基于低温辐射计的红外辐射定标方法

基于低温辐射计的红外辐射定标方法 基于低温辐射计的红外辐射定标方法C a lib r a t io n o f I n fr a r e d Ra d ia t io n Ba s e d o n C r yo ge n ic Ra d io m e t e r 林志强 郑小兵 张 磊 王 骥 中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室，合肥 (230031) LIN Zhiqiang ZHENG Xiaobing ZHANG Lei WANG Ji (Rem ote Sen si n g Depa r tm en t, An hu i In sti tu te of Opti cs a n d Fi n e Mecha n i cs,The Chi n ese Aca dem y of Sci en ces, Hefei 230031) 摘 要 在比较国际上基于低温辐射计的红外辐射定标技术的基础上，提出了以红外光源结合单色仪为辐射 源，及以腔式热电堆探测器和低温辐射计为探测器的红外辐射定标。介绍了其结构和工作原 理并给出了初步的定标结果。 关 键 词 红外辐射定标;低温辐射计;腔式热电堆探测器;单色仪 ， Ab s t r a ct Afte r c omp a ring d iffe re nt infra re d c a lib ra tion me thod s b a s e d on c ryog e nic ra d iome te rWe p rop os e a n infra re d c a lib ra tion me thod b a s e d on c ryog e nic ra d iome te r us ing infra re d s ourc e in ， c omb ina tion with a monoc hroma tor a s ra d ia tion s ourc e c a vity the rmop ile s d e te c tor a nd c ryog e nic ra d iome te r a s p rima ry s ta nd a rd d e te c tors . We p re s e nt the working p rinc ip le a nd a s c he ma tic d e s c rip tion of the ne w fa c ility. A s ta tus re p ort is a ls o g ive n on the d e ve lop me nt of this fa c ility. ;;;Ke y wo r d s infra re d ra d iome tric c a lib ra tion c ryog e nic ra d iome te rc a vity the rmop ile s d e te c tormonoc hroma tor + 中图分类号 P422.61 度逐渐加深以及近些年定量化遥为适应我国空间遥感和星上 引言1 感的提出，对于传感器的辐射定 有效载荷定标的要求，提高遥感数 近年来随着传感器技术的发 标精度要求越来越高，传统方法 据可靠性及应用的有效性，中科院 展，包括我国在内的很多国家已 安徽光学精密机械研究所遥感研 已难以满足卫星遥感对高精度辐 经把红外波段的遥感仪器搭载在 射定标的要求。基于此，从 世 究室于 年开展了基于低温辐 20 1996 气象、资源、测绘、海洋、环境监测 射计的高精度光辐射定标和标准 纪 年代开始，国际标准化组织 90 等遥感卫星上送入了太空。遥感 传递技术的研究。