多通道自校准热红外辐射计实验室定标及比对验证

孙彦东, 郝小鹏, 谢臣瑜, 周晶晶,曾 兵, 宋 健, 凌 玲

(1.成都理工大学 机电工程学院，四川 成都 610059；2.中国计量科学研究院 热工计量科学研究所遥感实验室，北京 100029)

1 引 言

热红外遥感器外场定标是热红外遥感技术从定性到定量化研究的关键技术和基本前提,提高热红外遥感器定标精度对于定量化发展具有重要的意义[1]。国外热红外传感器定标技术以星上定标和外场辐射定标相结合的方法,国内较多选用外场辐射定标的方法进行人工测量[2～4]。辐射定标场一般是具有单一地面特征的偏远地区,如戈壁(敦煌定标场)、草地(内蒙古定标场)和高原湖泊(青海湖定标场)等,一次完整的野外定标需要充分考虑人员配置、仪器运输、天气气象、地卫同步等诸多因素,不仅费时费力,且频次较低,数据迟步[5～7]。因此,研制具有自动化观测能力的外场定标设备,实现场地目标辐射量值自动化观测,对于实现场地自动化定标具有重要意义[8,9]。

目前,国内外一些科研单位在热红外辐射计研制方面做了大量的工作,美国迈阿密大学Osboorne B J等研制的海洋大气辐射干涉仪(marine-atmospheric emitted radiance interferometer,M-AERI),通过算法分离得到发射率,获得场地光谱辐亮度数据,可以更好地表征地物辐射特性,但是重量重,尺寸大,功耗大,不利于野外运输,且不具备数据远距离自动传输的功能[10];英国南安普顿大学Donlon C等研制的海面温度自动观测红外辐射计(infrared sea surface temperature autonomous radiometer,ISAR),通过现场测量发射率,以特定角度依次测量目标和天空,具有自动保护装置和自校准功能,但不具备远距离数据传输功能[11];国内西安光学精密机械研究所易波等研制的四谱段红外辐射计系统,具有中、热红外探测能力,测温精度为±0.5 K[12,13];中国计量科学研究院郝小鹏等研制的自校准地水表面红外辐射测温仪(self-calibrated infrared radiation thermometer,SCIRT)可自动现场测量,通过自配的定标黑体实现量值的自校准功能,但不具备校正天空背景辐射和数据远距离传输的能力[14]。CE312热红外辐射计作为成熟的主流商业仪器,具有多通道、体积小、高集成化特点,但长期被国外高价垄断,且存在定标系数偏移、目标测量单一、保存数据量少,无远程数据传输功能等缺点。随着红外遥感定量化水平的提升以及国产化核心仪器的应用需求,急需研制具有高精度、多通道、自校准以及多目标测量的热红外辐射计。

中国计量科学研究院在SCIRT研究工作的基础上,研制了多通道自校准热红外辐射计(multi-channel self-calibration infrared radiation thermometer,MSIRT)。MSIRT主要用于全天候自动观测外场地表辐亮度和温度,具备高测量精度、全天候、测量发射率功能和远距离数据传输能力。本文重点介绍MSIRT仪器的工作原理,性能评价,及与CE312的实验室和外场比对验证,并对MSIRT实验室定标的不确定度进行评估。

2 MSIRT仪器与定标方法介绍

2.1 MSIRT仪器设计与工作原理

MSIRT主要由辐射计主体、高/低温黑体、光路转换舱及操作软件组成。辐射计光路转换舱内置电机带动镀金反射镜360°旋转,可依次对高/低温黑体,地面目标,天顶进行测量。红外辐射经光学系统和滤光片,汇聚到探测器的有效光敏表面,使高/低温黑体辐射与外部辐射通过同一光路,这有利于消除背景辐射的影响,保证辐射校准的准确性。光学系统如图1所示。高/低温黑体与光路转换舱连接,可实现辐射计的实时校准,消除内部电子元器件受温度漂移对校准系数引起的变化和辐射计因环境温度变化导致自发辐射变化的影响。黑体的光谱发射率均在0.999以上,黑体空腔锥底均安装高精度铂电阻温度计,控温稳定性优于0.05 K,测温精度优于0.03 K。通过高/低温黑体对辐射进行实时校准,可有效保证其测量精度。电机驱动镀金镜旋转,得到大气上行辐射与大气下行辐射,实现发射率的测量。

