红外光谱发射率测量系统的温漂修正方法

张宇峰，戴景民，陆晓东，邵珠峰，吴元庆

1.渤海大学新能源学院，辽宁 锦州 121013 2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001

红外光谱发射率测量系统的温漂修正方法

张宇峰1，戴景民2，陆晓东1，邵珠峰1，吴元庆1

1.渤海大学新能源学院，辽宁 锦州 121013 2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响，分析探测器温度与输出电压之间的变化规律，提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系，对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合，得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程，计算光谱响应度的温漂修正系数，修正探测器的输出电压，消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。研制光谱响应度温漂修正装置，测得探测器光谱响度的温漂曲线，对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度，结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好，提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。

光谱响应度；温漂修正；多项式拟合；发射率测量系统

引 言

红外探测器(infrared detector)是将目标的红外辐射信息转变成相关电信号的光电转换器件，广泛应用于红外辐射测温[1-2]、材料光谱发射率测量领域[3-4]。对基于积分球反射计的光谱发射率测量系统而言[5]，红外探测器的光谱响应度对测量结果重复性起到至关重要的作用。

光谱响应度是红外探测器的重要参数之一，定义为探测器输出电信号(电压或电流)与入射光谱辐射量(辐射亮度或辐射功率)的比值[6-7]。在发射率测量领域，环境温度影响光谱辐射亮度测量装置中探测器的工作温度，导致探测器自身温度产生不同程度的温度漂移[8-12]，尤其在被测目标为高温物体且辐射面较大的情况下，辐射及对流引起周围环境温度升高，红外探测器受被测目标的热辐射影响，自身温度不断升高，导致探测器光谱响应度改变，引起探测器输出电压变化，从而影响测量结果的重复性和准确性[12-15]。

为提高基于积分球反射计光谱发射率测量的重复性，解决红外探测器光谱响应度的温漂问题，提出一种基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。在建立温漂修正装置的基础上，采用辐射温度计对探测器自身温度进行动态测量，获得光谱响应度的温漂曲线，通过数据拟合得到温漂曲线的拟合方程，确定探测器温度与光谱响应度之间的函数关系及温漂修正系数，实现对探测器光谱响应度温度漂移的修正。

1 光谱响应度的温漂修正装置

针对光谱发射率测量系统的光谱探测范围及检测原理，采用三台不同光栅刻线数的光谱仪，建立1～10 μm的光谱响应度温漂修正装置。如图1所示，装置主要由以下几个部分组成：光谱辐射亮度可调的氮化硅辐射源；调制频率范围10～1 000 Hz的斩波器；三台光栅刻线数分别为600，300和100 L·mm-1的单色仪；改变探测器自身温度的环形加热器；辐射测温仪；实现运动控制、电压测量、数据采集的相关配套器件。

图1 光谱响应度温漂修正装置构成图

待修正的探测器处于辐射源与单色仪输出孔的连线上，环形加热器以恒定功率可对探测器进行均匀加热。根据辐射测温理论中辐射温度、发射率和真实温度之间的关系，探测器表面涂覆有已知发射率的高发射率涂层，以达到辐射测量其真实温度的目的。加热器上测温孔设计为漏斗形，防止测温孔与探测器表面形成黑体空腔结构，影响辐射测温的准确性。这样，在发射率已知的情况下，辐射温度计可测量探测器的真实温度，经数据采集卡输入计算机。

光源发射出连续的、稳定的辐射，经斩波器后具有特定调制频率，调制后的辐射进入到单色仪，经光栅的衍射分光后形成不同波长的单色辐射，通过步进电机调节光栅的旋转角度，使不同波长的单色辐射经输出狭缝透射到探测器，探测器将该波长的辐射亮度转换成微弱的交流电压信号，与斩波器输出的参考信号一起进入锁相放大器，经锁相放大后得到直流的电压测量值，通过数据采集卡进入计算机。

2 光谱响应度的温漂修正原理

对于辐射法测量物体温度而言，无法根本上消除自身温度漂移对辐射计光谱响应度的影响，为提高温度测量准确性，只能研究自身温度与输出电压之间变化规律，测得光谱响应度变化率的温漂曲线，通过数据拟合方法得到温漂曲线的拟合方程，确定温漂修正系数，通过温漂修正方程对探测器的光谱响应度进行修正，消除自身温度漂移对测量结果重复性的影响。

图2 光谱响应度温漂修正原理图

2.1 光谱响应度变化率的温漂曲线

为研究探测器光谱响应度随温度变化的规律，采用恒定功率的加热装置，使探测器温度从环境温度(Te=300 K)开始缓慢升高，直至测量电压值趋于平稳。对升温过程中探测器温度和某波长下光谱辐射亮度的测量电压进行同步测量，得到探测器温度和测量电压随时间变化的曲线，如图3和图4所示。