经过十余年的发 和一些发达国家开始了以低温辐 平台上的这些红外传感器能否为 m展，目前已经能够在 射计为初级标准的高精度光辐射 0.4 ~ 1.6 m 各 种 应 用 目 的 提 供 有 价 值 的 数 波段对标准传递探测器进行绝对 定标和标准传递的研究。由于低 据，不仅仅取决于传感器的 光功率响应率定标，其定标不确定 温辐射计综合利用了电替代、液 和性能，还取决于其光辐射准确 - 4 [1~4]度已达到 水平。氮液氦双层冷屏蔽和超导等先进 10 测量能力，这就需要对传感器进 技术，其光辐射测量达到了前所 随着红外探测器技术的发展 行绝对辐射定标。 [1]未有的精度。 随着遥感应用 逐 渐 广 泛 ，深 及遥感应用的需求，国内在轨或 ，进行反射来实现光功率衰WW) 34 减。由于红外光路不易准直，系统 利用 激光器来进行可见 He - Ne 光准直。 使用该系统得到钽酸锂 NIST 热释电探测器在 m的定标 10.6 m 不确定度约为 ，并且指出还0.48% 可以通过对探测器镀上金黑薄膜 [11]来提高不透明度。 基于黑体的低温辐射计红外 2 . 2 图 可调谐 激光器定标系统，，，:透镜;，，1 NI S T C O( LLLL- Zn S e WWW- 2 1 2 3 4 1 3 4 辐射定标系统 :楔形窗;，:起偏器;，:光阑;:快门;:斩波器;:反射镜; Zn S e P P AAS C M1 2 1 2 的 中 等 背 景 红 外 设 备NIST :针孔P H ) 如图 是一套基于黑体 ( MBIR) ( 2) 的 低 温 辐 射 计 红 外 辐 射 定 标 系 研制中的遥感卫星上的红外通道 辐射计红外辐射定标系统;基 3) 统。它可提供一个在 环境温 80 K 不断增多，对红外高精度辐射定 于单色仪的低温辐射计红外辐射 度进行辐射功率测量的条件。而 标的需求与日俱增，因此建立一 定标系统。 环境温度为 的辐射测量对 80 K 套基于低温辐射计的红外辐射定 基于调谐激光器的低温辐射2 . 1 于许多空间遥感仪器的定标是很 标系统是目前一项迫切的科研任 计红外辐射定标系统 目前在 务。 重要的。基于激光器的低温辐射 在 年建立之初，只有大 1998 计红外辐射定标系统研究方面处于 面积黑体源被安装到低温 [10~12]( LABB) 领先水平的是 和 。NPL NIST 基于低温辐射计的红外2 真空腔中，随后低温辐射计( ACR) 图 为 采用光栅可调1 NIST 辐射定标系统国外研究 和热红外传递辐射计( TXR) 相继进展 谐 激光器的低温辐射计定标 CO 2 装入。在所有设备安装后， MBIR英国 国 家 物 理 实 验 室 ( NPL) 系统。激光器的功率控制是CO 2 可以进行辐射源和探测器的定标 是国际上最早开展基于低温辐射 [13] 通 过 反 馈 回 路 来 实 现 的 。 由 于和表征。计的红外辐射定标系统研究的机 激光器的功率比低温辐射计 CO2 基于单色仪的低温辐射计红构之一，于 世纪 年代初建 2 . 3 20 90 的使用功率范围高 个量级，系 4 外辐射定标系统 立了 m波段基于低 400 nm ~ 20 m 统中利用 个 楔形窗，3 ZnSe ( W 1[5]基于单色仪的低温辐射计红 温辐射计的光谱响应率标准。随 后 美 国 国 家 标 准 和 技 术 研 究 所 和荷兰计量研究院( NIST) ( NMi - 相继建立了基于低温辐射计 VSL) ，[67]的红外光谱响应率标准，德国 耶拿高技术物理研究院 和( PTB) 加拿大国家研究委员会也 ( NRC) 加入了这一研究行列，并取得了 ，[89]一定成果。 目前国际上基于低温辐射计 的红外辐射定标系统根据辐射源 的不同主要有以下结构: 基于1) 调谐激光器的低温辐射计红外辐 射定标系统;基于黑体的低温2) 图 中等背景红外设备结构简图2 NI S T 围宽、系统可完全自动化、整体费 用低等优点，而且关键设备都已 商品化，技术成熟。 