图1 MSIRT光学系统Fig.1 MSIRT optical system

MSIRT主体包括多通道红外辐射采集的光学系统、控制与采集电路和机械结构。探测器的光敏面直径6 mm,其后安装热电堆探测器信号放大电路,将模拟信号转换为数字信号。镀金反射镜轮与滤光片轮分别由步进电机驱动控制。镀金镜轮可实现仪器有/无镀金镜两种状态下的测量,当仪器的视场被镀金镜遮挡时,仪器的输出值可近似为仪器的内部辐射。滤光片轮安装4个不同波段的滤光片,分别是通道1光谱波段8.2～9.4 μm,通道2光谱波段10.1～11.1 μm,通道3光谱波段11.8～12.8 μm,通道4光谱波段8.0～13.2 μm,可拓展至6个通道。整个光学系统视场角为10°,测量温度范围为-40～60 ℃[15～17]。

2.2 定标方法

2.2.1 实验室定标

红外辐射计定标的最终目的是确定其定标系数,即辐射计DN值(Digital Number )与辐亮度之的定量关系。MSIRT实验室定标原理主要有带宽辐亮度法和分谱辐亮度法。带宽辐亮度法对仪器进行标定时,通过普朗克经验公式和辐射计观测原理得到转换系数和定标系数。分谱辐亮度法以普朗克公式和辐射计观测原理为基础进行线性拟合得到定标系数。为提高目标辐亮度和辐亮温精度,根据定标方法选用带宽辐亮度定标方法[18]。

实验室定标流程如图2所示。辐亮度Lx(T)与温度T之间通过经验公式进行精确转换,通道x的转换系数ax、bx、nx和dx通过实验数据拟合得到。实际测量时,通过内部镀金反射镜消除仪器内部自身和噪声的影响。实验室定标核心公式通过辐射计观测原理得到热电堆探测器的输出信号值与辐亮度之间的关系。式中Lx(T)为目标光谱辐射亮度,Lx(Tdet)为镀金反射镜的光谱辐射亮度,USx为观测目标时内部热电堆探测器的输出电压值,USxm为观测镀金反射镜时探测器输出的电压值,通道x的定标系数通过线性拟合得到Ax和Bx。

图2 实验室自测量定标流程图Fig.2 Flow chart of laboratory self-measurement calibration

2.2.2 基于高精度黑体的外场校准定标

为获得定标系数Ax和Bx,对MSIRT设计了2个定标黑体,分别为高温黑体和环境温度黑体(简称环温黑体),通过采用两点法实时校准可保证MSIRT各通道的测量精度长期有效。

根据MSIRT的测量原理,当观测两定标黑体时,仪器输出的信号值与黑体辐亮度之间的关系用式(1)表示:

(1)

通过求解方程便可得到各通道的待定标系数A和B的结果:

(2)

采用2个黑体对仪器进行实时定标,即使系统工作环境及温度发生变化,也能够保证在外场长期测量的高精度要求。

2.2.3 黑体量值溯源

为获取黑体的实时温度信号值,黑体空腔锥底具有测温传感器的安装孔。测温单元采用精密铂电阻温度计PT-100。黑体温度量值的溯源至标准恒温槽黑体辐射源(型号:H50-D65,口径:65 mm,温度范围:-60～80 ℃,发射率:0.999 2),恒温槽黑体辐射源的温度经工作基准铂电阻温度计溯源至国家温度基准。利用标准传递辐射计TRT得到恒温液浴黑体槽的辐射温度值,利用标准铂电阻温度计的测量值对TRT的示值进行修正,修正后的TRT再对黑体进行校准。黑体温度溯源链路如图3所示。

图3 内置黑体温度量值溯源链路Fig.3 Blackbody temperature traceability link built in

高/环温黑体和恒温浴槽黑体均设置相同温度,利用TRT作为传递仪器进行实时校准。测量高温黑体时, 在30～50 ℃ 区间内每隔5 ℃ 进行1次测量,环温黑体以实验室环境变化为基准选取5个温度点,在设置温度稳定后使用标准传递辐射计TRT同时测量,得到高温黑体实际温度值比黑体设置值高0.5 ℃,环温黑体实际温度值比设置值低0.3 ℃,将测量得到的高/环温黑体的偏差平均值溯源修正上位机程序中,保证自校准测量精度。具体数据见表1所示。

