基于辐照度标准传递的辐亮度校准系统优化

岳智革　刘　福　雷正伟　赵贵军　李鹏程

(1.军械技术研究所，石家庄 050000；2.军械工程学院, 石家庄 050000；3.总装备部沈阳军事代表局，沈阳 110015)

0　引言

作为精密仪器的光学设备，随着出厂时间的增加，粉尘、湿度、温度等外部环境的侵蚀，会严重影响滤光片等重要器件的性能，特别是光源设备，会因老化而不能满足额定要求。

在国军标对被测设备进行合格判定时，要求检测设备与其校准设备的测试不确定度比(Test Uncertainty Ratio，TUR)不低于4:1[1]。由此，针对设备检测的技术要求，在辐亮度的测量允许差为±20%时，所设计的辐亮度校准设备的测量不确定度应该≤5%。军械技术研究所黄滔[2]等人基于辐照度标准传递，设计了辐亮度校准系统。该系统不仅能够保证设备的计量溯源，还保证了国军标计量的相关要求，但在野外环境中操作不便，本文即基于该系统在野外环境下的方便性操作进行优化。

1　辐亮度校准系统

辐亮度校准系统主要由平行光管、特制滤光(分光)镜、积分球系统和光电探测单元等部分构成。系统的构成主要完成三个方面的功能：根据被检对象的波谱范围，提供光辐射标准源；探测光辐射目标亮度，并经过相关电学量与光学量转换传递到国家标准；系统相关辐射量值的自标定。系统实际工作流程(见图1)为：经过滤光(分光)镜处理的辐射信号，通过平行光管光学系统，进入积分球中进行辐亮度与数码值的转换，将数码值传递到探测器中转换为电信号，进而进行滤波和放大，获得较高信噪比的模拟信号。最后进行模数转换，交由计算机进行后续的处理。

图1　系统组成及原理框图

由图1可知，积分球系统是光学系统和电子学系统的纽带，操作也较为复杂，系统优化即从积分球系统入手。

2　积分球系统优化

为了控制环境条件引入的测量不确定度，在原系统中就采用了小型积分球的设计原则，通过高反射比的内涂层来提高内部的反射效率。然而在内部光源设置中使用了发光二极管(LED)，该器件在特制小型积分球中使用时可以满足需要，虽然经过了老化试验的筛选，但是在系统需要大口径积分球的情况下，作为内径≥500mm的积分球，LED器件并不能够满足出光口均匀性等特性的要求。

基于成本和系统稳定性考虑，溴钨灯作为基底光源是最佳选择。中科院刘洪兴等人研究了基于溴钨灯和LED积分球光源的光谱匹配，并引入模拟退火算法(Simulated Annealing，SA)作为光谱匹配算法进行应用[3]。

在匹配试验中，选用标准灯为国际照明委员会(Commission Internationale de L`Eclairage，CIE)规定的D65标准光源，该光源具有近似真实日光的光谱功率分布；LED选用Epitex LED。由表1可以看出，当用大量小功率LED满足光谱覆盖时，需要数量高达4000以上，会因为内部光源所占面积太大，而无法满足开口比的要求，从而无法保证积分球出光口均匀性，同时也给电路控制造成了极大的困难；为了满足开口比条件，就必须压缩内置光源的所占面积，从而大量使用大功率LED光源，但这又给光谱覆盖提出了新的困难。此外，大功率LED散热也会给系统设计造成一定的困难。

表1中混合光源匹配比单纯的LED匹配在标准灯光谱匹配和等能光谱上同比减少约80%和83%，匹配方式效率更高。优化设计中采用LED可调定标光源与基底光源结合的方式，LED将发挥两个方面的作用：作为定标光源，为积分球的自定标提供便利，实际是作为定标参考光源出现[4]；作为可调光源，满足光谱覆盖功能。基底光源一般采用溴钨灯或氙灯，它们在可见光波段光谱丰富且相对稳定。

表1　分别使用LED和混合光源匹配结果参数

优化后的系统量值传递定标工作流程为：前期将LED定标光源进行国家标准溯源，使不同组合的光源辐亮度成为已知。通过LED定标光源不同辐亮度组合，定标辐射计的输出；利用定标光源已知的辐亮度和辐射计的输出，得出两只之间的比例系数，随后利用内置探测器，测出DN值(积分球探测器出光口数码/灰度值)输出，同时用定标过的辐射计测出积分辐亮度。调节LED组合，得出DN值与积分辐亮度的多组数据，并进行线性拟合，得出拟合方程(如图2所示)。在使用过程中，只需要观测积分球内置探测器的DN输出值，结合拟合方程，在结果中乘以比例系数，便能够得出积分辐亮度值。