综上，基于单色仪的低温辐 射计红外辐射定标方案具有综合 优势，是目前初步开展基于低温 辐射计的红外辐射定标研究的最 佳方案。 基于低温辐射计的红外3 辐射定标方案 若该方案系统采用待测探测 图 光谱定标设备示意图3 NMi - VS L 器与低温辐射计直接比对进行定 标，由于入射到低温辐射计窗口 外辐射定标系统是国际上研究最格昂贵，故基于调谐激光器的低的光线有 的发散角，而低 7?( f/8) 早，也是目前应用最为广泛的低 温辐射计红外辐射定标方案非最 温辐射计前面的腔体太长导致光 佳选择。 温 辐 射 计 红 外 辐 射 定 标 系 统 。 线无法入射到接收腔底部的探测 、、等 研 究 机 基于黑体的低温辐射计红 NISTNPLNMi - VSL 2) 器上，因此必须将低温辐射计前 构都建立了基于单色仪的低温辐 外辐射定标方案。由于关键设备 的窗口和真空阀卸掉，但这要求 射计红外辐射定标系统，目前技 大面积黑体源和低温真空腔目前 引进真空腔以保持内部真空。但 术已经较为成熟。 市场上没有成熟的产品，研制涉 低温辐射计窗口和真空阀的拆卸 图 为 的 m及真空保持、低温控制、低温超导 3 NMi- VSL 1~ 20 m 必须由专业人员进行，而且真空 的基于单色仪的光谱定标设备示 等技术，难度大、费用高且周期 腔的价格很高，所以目前不宜采 意图，在大于 m时使用一个 2.5 m 长，在目前难以实现。 用直接比对方式。 氩弧和单光栅单色仪作为红外辐 基于单色仪的低温辐射计 3) 考虑了以上因素及实验室条 射源;小于 m时，使用一个 2.5 m 红外辐射定标方案，虽然定标精 石英的卤钨灯和一个双光栅的单 度有所降低，但具有光谱覆盖范 色仪作为光源。三个反射镜组成 的光学系统被用来匹配单色仪和 件，决定采用间接比对方式定标。 低温辐射计的 数，只有极小可 F 忽略的象差。除组成光源外，整个 表 三种定标方案的比较 1 设备密封于箱中，降低了因环境 辐射源 优点 缺点 [6]而产生的温度变化。 定标方案比较2 . 4 定位精度高;整体费用高;1) 1) 以 上 定 标 方 案 各 有 其 优 缺 光谱辐射功率高激光波段有限;2) 2) 激光 点，如表 所示。1 激光调谐难以实现自动化，实验 3) 基于调谐激光器的低温辐 1) 时间长 射计红外辐射定标方案。调谐激 整体费用高;1) 定标环境与实际应用 光器具有发散角小、光斑纯净、光 1) 关键定标设备需要据具体要求 2) 类似; 功率稳定和几乎没有杂散光影响 黑体 研制，系统建立周期长; 定标精度高; 2) 等优点，但因调谐性较差，在 1 ~ 实验条件要求苛刻，保持费用高3) 系统可实现自动化3) m波段必须使用多台调谐激 12 m 光器，而红外波段的调谐激光器 光谱覆盖范围宽;单色仪和灯有很多固有误差1) 1) 目前国际上鲜有商品化产品且价 系统可完全自动化;整体精度不高2) 2) 灯单色仪+ 整体费用低;3) 技术较成熟4) 首先在红外光谱比较系统上利用 、数 为 的 光 栅 单 色 300 mm F f/4 一个平响应的腔式热电堆探测器 仪的入口狭缝处，采用椭圆反射 做为初级标准，建立连续相对光 镜是为了最大限度地利用光源能 谱响应率标准;然后在可见近红 - 量。 外定标系统上利用单立波长激光 光源的辐射经过光栅单色仪 器在几个波长上与低温辐射计比 分光后从出口狭缝处出射，波长 对进行绝对光谱响应率测量。这 的变化由软件控制闪耀光栅转动样通过计算即可得出待测探测器 、分别用 实现。离轴抛物镜 MM12 在各波长上的绝对光谱响应率。 来匹配单色仪和探测器的 数， F 采用这种定标方案虽然定标精度 从而使象差可忽略，在实际应用 略低，但大大降低了系统费用并 图 腔式热电堆探测器截面图5 中为了简化光路调整步骤，对两 充分利用了现有设备，是进行红 个离轴抛物镜采用整体式设计， 外 辐 射 定 标 初 步 研 究 的 最 好 方 组成离轴抛物镜反射系统。