图3 探测器温度曲线

图4 探测器输出电压曲线

探测器光谱响应度是波长和自身温度的函数，记为R(λ，TR)，则输出电压表示为

Vλ(T，TR)=R(λ，TR)Lλ(T)+Vλ(Te)

(1)

在斩波器和锁相放大器的作用下，进入探测器有效视场范围内的环境辐射量十分微少，引起的电压响应相当微弱，即使在环境温度达到最大值时，通过遮挡被测目标测得Vλ(Te)的电压值很小。

在忽略环境辐射影响的条件下，辐射计输出电压为

Vλ(T，TR)=R(λ，TR)Lλ(T)

(2)

将辐射计各温度点的输出电压值Vλ(T，TRi)除以初始温度的输出电压值Vλ(T，300)，得到该温度点光谱响应度与初始温度点光谱响应度的比值R(TRi)/R(300)，这一比值与被测目标的温度无关，仅与辐射计自身温度相关的变量。以该时刻同步测量得到的辐射计自身温度TR为横坐标T，以该温度点光谱响应度与初始温度点光谱响应度的比值为纵坐标，如图5所示，得到光谱响应度变化率随温度变化的ROR(TR)曲线，曲线的纵坐标值

(3)

图5 探测器的T-ROR曲线

2.2 光谱响应度变化率曲线的数据拟合

通过对探测器光谱响应度变化率测量曲线的分析，随着探测器自身温度的升高，光谱响应度变化率下降趋势明显，且呈现出明显的非线性关系，其变化规律较为符合指数和多项式曲线的变化特征。

2.2.1 指数拟合

根据探测器T-ROR曲线的衰减趋势，设探测器自身温度T与光谱响应度R的指数方程形式为

ROR(T)=aebT

(4)

式中，a是幅值，b是衰减。

分别用最小二乘(least square, LS)、最小绝对残差(least absolute residuals, LAR)和双平方(bi-square, BS)拟合得到a和b，得到的拟合方程分别为RLS，RLAR和RBS

RORLS(T)=4.27e(-5.061×10-3)T

RORLAR(T)=4.03e(-4.885×10-3)T

(5)

RORBS(T)=3.566e(-4.563×10-3)T

如图6，三种方法得到的指数拟合曲线与实际R(T)曲线的吻合效果均不理想。

图6 T-ROR曲线与指数拟合曲线对比图

2.2.2 多项式拟合

设辐射计自身温度T与光谱响应度变化率ROR的m阶多项式函数形式为

(6)

式中，u是多项式系数。

利用T-ROR曲线数据，采用最小二乘拟合得到1～24阶多项式的系数，各阶多项式拟合的均方差见表1。多项式阶数越大，拟合的均方差越小，6阶以上拟合的多项式，其均方差减小程度不明显。

表1 拟合多项式的均方差

为进一步研究多项式拟合曲线与ROR(T)测量曲线的偏离程度及分布，计算多项式拟合的残差δj(Ti)

(7)

根据式(7)，分别得到6和24阶多项式拟合的残差，如图7所示。通过对比6和24阶多项式拟合的残差，其残差大小均小于0.01，残差分布基本一致。

图7 多项式拟合的残差分布图

通过比较多项式拟合的均方差和残差，采用6阶多项式对ROR(T)进行拟合，得到的多项式拟合方程

ROR(T)=-9.099×105+1.716×104T-

1.347×102T2+5.635×10-1T3+

1.325×10-3T4+1.661×10-6-8.7×10-10T6

(8)

2.3 光谱响应度的温漂修正方程

通过对探测器输出电压变化现象的分析，由指数拟合和多项式拟合的残差，以6阶拟合多项式得到的ROR(T)值作为探测器光谱响应度的非线性修正系数最为合理。

根据拟合方程及ROR(T)比值的定义，通过测量探测器温度TR，修正后的光谱响应度应R(λ，TR)为

R(λ，TR)=ROR(TR)R(λ，300)

(9)

式中，R(λ，300)是探测器的标定光谱响应度。

3 光谱响应度的温漂修正实验

利用高真空的基于积分球反射计(ISR)太阳能涂层光谱发射率测量系统，选取一种Mo-SiO2涂层作为测量对象，每隔30 min对其500 ℃的发射率进行1次测量，4次的测量结果如图8所示。随着重复测量次数的增加，光谱发射率结果呈现出减小的趋势，而且减小程度逐步加大。

