近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

袁林光，范纪红，周晓光，占春连，卢 飞，李 燕，张博妮，陈 娟，尤 越

(1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；2.陆军装备部航空军代局驻西安地区航空军代室，陕西 西安 710065)

引言

光谱辐射计是用于测定目标光谱辐射量值的重要测量仪器，在军事、工业和科学研究等方面都发挥着极大作用。根据测量光谱范围，光谱辐射计可分为紫外光谱辐射计，可见光光谱辐射计和红外光谱辐射计。其中紫外光谱辐射计主要应用于大气环境监测，空间探测领域；可见光谱辐射计主要用于发光体光谱分布及“三度学”有关参数测试，红外光谱辐射计主要用于目标红外辐射测试评估，辐射测温领域[1-6]。

光谱辐射计必须进行辐射定标，否则就不能对摄取的信息给出合理的解释，不能得到定量的信息[7-8]。传统的光谱辐射计定标方法是利用光谱辐照度标准灯和标准漫反射板产生可知亮度的大面积光源，定标的精度一直徘徊在较低的水平。特别在近紫外波段由于辐照度标准灯的不确定度较大和漫反射板双向反射分布函数的测量不确定度较大，测量不确定度高达7.4%[9-11]。

研制了一种用于测量光源光谱辐射亮度的近紫外到近红外光谱辐射计，采用小视场设计，使得近紫外到近红外光谱辐射计视场与光谱辐射亮度标准灯的钨带相匹配，消除视场不匹配带来的影响，通过视场光阑设计以及瞄准系统的设计，进一步消除杂散光的影响，从而实现光谱辐射亮度标准灯对近紫外到近红外光谱辐射计的高准确度定标。

1 近紫外到近红外光谱辐射计设计

近紫外到近红外光谱辐射计组成如图1所示，主要由光学系统、电动快门、CCD瞄准系统、视场光阑、分光系统、成像系统、近紫外到近红外探测器和信号采集处理与控制系统等组成。技术指标如下：光谱范围为300 nm～2 000 nm；光谱分辨率为0.2 nm；波长准确度为±0.2 nm；光谱辐射亮度测量范围：50 μW/cm2·nm·sr～1 000 μW/cm2·nm·sr；测量不确定度：Urel=3.5%(k=2)。

图1 近紫外到近红外光谱辐射计组成图Fig.1 Composition block diagram of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

1.1 工作原理

近紫外到近红外光谱辐射计的光谱辐射亮度测量原理为：被测光源发出的光辐射通过光学系统汇聚，一部分被CCD瞄准系统接收用于测试光路的调节，另一部分成像在视场光阑上，由分光系统出射狭缝出射的单色辐射经由成像单元成像在近紫外-近红外探测器的光敏面上，探测器输出的电信号由数据采集系统采集并实时给出测试结果。

1.2 关键部件

光学系统将被测目标光源成1∶1的实像于视场光阑处，由多片透镜胶合而成，其工作波长为300 nm～2 000 nm、焦距为100 mm、相对孔径为F/3、材料为石英材料。电动快门用于扣除背景辐射，电动快门的叶片部分面向光学系统的一面镀高反射率铝膜，背对光学系统的一面均匀涂制黑漆。

CCD瞄准系统由中心带有圆孔的金属反射镜以及CCD组成，其中金属反射镜中心圆孔的口径为R=x/6cos45°，x表示金属反射镜中心与视场光阑中心之间的距离，45°是金属反射镜反射面与入射光束所成角度。

分光系统由衰减器组、滤光片组和光栅组组成，覆盖300 nm～2 000 nm波长范围。其中衰减器组由一组无光谱选择的中性衰减片组成，在波长范围为300 nm～2 000 nm内达实现光信号5个数量级、无光谱选择的衰减；滤光片组含有截止波长分别为286 nm、450 nm、680 nm、1 050 nm以及1 850 nm的5块滤光片，5块滤光片对称安装在滤光片轮上；光栅组含有闪耀主波长分别为350 nm、750 nm和1 250 nm的3块光栅。

