（光学工程专业论文）红外探测器参数校准装置的研究.pdf

红外探测器参数校准装置的研究 学科：光学工程 研究生签字：蟒匝 指导教师签字：蔓k 再 要 光辐射计量是光学计量最基本的组成部分。其核心是对辐射源辐射特性和辐射探测器 的探测特性进行计量测试。因此作为光辐射的基准，一是标准辐射源，二是标准探测器。 由于低温辐射计能够达到前所未有的最低的不确定度( 0 0 1 ) 而受到各国光辐射计量专 家的青睐，被用做光辐射基准。以低温辐射计为基准开展红外辐射量值传递，首先要解决 的问题就是对红外辐射传递标准探测器的绝对光谱响应度进行标定，对其空间均匀性和直 线性等探测器的关键技术指标进行测试，筛选出满足要求的红外标准探测器，完成红外波 段的量值传递。 本论文主要研究红外探测器参数的校准装置及其校准方法，研究内容包括：研究新 的校准方法，建立以腔体热释电探测器为标准的红外光谱响应度标准装置；研究空间均匀 性测量方法，建立红外探测器空间均匀性测量装置；研究直线性测量方法，建立红外探 测器直线性测量装置。 取得的研究成果及达到的技术指标为： 红外光谱响应度标准装置一套，实现的技术指标为：波长为( 1 1 4 ) g m ， 测量不 确定度为1 4 ( 2 k ) 。 响应度的空间均匀性和直线性测量装置一套，实现的技术指标为：波长范围为( 0 4 1 4 ) g m ；直线性测量范围为1 06 ：1 ：测量不确定度为0 1 ( 2 k ) 。 通过本论文的研究工作，完成红外探测器参数校准装置的建立，采用新的校准方法完 成了红外波段高精度的量值传递；以四个离轴抛物镜为主光路，将空间均匀性和直线性结 合在一起，实现了红外探测器主要参数的高精度测试，是集光、机、电、算于一体的综合 型的标准装置，达到了当f j 国际先进水平。 关键词：红外探测器；腔体热释电探测器；红外光谱响应度；空间均匀性；直线性；测 量不确定度；低温辐射计 s t u d yo ni n f r a r e dd e t e c t o rp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n d i s c i p l i n e ：o p t i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：z j l 洲c “们心洲 s u p e i s o r s i g n a t u r 六垆 皇竺。吁 o p t i c a lr a d i a t i o nm e t r o l o g yi st h em o s tf u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fo p t i c a lm e t r o l o g y t h e e s s e n c ei s m e t r o l o g ya n dm e a s u r e m e n tf o rc h a r a c t e r i s t i c s o fo p t i c a lr a d i a t i o ns o u r c ea n d d e t e c t o r b o t hs t a n d a r dr a d i a t i o ns o u r c ea n ds t a n d a r dd e t e c t o ra r ea v a i l a b l ea sp r i m a r ys t a n d a r d f o ro p t i c a lr a d i a t i o n u n c e r t a i n t yo f0 01 h a sb e e na c h i e v e du s i n gc r y o g e n i cr a d i o m e t e ra s p r i m a r ys t a n d a r df o ro p t i c a lr a d i a t i o nw h i c hi sp o p u l a ra m o n go p t i c a lr a d i a t i o nm e t r o l o g y e x p e r t si na l lc o u n t r i e s f o rt r a n s f e r i n gi n f r a r e d ( i r ) r a d i a t i o nf r o mc r y o g e n i cr a d i o m e t e rt o w o r k i n gs t a n d a r d s ，t h ef i r s tp r o b l e mt o s o l v ei sc h o o s i n gt h ep r o p e ri rd e t e c t o rf o rt r a n s f e r s t a n d a r d d e t e c t o ri ni rs p e c t r at h r o u g ht h ec a l i b r a t i o nf o ra b s o l u t es p e c t r a lr e s p o n s i v i t yo f i n f r a r e dr a d i a t i o nt r a n s f e rs t a n d a r dd e t e c t o ra n dt h em e a s u r e m e n to fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha s s p a t i a lu n i f o r m i t y , l i n e a r i t y , a n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do nt h er e s e a r c hi n t oi rd e t e c t o rp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n f a c i l i t ya n dc a l i b r a t i o nm e t h o d s m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ：n e w c a l i b r a t i o nm e t h o df o ri rs p e c t r a lr e s p o n s i v i t yu s i n gc a v i t yp y r o e l e c t r i cd e t e c t o ra ss t a n d a r d d e t e c t o r ；m e t h o df o rm e a s u r e m e n tf o ri rd e t e c t o rs p a t i a lu n i f o r m i t y ；m e t h o df o rm e a s u r e m e n t f o ri rd e t e c t o rl i n e a r i t y r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n d t e c h n i q u ep a r a m e t e r sa sf o l l o w s ： i rs p e c t r a lr e s p o n s i v i t ys t a n d a r df a c i l i t y ，a c h i e v e da c h i e v et h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o na s f o l l o w s ：w a v e l e n g t h ：( 1 - 1 4 ) k t m ；m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y ：1 4 ( k = 2 ) s p a t i a lu n i f o r m i t ya n dl i n e a r i t ym e a s u r e m e n tf a c i l i t y , a c h i e v et h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o na s f o l l o w s ：w a v e l e n g t hr a n g e ：( o 4 1 4 ) “m ；l i n e a r i t ym e a s u r e m e n tr a n g e ：1 0 0 ：1 ；m e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t y ：0 1 ( k = 2 ) t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r ki n t h i st h e s i s ，i rd e t e c t o rp a r a m e t e rc a l i b r a t i o nf a c i l i t yh a v e b e e ne s t a b l i s h e da n dn e wc a l i b r a t i o nm e t h o d sa r ea d o p t e df o rh i g ha c c u r a c yt r a n s f e ro fi r s p e c t r a t h em a i nc o m p o n e n t si no p t i c a ls y s t e ma r ef o u ro f fa x i sp a r a b o l i cm i r r o r s ，w h i c h i n t e g r a t et h em e a s u r e m e n to fs p a t i a lu n i f o r m i t ya n dl i n e a r i t ya n da c h i e v eh i g ha c c u r a c y m e a s u r e m e n to fi rd e t e c t o r , i ti sai n t e g r a t e ds t a n d a r df a c i l i t yw h i c hi n v o l v e do p t i c s 、 m e c h a n i c s 、e l e c t r i c i t y 、c o m p u t e ra n d a c h i e v e di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l k e y w o r d s ：i n f r a r e dd e t e c t o r ；c a v i t yt h e r m a lp y r o e l e c t r i cd e t e c t o r ；i rs p e c t r a lr e s p o n s i v i t y ； s p a t i a lu n i f o r m i t y ；l i n e a r i t y ；m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y ；c r y o g e n i cr a d i o m e t e r 西安 二业火学：r 程硕十学位论文 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 占莽 臻鞠 日期：川莎i g j 西安t 业大学工程硕七学位论文 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另j j ? 3 n 以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：腑 指导教师签名：刍蠡l 乏 只期：妒7 多，f 彦 绪论 绪论 红外辐射计量在军、民两个领域，都有着非常重要的应用，尤其在军事上，随着现代 军事技术的发展，出现了一批批高科技的先进武器：红外制导、红外跟踪与侦察、红外激 光雷达、红外热成像、红外预警等等，在异彩缤纷的海、陆、空、天四维战场上，处处留 下了红外家族的身影。1 9 9 1 年的科索沃战争中，多国部队使用了多种红外自寻的导弹， 均取得了惊人的战绩。 如红外告警技术，根据最新统计资料，在过去3 0 年里，在战场上损失的飞机中，被 红外导弹击落击伤的约占9 3 ，而雷达制导导弹和高射炮火仅占5 左右。红外导弹的卓 越战绩己充分证明，红外导弹是作战飞机的最大威胁。红外导弹威胁的日趋严重，不仅因 为其技术性能的不断改进，还因为近距攻击的红外导弹使飞机自卫的时间很短。为了有效 地保护作战飞机，美国等发达国家从5 0 年代中期就开始着手研制红外侦察告警设备。目 前，红外告警设备已发展了三代产品，从只能接收单一目标，用于载机护尾的告警，到具 有综合告警能力的全向告警系统，进而发展成为高性能的综合自卫系统。 红外告警系统红外告警系统可分为扫描型和凝视型两类，一般由告警单元、信号处理 单元和显示控制单元组成。在告警单元中有整流罩、光学系统、光机扫描系统、制冷器、 红外探测器和部分信号预处理电路，完成对整个视场空域的搜索和对目标的探测，并通过 红外探测器将目标转换为光信号，经预处理后输出给信号处理单元。信号处理单元将信号 放大到一定程度后进行a d 转换，再采用数字信号处理方法，进一步提取和识别威胁目 标，然后输出威胁目标的方位角、俯仰角和告警信息。 又如红外制导武器，由于具有制导精度高、抗干扰能力强，隐蔽性好，效费比高，结 构紧凑，机动灵活等优点，已成为精确制导武器的重要技术手段。红外制导武器主要有如 下几类： 红外半自动制导反坦克导弹：采用光学瞄准、红外跟踪、导线传输指令、半自动 制导； 红外成像制导反坦克导弹； 红外制导空空、地空导弹； 红外制导巡航导弹； 红外未制导子母弹与末制导炮弹。 红外制导武器的发展趋势之，是由红外半自动制导和点源等的制导向红外成像制导 发展，并由第一代的光机扫描向第二代的凝视焦平面阵列发展，其工作波段由早期的短波 红外，8 0 年代的中波红外向长波红外发展，以及不断提高智能化程度。 红外制导武器的另一个发展趋势，是由单模制导向多模制导发展，即由单一的红外制 导向红外与紫外、红外毫米波、双色红外毫米波和红外成像激光复合制导等方向发展。 绪论 随着红外探测技术的发展，对红外辐射传递标准提出了越来越高的要求。例如在长期 观测中要求星载传感器的响应在数月甚至数年的变化率小于1 ，这意味着标准传递链在 到达用户时的测量不确定度要远小于1 。因此，常规的辐射定标已经难以满足这样的高 要求，主要原因除了光辐射最高标准的测量不确定度低外，也包括量值在传递过程中难以 保持较高的测量不确定度。 为了提高武器系统的命中率，发挥精确打击效能，在武器装备的研制过程中，必须提 高红外辐射计量的总体水平，确保国防系统整体红外辐射量值的准确可靠，也是现代武器 装备研制必须具备的基本条件，是实现军事装备现代化的关键。 因此，美、英等发达国家，如美国的国家标准技术研究所( n i s t ) 和英国的国家物 理实验室( n p l ) 等，都把提高红外辐射的计量水平作为重要课题开展研究工作。1 9 9 4 年，美国n i s t 耗资1 0 0 0 多万美元建立了低背景红外校准实验室( l b i r ) ；英国n p l 以 低温辐射计为基础，以各种标准探测器为辐射传递标准，建立了新型辐射量值传递体系， 并不断的发展与完善，是目前辐射计量领域的发展方向。 目前，红外辐射计量主要有两种量值传递途径：以光源为基础和以探测器为基础的量 值传递，其核心是对辐射源辐射特性和辐射探测器的探测特性进行计量测试。因此作为辐 射度量的最高标准，一是标准辐射源l l 2 j ，二是标准探测器【3 剖。 标准辐射源是把己知光谱辐射特性的标准光源同未知光谱特性的待测光源进行比对 而获得待测光源的光谱辐射特性。上世纪六十年代世界上许多国家已相继建立起光谱辐射 初级标准光源，在2 5 p a n 以上波段采用5 0 0 k 到1 4 0 0 k 的低温及中温黑体1 7 弗j ，在0 3 9 m 到2 5 p , m 的近紫外、可见和近红外波段采用的是2 5 0 0 k 左右的高温黑体。