在探 案。 射通量提高一个量级。测器前端，通过一个滤光片轮将 在第一个阶段，用腔式热电 探测器3 . 2 截止滤光片移到光束中，用来抑 堆探测器做为标准探测器，TS- 76 腔式热电堆结构如图 所示， 5 制光栅的高级光谱。标准探测器 探测器和扩展 探测器作 InGaAs 图中采用的薄膜热电堆探测器是和待测探测器的水平和垂直定位 为传递探测器，建立 m的 1 ~ 3 m 从 引进的。薄膜热电堆由 PTB 76 绝对光谱响应率标准;在第二个 是通过软件控制的电动平移台来 个热电耦结合而成，响应面直径 7 阶段，利用腔式热释电探测器做 实现的。为了降低由于房间杂散 ，响应波段 m，表面涂有 mm 1~ 3 m 为 标 准 探 测 器 ，探 测 器 和 InSb 光引起的背景信号产生的影响， 银黑吸收层，具有相对较高的吸收 探测器做为传递探测器， HgCdTe 整个系统除光源和单色仪外，都 率。将薄膜热电堆探测器与入射光 完 成 m的 绝 对 光 谱 响 应 3 ~ 12 m 放置在一个内表面都涂上黑漆的 线 成 安 装 在 一 个 直 径 为 率标准。 47?25 密封箱中。 红外光谱比较系统的镀金半球反射器中心，加上 3 . 1 mm 在红外区域大多数光源输出 反射器的作用是没有一个单独的 图 为红外光谱比较系统的 能量较弱，导致在红外光谱辐射 4 吸收层能够完全吸收红外辐射。辐 定标中系统信噪比太低。为了尽 光路图，这套系统可 实 现 1 ~ 12 射线被探测器反射后又通过反射 量降低光在传输过程中的损耗， m的相对光谱响应率定标。在m 器反射回。此设计增加了对光线的 提高探测器接收到的光谱辐射通 m采用卤钨灯作为红外光 1 ~ 3 m 吸收，使腔式热电堆探测器的响应 量，对红外光谱比较系统中所有 源 ，在 m用 陶 瓷 红 外 元3 ~ 12 m 率在很宽的光谱范围内可以认为 反射镜进行镀金，并采用效率更 [6]件，红外光源出射的光线经过椭是不变的。 高的光栅。通过以上设计及使用 圆 反 射 镜 会 聚 后 成 像 在 焦 距 为 扩展 探测器 如图 InGaAs ( 6) 椭圆反射镜，可将系统的光谱辐 采 用 了 日 本的Hamamatsu 作为响应元件。探测器 G5853- 23 响应面直径为 ，响应波段为3 mm m。通过在探测器响应元 1.2~2.55 m 件前加入积分球提高了响应面的 均匀性并增大了接受面。积分球作 为一个散射腔，把入射光经各方向 上的多次反射而均匀分布。探测器 置于球的内部表面，以接受均匀的 光辐射通量。由于固定的机械设 计，响应片所接受的光功率与入射 积分球的光功率成正比。 图 红外光谱比较系统光路图4 表 探测器绝对光谱响应率 2 T S - 7 6 的不确定度 不确定度来源 不确定度 低温辐射计功 0.02 率测量 定标系 统 腔式热电堆 0.1 图 绝对光谱响应率 7 T S - 7 6 单色仪 图 扩展探测器装配示意图6 I n Ga As 0.1 重复性 线性通过电替代方法 TS - 76 0.1 绝对光谱响应率不确定4 测出，线性优于 。探测器的均 0.2%线性 0.2 度匀性是圆对称的，中心和边缘的 TS- 76 采用上述的方法对 探 TS- 76 均匀性 差异小于 。 0.5%0.5 测 器 进 行 了 绝 对 光 谱 响 应 率 定 依据国际通用考察测量 标，其绝对光谱响应率曲线如图 7 输出功率 0.03~0.28 中不确定度因素来源，不确定度 所示。 均采用测量过程中的最大值，得联合不确定度 探测器不确定度结果 TS - 76 0.57~0.63 到了如表 所示的 探测器 1 TS- 76 主要由两部分组成:测量系统本 绝对光谱响应率的不确定度分析 身的不确定度和探测器本身参数 进行绝对光谱响应率定标的可行结果。 性，指出可以通过采用性能更好 的测量不确定度。 