基于热红外标准辐亮度计的常温黑体定标方法研究

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常温黑体辐射作为标准参考光源,广泛应用于各类红外光电探测系统的定标,其辐亮度的不确定度直接决定了被定标红外系统的探测精度。传统黑体定标一般采用间接测量法,即测量黑体辐射温度T和发射率ε后依据Planck公式计算黑体的绝对辐亮度。由于接触式测温的不确定度高和发射率测量的复杂性,传统间接法已经逐渐不能满足黑体辐射高精度定标的要求。  本文率先在国内开展了基于标准探测器的黑体辐射定标方法研究,研制了热红外标准辐亮度计,直接测量黑体绝对辐亮度。标准辐亮度计采用消色差离轴反射式光路结构,光机系统置于液氮制冷真空杜瓦中,结合使用音叉式斩波器和锁相放大器提高系统性噪比。通过光机和有限元软件仿真,验证了设计的合理性。  为满足热红外标准辐亮度计现场定标需求,结合实验室现有设备,研制了大口径高精度水浴黑体辐射源,溯源于中国计量院凝固点黑体。利用水浴黑体定标标准辐亮度计的实验结果表明,标准辐亮度计一小时非稳定性优于0.05%,测量黑体绝对辐亮度不确定度达0.32%,相当于313K时5μm波段辐亮度温度不确定度108mK。  本文开展了基于标准辐亮度计的面型和腔型结构的三种黑体辐射定标实验研究。通过直接测量三种黑体的绝对辐亮度,获取了辐亮度温度,并进一步导出了发射率。结果表明,三种黑体的设置温度与其辐亮度温度存在0.6K~2.6K的差异,由此产生的绝对辐亮度的不确定度达1.4%~5.5%。  基于标准辐亮度计的黑体辐射直接定标法避免了温度和发射率测量引入的不确定度,有利于在黑体使用现场实现系统级定标和绝对辐亮度监测。标准辐亮度计的研制使黑体辐射测量溯源于低温辐射计成为可能。
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