表1 内置黑体温度溯源结果Tab.1 The results of blackbody temperature traceability built in ℃

3 定标实验与不确定性分析

3.1 MSIRT实验室定标

为得到MSIRT的定标系数,辐射定标标准辐射源选择H50-D65作为定标源。根据MSIRT4个通道的光谱响应度,利用普朗克公式计算每个通道的光谱辐亮度Lx(T)与温度T之间的关系,得到ax、bx、nx和dx这4个转换系数。结果见表2所示。

表2 通道辐亮度与温度之间的转换系数Tab.2 The coefficient of conversion between channel radiance and temperature

定标实验时,实验室室温保持在(22±0.5) ℃,将MSIRT观测窗口紧贴标准黑体辐射源,使MSIRT视场完全覆盖黑体辐射源腔体,避免临边效应造成的影响,减少测量过程中的不确定性。

在-40～60 ℃测温范围内,针对有/无镀金反射镜每间隔10 ℃对红外热电堆探测器的输出电压值USx和USxm以及探测器内部的温度值Tdet进行1次采集。根据辐射计观测原理MSIRT 4个通道的实验室定标结果如图4所示,其中横坐标为USx和USxm之间的电压差,纵坐标为光谱辐亮度差值。

图4 MSIRT定标拟合结果Fig.4 Results of MSIRT calibration fitting

对11个温度点进行线性拟合,得到4个通道下的待定系数Ax和Bx,将每个通道的定标系数代入到式(2)中,获得测量目标的辐亮度和辐亮温结果。

3.2 MSIRT重复性实验

实验室定标完成后,为验证MSIRT定标结果的准确性,评估仪器长期工作性能,对MSIRT在相同条件进行重复性实验。选取-30、0、30、60 ℃四个温度点,每个温度点待标准辐射源温度稳定后进行测量,选取20 min的测试数据,计算每个通道对应温度点的平均值和标准偏差,实验进行3次,具体数据见表3所示。

表3 重复性实验数据Tab.3 Repetitive experimental data ℃

由表3可知,在-30 ℃时,通道1与通道3三次测试结果的平均值在测试点温度上下变化,最大差值不超过0.16 K,通道2和通道4三次测试结果的平均值较测试点最大差值优于0.1 K,标准偏差范围为0.08～0.14;0 ℃与30 ℃时,4个通道三次测试结果的平均值较测试点最大差值为0.1 K,最大标准偏差为0.12;60 ℃时,通道1三次测试结果的平均值较测试点最大差值为0.15 K,通道2和通道4三次测试结果的平均值较测试点最大差值为0.16 K,通道3三次测试结果的平均值较测试点最大差值在0.2 K以内,最大标准偏差为0.11。整体差值在0.2 K以内,验证了MSIRT具有良好的稳定性。

3.3 不确定度分析

MSIRT辐射定标各分量不确定度分析结果见表4所示。采用标准恒温槽黑体辐射源进行MSIRT实验室定标时,不确定度来源主要包括两大部分:黑体辐射源和MSIRT系统内部的光路和探测系统。标准黑体辐射源引入的不确定度主要包括:黑体控温不确定度u1、黑体发射率不确定度u2和环境温度引入的不确定度u3。黑体控温不确定度包括温度计溯源u11、控温稳定性u12、温度均匀性u13和电阻测量u14。MSIRT引入的不确定度包括测量重复性不确定度u4,光路切换与瞄准不确定度u5和杂散光不确定度u6。

表4 MSIRT辐射定标不确定度分析Tab.4 MSIRT radiation calibration uncertainty analysis

由表4可知,MSIRT辐射定标引入的总不确定度为0.27 K,并经过具有相关资质的第三方计量技术机构的检验,满足MSIRT高精度定标标准的需求。

4 与CE312比对实验

4.1 CE312热红外辐射计介绍

CE312热红外辐射计是由法国CIMEL公司生产的一种用于探测地物与天顶热红外目标的装置。该装置由辐射计硬件主体, PC机控制软件, 数据处理软件组成。CE312滤光片轮装有4个不同波段范围的滤光片,通道1光谱波段为8.2～9.2 μm,通道2光谱波段为10.3～11.3 μm,通道3光谱波段为11.5～12.5 μm,通道4光谱波段为8～14 μm。设备测量室外温度范围为-80～50 ℃,野外工作环境温度在-20～50 ℃,测量温度分辨率为0.01 ℃,响应时间1 s,视场角为10°[19]。