图8 光谱发射率测量系统的测量结果

表2给出了各次测量中各个波长的发射率测量结果与平均值之间的误差最大值、最小值及平均值。可见，随着测量次数的增加，真空环境的温度不断升高，探测器光谱响应度出现温漂现象，导致测量结果的误差平均值降低为4.34%，严重影响了测量系统的重复性。

表2 光谱发射率测量结果的误差及重复性

利用辐射温度计对基于积分球反射计(ISR)太阳能涂层光谱发射率测量系统的探测器温度进行测量，对该Mo-SiO2涂层进行相同温度、相同时间间隔的4次重复测量，将每次测量时探测器的温度代入光谱响应度温漂修正方程，各次测量结果的误差明显减小，如图9所示。

图9 修正后高真空光谱发射率测量系统的测量结果

同理计算温漂修正后的测量结果与平均值之间的误差最大值、最小值及平均值，如表3所示。可见，误差平均值仅为2.12%，提高了该测量系统的重复性。

表3 修正后光谱发射率测量结果的误差

4 结 论

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外发射率测量系统重复性的影响，在分析探测器光谱响应度随温度变化规律的基础上，测量了探测器温度-光谱响应度曲线，通过多项式拟合得到该曲线的拟合方程，确定光谱响应度温漂系数，建立了温漂修正方程。应用该方法对红外光谱发射率测量系统进行了温漂修正实验，修正前、后的测量结果重复性分别为4.34%和2.12%，提高了红外光谱发射率测量系统的重复性。

[1] Hanssen L M, Mekhontsev S N, Zeng J, et al.International Journal of Thermophysics, 2008, 29(1): 352.

[2] Cagran C P, Hanssen L M, Noorma M, et al.International Journal of Thermophysics, 2007, 28(2): 581.

[3] Dai J M, Fan Y, Sun X G, et al.International Journal of Thermophysics, 2002, 23(5): 1401.

[4] Righini F, Spisiak J, Bussolino G, et al.International Journal of Thermophysics, 1999, 20(4): 1095.

[5] Setién-Fernándeza I, Echániza T, González-Fernándeza L, et al.Solar Energy Materials and Solar Cells, 2013, 117: 390.

[6] Feng G, Li Y, Wang Y, et al.Optics Letters, 2012, 37(3): 299.

[7] Gatebe C K, Butler J, Cooper J W.Applied Optics, 2007, 46(31): 7640.

[8] Kurosawa R, Inoue T, Baba Y, et al.Measurement Science and Technology, 2301, 24(1): 015603.

[9] Shi D, Liu Q, Zhu Z, et al.Infrared Physics & Technology, 2014, 64: 119.

[10] Tang H, Sun Q, Yi C G, et al.Journal of Materials Science, 2012, 47(5): 2162.

[11] Imaz E, Alonso R, Heras C, et al.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 61(5): 2622.

[12] Shi D, Liu Q, Zhu Z, et al.International Journal of Thermophysics, 2014, 35(8): 1545.

[13] Eppeldauer G, Graner J, Schanda J.Applied Optics, 1977, 16(1): 255.

[14] Park C H, Jeong I S, Kim J H, et al.Applied Physics Letters, 2003, 82(22): 3973.

[15] Larason T C, Bruce S S, Cromer C L, et al.Journal of Research-National Institute of Standards and Technology, 1996, 101: 133.

(Received Mar.10, 2015; accepted Jul.22, 2015)

Correction Methods of Temperature Drift for Infrared Spectral Emissivity Measurement System

ZHANG Yu-feng1，DAI Jing-min2，LU Xiao-dong1，SHAO Zhu-feng1，WU Yuan-qing1

1.College of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121013, China 2.School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

For the influence of temperature drift of the spectral responsivity on the repeatability infrared spectral emissivity measurement system, a temperature drift correction method is proposed based on the polynomial fitting.By analyzing the function of detector output voltage depended on its temperature.After studying the functional relationship between the temperature and spectral responsivity of detector, the spectral response curve varies with temperature is fitted and get the fitting equation.Calculating the drift correction factor of spectral responsivity, the output voltage of infrared detector is corrected.The effect of spectral response drift on the output voltage of detector is eliminated.With the development of temperature drift correction device of spectral responsivity, the temperature drift curve of spectral response is measured.Compared to the exponential fitting, the fitting consistency of sixth-order polynomial curve is excellent.Because of the application of this method, the repeatability of spectral emissivity measurement system is improved.

Spectral responsivity; Temperature drift correction; Polynomial fitting; Emissivity measurement system

2015-03-10，

2015-07-22

国家自然科学基金项目(61275095)资助

张宇峰，1981年生，渤海大学新能源学院副教授 e-mail: zyf81@aliyun.com

TH741

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-3003-05