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。     

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%。     

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。     

迈入21世纪的光辐射计量测试技术

从分析光辐射计量技术的发展现状出发,介绍了进入21世纪光辐射计量技术几个新的研究方向,包括新的光辐射量传方法和强激光极限计量。量传方法中介绍了黑体辐射量传体系、低温辐射计量传体系、同步辐射源紫外光辐射量传体系等。在激光极限计量中重点介绍了高能激光功率能量测量的各种方法。介绍了国防科技工业光学一级计量站在光辐射计量测试方面的一些工作,包括光谱辐照度、辐亮度标准、黑体辐射源标准、面源黑体校准装置和光辐射探测器光谱响应度测量装置等。     

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％．     

真空低温高灵敏度中红外辐射计EI北大核心CSCD

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1×10-5Pa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。     

基于热红外标准辐亮度计的常温黑体定标技术

常温黑体作为红外光电探测系统的定标光源,其辐亮度的不确定度直接决定了被定标红外系统的探测精度。为了提高黑体的现场定标精度,采用标准辐亮度计开展了面型和腔型结构的三种黑体的辐射定标实验研究。标准辐亮度计溯源于国家计量院标准黑体,不确定度为0.22%。通过直接测量三种黑体的绝对辐亮度,获得了辐亮度温度,并进一步导出了发射率。结果表明,三种黑体的设置温度与其辐亮度温度存在0.6~2.6 K 的差异,由此产生的绝对辐亮度的不确定度达1.4%~5.5%。基于标准辐亮度计的直接定标法避免了温度和发射率测量引入的不确定度,有利于实现黑体现场系统级定标和绝对辐亮度监测。     

噪声等效光谱辐亮度定标系统的性能测评

噪声等效光谱辐亮度（NESR）是代表红外遥感器极限探测能力的关键性指标。高灵敏红外遥感器的NESR定标需要高稳定、高均匀和充满视场的红外辐射光源,其光谱辐亮度的不确定度应当显著低于红外遥感器的NESR。针对一种新型的级联积分球型大孔径NESR定标系统,开展了NESR定标不确定度的实验测试研究,评定了绝对光谱辐亮度的量值溯源、积分球输出的均匀性和稳定性等11种不确定性因素的影响。测试结果表明,在规定的303~308 K亮温范围内,主积分球光谱辐亮度的相对不确定度优于0.34%,6~15 μm波段的NESR定标不确定度优于0.1~0.0037 μW·cm?2·sr?1·μm?1,验证了新型定标系统应用于高性能红外遥感器NESR定标的可行性。     

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。     

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。     

Onboard calibration of the ASTER instrument

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) is a high spatial resolution optical sensor for observing the Earth carried on the National Aeronautics and Space Administration Terra satellite. ASTER consists of three radiometers covering the following regions: visible and near-infrared (VNIR), shortwave infrared (SWIR), and thermal infrared (TIR). The preflight calibration of VNIR and SWIR utilized standard large integrating spheres whose radiance levels were traceable to primary standard fixed-point blackbodies. The onboard calibration devices for the VNIR and SWIR consist of two halogen lamps with photodiode monitors. In orbit, all three bands of the VNIR showed rapid decreases in the output signal while all SWIR bands remained stable. The TIR onboard blackbody was calibrated against a standard blackbody from 100-400 K in a vacuum chamber before launch. The TIR is unable to see the dark space. The temperature of the TIR onboard blackbody remains at 270 K for a short-term calibration to determine any offset and is varied from 270-340 K for a long-term calibration of both the offset and gain. The long-term calibration just after launch was consistent with the prelaunch calibration but then showed a steady decrease of the TIR response over the five years of operation to date.     

红外标准辐亮度计的研制及定标

黑体参考光源辐亮度精度是决定红外遥感器绝对辐射定标精度的关键因素。为了提高黑体辐亮度测量精度,设计了一种直接测量黑体辐亮度的红外标准辐亮度计。描述了整个系统的光机设计方案和工作原理,利用高精度水浴黑体对辐亮度计进行定标。实验结果表明:辐亮度计的1 h非稳定性优于0.03%;测量黑体辐亮度不确定度达0.22%,相当于308 K时辐亮度温度不确定度73 mK。该标准辐亮度计具有系统级测量、高精度溯源等优点,可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的溯源。     

大气垂直探测仪内辐射定标方法研究

文章针对风云四号气象卫星上的星载傅立叶变换光谱仪的结构特点,采用内黑体插入 中间光路进行辐射定标,具体给出实现的原理和方法,提出望远镜与黑体转向镜传输率的在轨测量方法。内辐射定标方法为下一代遥感仪器星上红外辐射定标提供了新途径。     

红外热像仪高精度测温标定技术

红外热像仪能够监测目标温度从而起到事故预警与位置确认、大规模人体表面温度筛查等作用。由于环境温度变化与红外辐射吸收产生的温度漂移现象,目前大部分测温红外热像仪需要采用黑体进行实时校正,但是基于黑体的红外热像仪架设场景固定,便携性差。针对以上问题提出了一种无黑体式红外热像仪测温标定和温度补偿技术,通过对红外测温原理进行推导,采用多黑体标定获得目标温度与辐射量的先验关系,针对探测器内部结构引起温度漂移,由牛顿冷却定律进行非线性建模实现实时温度补偿。通过实验验证,所提出的测温标定技术可将测温平均相对误差长时稳定保持在0.9%以内,相比于标定前平均相对误差有效降低64%,从而实现小型化红外热像仪便携、实时、稳定高精度测温。     

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)。     

傅里叶变换红外光谱辐射定标方法的研究

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术,对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。给出了两点定标、线性多点定标和非线性多点定标的具体算法,使用傅里叶变换红外光谱仪,测量了HFY-302B和HFY-300B型黑体在不同温度下的辐射谱,其中一些辐射谱用于定标,使用另外一个特定温度下的辐射谱来检验定标结果,结果表明,线性多点定标方法更加准确。     

3～5μm红外探测器的辐射定标

在对目标进行红外跟踪测量时,为了得到目标空间位置的同时,获得其红外辐射特性数据,设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统。以高精度的面源黑体为标准辐射源,对成像范围为3～5μm的中波红外探测器进行了响应度的标定。首先建立定标数学模型,确定定标流程;然后使用线性回归统计模型对响应度曲线进行拟合并评估,针对一般线性最小二乘法对局外点(outlier)敏感的缺点,提出Robust优化算法;最后,在外场对温度和特性已知的目标进行测量,通过实验室得到的响应度曲线和大气透过率参数进行红外辐射特性数据的反演,得到实际测量值与理论值的相对误差小于2%。结果表明,Robust优化算法能有效改善红外焦平面阵列响应度非线性引起的反演不确定度。