图2　辐射亮度量值传递定标过程

该自定标过程有以下优点：1)实现量值的传递和溯源；2)内置LED光源用以定标辐射计，减少了其他器件的操作和相关不确定度的引入；3)LED光源定标及首次使用的辐射计[5]在实验室业已完成，简化了野外工作的测量流程，优化了资源配置。

3　积分球系统优化性能测试

积分球作为系统中光辐射传递的纽带，在其出光口均匀性和角度分布均匀性(余弦特性)方面都有着特定的性能要求。

3.1　自定标线性拟合

在以可见光波段为对象的400～800nm波段范围内进行定标。表2中显示，DN值为100左右至20000以上，实际模型中可以达到50000左右，这为类似定标试验复现提供了便利。由拟合统计(如图3所示)可知，拟合方程为：

表2　400～800nm积分球定标数据

L=0.00241DN+0.217

式中，L为积分辐亮度，调整决定系数为99.994%，几乎完全呈现线性关系。

图3　积分球定标线性拟合

3.2　光源出口非均匀性

将积分球开口面等角度间隔划分为8个扇形区域，并以开口中心为圆心等间隔分别取5组不同半径不同的圆，其与扇形的40个交点作为测量点,将算术平方值和方均根误差值之比作为非均匀性误差，如表3所示。

表3　非均匀性误差数据

3.3　余弦特性分析

在位于积分球开口中心高度的水平面上以开口中心为圆心，开口半径为半径作一个半圆，把这半个圆周等角度分成18份，用辐亮度计分别在圆周上17个点(端点除外)处测量开口中心的辐亮度，这些值和辐亮度计在半圆周中心点(即辐射计光轴垂直于开口平面时的观测点)处的观测值之差即为偏离余弦特性的偏差，如图4所示。

图4　余弦特性曲线

4　系统测量不确定度分析

在经过测量之后得知，积分球出口的辐亮度均匀性不确定度uA1为0.54%，4h内积分球出光口辐亮度稳定度不确定度uA2为0.6%，余弦特性良好，不确定度可忽略不计。

其余不确定分量主要包括以下几个方面：

1)LED定标光源[6]输出辐射亮度不确定度uA3约为0.21%； 2)标准灯辐射亮度不确定度uB1约为1.1%[7]；3)辐射量值传递为均匀分布，不确定度uB2约为0.5%；4)探测器不均匀性和噪声输出为均匀分布，不确定度uB3约为0.5%；5)拟合算法对校准数据产生的不确定度uB4约为0.5%。

上述各不确定度分量不相关，假设为均匀分布，则合成不确定度[5]:

=1.7%

当k取2时，扩展不确定度

U=kuc=3.4%

5　结束语

辐亮度校准系统的建立，能够满足光辐射的测量，但由于野外测量时所携带器件较多，使用时很不方便。经优化后的系统能够满足基本性能，不确定度提高0.4%，提高虽与技术革新有关，但优化后的系统使用流程大大缩减，也更加便于野外操作。

[1]GJB 5109—2004,装备计量保障通用要求[S]

[2]黄滔，孟晨，刘福, 等.基于辐照度标准传递的辐亮度校准系统[J].军械工程学院学报，2009,21(3):22-25

[3]刘洪兴，任建伟，李葆勇 ,等.基于溴钨等和LED积分球光源的可调谐光谱分布和光谱匹配[J].发光学报，2011,32(10)：1074-1079

[4]郑小兵，袁银麟，徐秋云, 等.辐射定标的新型参考光源技术[J].应用光学，2012，33(1)0:11-107

[5]周磊，吴浩宇，郑小兵.通道式辐射计相对光谱响应率定标[J].计量学报，2007(1)：37-41

[6]任建伟，麦镇强，万志, 等.星上LED定标光源的可行性研究[J].光学精密工程，2008,16(3)：398-404

[7]杨小虎;王淑荣;黄煜 等.基于标准探测器研究标准灯光谱辐照度和漫反射板双向反射分布函数随波长的变化[J].光学学报，2011(6)