成像系统接收通过分光系统的光，并成像在近紫外-近红外探测器光敏面上；成像系统由球面反射镜和平面反射镜组成，其中平面反射镜用于折转光路。

近紫外到近红外探测器由Si探测器和InGaAs探测器组成，测量紫外到可见波段时将Si探测器安装在探测面上，测量近红外波段时将InGaAs探测器安装在探测面上，Si探测器和InGaAs探测器输出信号至信号采集处理与控制系统。

信号采集处理与控制系统含有前置放大器、A/D转换器和计算机；近紫外-近红外探测器的输出信号经前置放大器进行电压放大，由A/D转换器转换成数字信号并输入计算机, 实时给出测试结果。

2 近紫外到近红外光谱辐射计定标

2.1 定标方法比较

对于光谱辐射计目前通用的光谱辐射亮度定标方法有：直接法、标准白板法、透射板法、内置光源法等[12-15]，表1为各定标方法特点。

表1 光谱辐射亮度定标方法特点

2.2 使用钨带灯进行实验室定标

近紫外到近红外光谱辐射计采用小视场设计，其视场与光谱辐射亮度标准灯的钨带相匹配，因此采用直接法进行光谱辐射亮度定标。

如图2所示，在垂直于光谱辐射亮度标准灯出射面的方向，将近紫外到近红外光谱辐射计放置于距标准灯设定距离处，使标准灯处于近紫外到近红外光谱辐射计光学系统物面位置处，近紫外到近红外光谱辐射计对准光谱辐射亮度标准灯的钨带；调节近紫外到近红外光谱辐射计的安装支架，使光谱辐射亮度标准灯的钨带通过近紫外到近红外光谱辐射计的成像系统成像于近紫外到近红外光谱辐射计的视场光阑上。

图2 近紫外到近红外光谱辐射计光谱辐射亮度定标图Fig.2 Spectral radiance calibration of near ultraviolet tonear infrared spectroradiometer

通过控制电动快门，测量得到近紫外到近红外光谱辐射计的背景信号V(λ)背景与光谱辐射亮度标准灯的测量信号V(λ)标准灯，通过(1)式计算得到近紫外到近红外光谱辐射计的定标系数C(λ)，表2为光谱辐射亮度定标结果，其中钨带灯标准光谱辐射亮度值为中国计量科学研究院校准证书结果。

(1)

2.3 定标测量不确定度分析

近紫外到近红外光谱辐射计光谱辐射亮度定标系数的测量不确定度在不同波长不同，以400 nm为例，其不确定度分析详见表3。

表3 光谱辐射亮度定标系数测量不确定分析

3 标准积分球光源光谱辐射亮度测量

为验证近紫外到近红外光谱辐射计定标结果的准确性，使用光谱辐射计直接测量标准积分球光源的光谱辐射亮度。其中标准积分球光源直径为1 m, 输出口径为Φ300 mm，内部设计三组高稳定性灯，其中每组灯包含两支对称分布的的高稳定性的卤素灯，色温为2 856 K±100 K，提供波长范围为(300 nm～2 000 nm)的连续标准信号。

如图3所示，将近紫外到近红外光谱辐射计放置在积分球光源出射辐射口前适当位置，改变积分球光源内置光源数目，利用标准辐射计可获得积分球出口处光谱辐亮度。测量结果如图4所示，光谱辐射亮度曲线从上到下依次为3组灯到1组灯的测试结果。开灯顺序依次为灯组1到灯组3，每次在之前基础上打开一组(两支)灯，与积分球光源标准光谱辐射亮度偏差优于0.5%。

图3 标准积分球光源光谱辐射亮度测量图Fig.3 Schematic of measuring spectral radiance ofstandard integrated sphere source

图4 标准积分球光源光谱辐射亮度测量结果Fig.4 Measurement result of spectral radiance ofstandard integrated sphere source

4 结论

研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，采用钨带灯直接法实现了光谱辐射亮度的高精度定标，实验室测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。该光谱辐射计具有光谱范围宽、测量精度高等特点，不仅适用于各类目标光源光谱辐射亮度的测试，对光谱辐射计量测试也具有重要的指导意义。