值复现的辐射源,其温度通过高温计溯源至温标固定点黑体。为满足我国对地观测、气象遥感、应对气候变化、海洋水色等领域对光谱辐射照度高精度的测量需求,中国计量科学研究院NIM建立了一套14 mm大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体系统,作为基准辐射源直接复现光谱辐射照度量值,进一步缩短了量值溯源链,减少了温度测量误差。实验中高温计用来测量黑体的相对温度,采用固定点熔化温坪曲线的拐点POI值校准后得到温度绝对值。因此拐点POI的合理评估计算就十分重要。与小口径WC-C固定点黑体不同,大口径固定点的熔化温坪曲线的持续时间更长,但温度起伏也更大,因此广泛用于小口径固定点的传统拐点POI算法不再适用。提出了一种可筛选多次拟合法,用于计算大口径固定点黑体的拐点温度。采用3 mm小口径WC-C和Re-C固定点对新方法的有效性进行验证,结果表明新方法与三种传统方法的平均值的最大偏差为-0.007和-0.001 K,在500 nm引入的光谱辐射照度测量误差分别为0.002 2%和0.000 3%。进一步采用14 mm大口径WC-C大口径固定点对新方法的稳健性进行验证。分析比较了筛选条件、数据平滑处理、拟合范围对拐点POI计算结果的影响,新方法和三种传统POI计算方法的最大影响量分别为0.001和0.633 K,在500 nm引入的光谱辐射照度不确定度分别为0.000 3%和0.20%。所提出的新方法能够有效减小外界因素引入的温度误差,进一步提升光谱辐射照度量值的复现准确度,更适用于大口径高温固定点黑体拐点温度的计算。     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

基于多光谱法的激发温度和辐射温度瞬态测试技术

近些年来,随着国内外尖端科技快速发展,温度测量无论是对于国防建设领域还是对于工业制造领域都有着极为重要的指导意义和研究价值。尤其在瞬态超高温测量方面,测温精度要求更为严苛。测温方法多种多样,多光谱法由于其精度较高且适用性强,被国内外专家广泛运用。基于多光谱测温法,提出一种新的能够同时高精度测量目标的瞬态激发温度和辐射温度的方法。该方法通过查找可信度更高的目标物理特性数据以及更为精确的多光谱直线拟合方法,精准计算得到目标激发温度。通过建立更加准确的数学模型和算法,减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量。通过相关测温实验表明,系统测温精度达到3%。     

结构光测量中获取高精度相位的新方法

随着制造技术的快速发展．三维光学测量技术也得到迅速的发展,利用双目CCD(电耦合插件)摄像机记录的光栅投影测量技术是一种新型的光学测量方法。在该方法的测量过程中,通过测量相位值取得测量空间。为了获得连续的高精度测量相位值．提出一种结合了格雷(Gray)编码并能够优化相位精度的相移方法,该方法通过投影相位传递函数来优化测量相位值。为了消除光栅投影图像中非正弦、周期变化和其他干扰因素的影响,给出投影光栅一种新的光强函数,利用这个光强函数能够进一步提高投影光栅测量相位精度。最终,通过插值测量相位精度能达到亚像素级．     

低温辐射计不同结构黑体腔吸收率仿真与实验测量

目前,国际最高光辐射功率基准为低温辐射计,其可探测光谱范围覆盖真空紫外到太赫兹波段(115 nm～T Hz),利用真空低温超导条件下的电替代测量原理,将光辐射功率参数溯源到可以精确测量的电参数进行高精度测量,实现超宽光谱范围的光辐射绝对功率测量,其测量不确定度达到10-5量级,尤其在国防军事和光辐射计量领域,光电有效载...     

光谱仪联合使用提高谱线的测量宽度

为了提高光谱仪测量谱线的精度,推导出计算机自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领等参量公式,提出一种将两台光谱仪联合使用以提高谱线测量精度的测量方法.理论分析了两台光谱仪联合测激光线宽的原理,并用两台光谱仪联合使用对He-Ne激光谱线宽度进行了测量.实验结果表明,两台光谱仪联合测量He-Ne激光谱线的半峰全宽的放大倍数3.38×105,比单台光谱仪测量至少可以将谱线宽度的测量精度提高5个数量级.     

台阶高度测量方法研究现状及进展

台阶高度测量是目前新提出的国际计量比对项目之一,当前的趋势是向纳米量级精度发展并尽量扩大测量范围。在分析现状和背景的基础上,大致归类了测量台阶高度的几种光学方法,着重介绍了其中绝对干涉方案的最新进展,从测量原理、测量精度以及量程等几方面比较了它们的优缺点。在此基础上提出以可调谐半导体激光器作为光源,采用可调合成波长链法实现纳米级精度毫米级量程的台阶高度测量,详细分析了方案的原理误差,得到最后的结论。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

高温黑体性能评定和温度测量

中国计量科学研究院引进了高温黑体BB3500M作为新的光谱辐射照度基准光源。黑体BB3500M包括辐射腔体和温度反馈系统。辐射腔体由一系列高温热解石墨环组成,可以加热至3 500 K。在光谱辐照度测量中,高温黑体的性能参数和温度测量至关重要。对于黑体的性能参数,着重考察了黑体温度的稳定性和腔底温度的均匀性。在将高温黑体的光谱辐射照度传递给工作标准灯时,黑体的温度可能发生改变。实验观测了一小时内黑体的温度漂移情况。当高温黑体加热至3 016 K时,采用温度反馈系统的BB3500M稳定在0.3 K。实验光路中设置了限制光栏,用于屏蔽来自黑体腔壁的辐射。黑体腔底辐射环的温度均匀性优于0.2 K。在温度测量中,2 473 K以下的温度可以直接溯源到中国计量科学研究院热工处,对于更高温度的测量需要进行温度延伸。文中从普朗克公式出发,通过多波长亮度比较法进行了温度延伸。实验先在低温区进行延伸证实了方法的可能性,然后进行了高温区的温度延伸。