4.2 CE312实验室定标

CE312定标和分析方法与MSIRT类似,均采用恒温槽标准黑体辐射源作为定标源,整个定标拟合结果如图5所示。横坐标为光谱辐亮度差值,纵坐标为滤光片和镜子的计数值差值,mW/(cm2·Sr)。根据辐射计观测原理与CE312程序设定,定义每个通道线性拟合的斜率为灵敏度Sx,转换系数和灵敏度结果见表5所示。

表5 CE312定标系数Tab.5 CE312 calibration coefficient

图5 CE312定标拟合结果Fig.5 CE312 calibration fitting results

4.3 定标结果比对

4.3.1 实验室测试结果比较

实验室定标结束后,为进一步验证定标结果的准确性和测量精度,将MSIRT与CE312辐射计进行实验室测试和户外测试实验。

利用H50-D65标准黑体辐射源作为定标源,在温度范围10～60 ℃内,每间隔10 ℃作为一个测温点,将CE312和MSIRT依次对准标准黑体腔,测量时保持二者位置正确,设置黑体辐射源温度值,从10 ℃依次升温至60 ℃,记录标准黑体辐射源每个温度点稳定前后的时间区间,取其平均值作为该温度点的比较值。

实验室测试结果见表6所示,括号内为对应偏差值。由表6数据分析可知,MSIRT在10～20 ℃温区内测试结果偏差较大,从红外探测器原理分析,采用的热电堆探测器以温差产生电势差,当探测器温度与目标温度接近时电势差较小;从图4中的MSIRT定标拟合结果看出,在10～20 ℃左右温区内ΔU与ΔL趋近于0,导致信噪比较差;最大偏差值为通道3在10 ℃时测量结果为0.26 ℃,整体偏差在0.3 ℃以内;CE312通道的偏差值与温度有关,测量温度值越高,偏差越大,最大偏差值为通道4在60 ℃时为0.83 ℃。

表6 MSIRT &CE312实验室测试结果Tab.6 The results of MSIRT and CE312 laboratory tests ℃

4.3.2 户外测试结果比较

为验证仪器在野外的工作性能,在中国计量科学研究院昌平院区的户外草地进行了与CE312初步比对测试。以均匀且平坦的地表作为观测目标,如图6所示。根据CE312仪器特征,MSIRT测量目标选择典型地物草地,进行地表辐亮温的测量。选取了10:00～17:30时间段内的测量数据作为比对结果,2台仪器4个对应通道的比对结果见图7所示。由图7结果可知,4个通道在此时间段内辐亮温曲线总体变化趋势一致,数值相近,说明二者具有较好的一致性;从信噪比来看,MSIRT在全时段的测量中具有较好的信噪比,CE312在12 ℃以上信噪比明显落后于MSIRT,在12 ℃以下二者信噪比相当。

图6 MSIRT &CE312户外草地测试Fig.6 Outdoor grassland MSIRT and CE312 tests

图7 MSIRT&CE312户外比对测试结果Fig.7 MSIRT and CE312 outdoor comparison test results

5 结 论

本文系统介绍了MSIRT基本组成和工作原理,介绍了实验室定标和基于高精度黑体的外场校准定标与实验,对校准黑体进行了量值溯源。与CE312共同开展了实验室定标,获得了转换系数和各通道的定标系数。通过室内重复性实验、与CE312实验室测试结果比对实验、户外草地比对测试实验,验证了MSIRT的测量精度和野外工作性能。

进行了MSIRT定标实验的不确定度分析,结果表明整体等效辐亮度温度不确定度在0.27 K以内,各项指标均能满足设计要求,验证了MSIRT具有较高的精度水平,为开展红外遥感器场地自动化定标方法的研究奠定了基础,为外场定标提供了有力的数据支撑。