从表 看出，影响 探 2 TS- 76 的探测器来改善绝对光谱响应率 测量系统本身的不确定度包 测器最终不确定度结果的最主要 的不确定度，下一步实验中将采 括:低温辐射计功率测量的不 1) 因素是线性、空间均匀性等探测 用性能更好的扩展 探测 InGaAs 确定度包括窗口透过率、非等效 器本身参数测量的不确定度。 器进行绝对光谱响应的测量。 因子、电加热功率、腔体吸收率 等，此项的评估引用了之前的测 [4]量结果，不确定度优于 。0.02% 收稿日期: 2006- 09- 07 结论5 腔式热电堆的光谱响应率并不 作者简介:林志强()，男，福建 2) 1982 - 提出了 m的红外辐射 1~ 12 m 人，中国科学院安徽光学精密机械研 是固定值，不同波长的光谱响应 定标新方法并初步建立了红外辐 究所遥感研究室硕士研究生，主要从率差异小于 。在光谱比较 0.1%3) 射定标的光谱响应率标准。本文 事红外辐射定标方法、自动化光辐射 系统中采用了单色仪，这比采用 介绍了标准的传递过程、定标设 测量仪器等方面研究工作。 激 光 器 带 来 了 更 多 的 不 确 定 因 备的原理及改进探测器的结构并 :E - mailzqlin@aiofm .ac .cn 素。主要有:杂散光，波长不确定 利用建立的系统对 在 TS - 76 1 ~ 导师简介:郑小兵()，安徽人， 1969 - 度，带宽效应，几何效应，输出稳 研究员、博士生导师，主要从事光辐 m的绝对光谱响应率进行了 3 m 定性等，在 m射测量的先进方法与仪器、卫星光学 波段内不确 1 ~ 3 m 测量，其不确定度优于 ，不0.63% 传感器的高精度定标、光学遥感和光 定度小于 。 0.1% 确定度主要取决于探测器本身特 学海洋学等方面的研究。性。实验结果表明采用上述方法 :E - mailxbzheng@aiofm .a c.cn 参 考 文 献 不确定度优于 的绝对光谱响应率标准探测器光学学报郑小兵吴浩宇章骏平 等 1 , , . 0.035%[J]. , 2001, 2 1 (6):749~752李双王骥章俊平等可见近红外基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究光学学报2 , , . - (488~944 nm) [J]. , 2005, 2 5 (5):609~613 近红外高精度光辐射标准探测器的实验研究光学技术，李双吴浩宇李照州 等: 3 , , . 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Metr ologi a , 1998, 3 5 :323~327 上接第 77 页在本次展会期间，编辑部向广大观众免费派发了() 作了“激光器设计及制造方式的革 Allen Ashmead 《激光与光电子学进展》、《中国激光》、《光学学报》、新:工业激光器如何得益于最先进的光通讯器件技 等 国 内 著 名 光 电 期 刊 Chi n ese Opti cs Letter s 1600术”的报告。这些报告向与会听众展示了激光的前沿 余份，收到近 份的读者索阅信息表。同时，我们 200 技术在各个领域的最新应用。 利用本次展会的大平台，走访了与我们长期合作的 企业，如肖特、相干、科艺、普爱纳米、上海瀚宇、晨辉 光学期刊联合编辑部盛装参展日升、长春新产业等，向他们赠送相关资料，并就产 中科院上海光学精密机械研究所光学期刊联合 品宣传以及市场调研方面进行了深层次的沟通，达 编辑部作为本次展会的重要支持媒体应邀参展，作为 成众多的合作意向。 国内光电媒体的领军单位，光学期刊联合编辑部在本 另外，展会期间我们还受到很多外国媒体、企业的次展会中成为焦点展位，受到广大从事光电行业设计 关注，大家就期刊出版、产品宣传、期刊国际化发展等 研发、市场调研、产品销售等人员的大力关注。 方面的合作交换了意见。