黑体辐射标准 在近紫外、可见和近红外波段准确度很高，在3 5 0 n m 以上的不确定度可达1 ，由于高 温黑体光谱辐射亮度在短波段急剧下降，在3 0 0n m 处已有5 的不确定度，这给黑体标 准3 0 0 n m 以下波段应用带来困难。随着空间科学、天体物理、受控核聚变、等离子体物 理等研究的发展，需要拓宽光谱范围，把光谱辐射标准由红外一可见一近紫外向短延伸至 真空紫外，向长波延伸至远红外，完成对辐射光源和辐射探测器的标定，以满足科学研究 的需要。 标准探测器是由已知光谱特性的标准探测器及光谱辐射计测量未知光源的光谱响应 信号，然后根据预先知道的光谱辐射计的光谱传递特性进行修正，从而完成对未知探测器 的标定。目前国际上，新型的光谱响应度标准均建立在腔体热释电探测器的基础上，以实 现高精度的光谱响应度测量，波长范围覆盖了2 0 0 n m - - 2 0 1 t m 。该探测器将热探测器与镀 金的半球结合起来，在很宽的光谱范围内，表现出良好的均匀性及更平坦的光谱响应度， 是紫外一可见一红外波段光谱响应度量值传递的理想探测器。 1 ) 实现红外辐射参量计量测试的方法 为了解决红外波段辐射参量的计量测试及量传问题，目前国际上一般采用两种途径： 2 两安i ：业大学1 ：程硕十学位论文 以黑体辐射源【9 1 1 1 为辐射基准并以黑体辐射源保存量值，实现红外辐射参量的计量测 试。 以低温辐射计1 2 1 7 1 为基准，以辐射传递标准探测器保存量值，实现红外辐射参量的计 量测试。 对于第一种方法，目前以俄罗斯为代表。俄罗斯全俄光学物理测量研究院【1 0 】 ( v n i i o f i ) 制作的黑体性能稳定可靠，是用于辐射计量最好的辐射源，但由于其温度的 测量溯源于热工专业，使其测量不确定度受到很大的影响。另外，该方法还有以下不足之 处： a 、由于其以定点黑体保存量值，不但操作复杂、运转费用昂贵，而且会因为在定点 温度之间内插而造成一定的误差： b 、目前，对温度在( 1 2 0 0 - - - 2 0 0 0 ) k 之间黑体的需求在增长，但却只能在该温度区 间边沿找到金( 1 3 3 7 k ) 、银( 1 2 3 5 k ) 、铜( 1 3 5 8 k ) 三个定点黑体，依靠外延法将会带 来一定的误差： c 、对于一套较大的待检设备，当需要计量部f - j n 现场检测时，由于标准黑体本身也 是一套复杂的大型设备，会使检定工作变得非常困难甚至不可能； d 、建立在该方法基础之上的辐射计量，是以温度量( k ) 而不是辐射量( w ) 为基 准的，所以其辐射量值会随着国际实用温标的变动而波动( 从1 9 2 7 年到现在，国际实用 温标已经修订了五次，修订的原则是：使国际实用温标更接近热力学温标。目前使用的是 1 9 9 0 年修订的i t s 9 0 ) 。 为了克服上述缺点，英国国家物理实验室( n p l ) 和美国国家标准技术研究所( n i s t ) 研究并建立了以低温辐射计为基准、以各类探测器为标准实现光辐射的量值量传。该方法 有以下优点： a 、由于低温辐射计的测量不确定度达到0 0 1 - - - 0 0 0 5 ，使得辐射计量的整体水平 大大提高。 b 、由于使用辐射传递标准探测器保存量值，体积小、重量轻、便于携带，且操作非 常方便、简单。 c 、辐射量值溯源于辐射量( w ) 而非温度量( k ) ，国际实用温标的变动不会对该辐 射量传体系的辐射量值产生影响。 d 、可以建立起变温黑体的温度与辐射传递标准探测器的输出电流之间一一对应的关 系，而不是几个分立的定点温度。 目前，俄罗斯全俄光学物理测量研究院( v n i i o f i ) 与英国国家物理实验室( n p l ) 和美国国家标准技术研究所( n i s t ) 在此方面有一定的合作关系，这样做可使美、英在 低温辐射计方面的先进技术与俄罗斯性能优良、稳定性很好的黑体辐射源达到优势互补， 有利于促进辐射测量研究进一步快速向前发展。他们的合作研究，已经在辐射测量领域清 晰地勾画出了一个以低温辐射计为基础的辐射量传体系，且这一体系正在不断得到发展和 西安r 业大学- i ：程硕士学位论文 完善，成为目前辐射计量领域的发展方向。 2 ) 以腔体热释电探测器为基础建立红外探测器参数校准装置的发展状况 为了提高光辐射的计量水平，许多发达国家都投入了大量资金，开展新的光辐射计量 方法的研究。1 9 8 0 年美国国家标准局首先在6 3 2 8 n m 单色波长上开展自校准方法的研究 工作，其测量不确定度为0 0 5 ，之后英国、德国、法国、同本、匈牙利等国相继丌展了 这一技术的研究。英国则将低温辐射计与自校准技术相比对，建立了光辐射标准，从而使 辐射标准的不确定度由千分之几减小到万分之一，使整个辐射计量水平提高了一个数量 级。 低温辐射计技术的发展使得各专业高标准的建立成为现实，也使得红外辐射计量得到 了空前的发展。 目前测量红外探测器光谱响应度【1 8 埘1 的方法主要有三种： 以热电偶作为基准的参考热偶堆法和以光谱辐射功率标准作为基准的串接单色仪透 射比法以及用迈克尔逊干涉仪及辅助设备进行测量的方法。 参考热偶堆法的理论基础是：认为作为基准的热电偶是无光谱选择性的。也就是说， 作为基准的热电偶具有均匀的光谱灵敏度。但事实上由于受黑涂层材料反射比的限制， 热电偶的光谱灵敏度是有选择性的，而且这种选择性越到长波段越明显。这种选择性主 要由黑涂层的吸收率( 也可以说是反射率) 决定的，并因黑涂层材料及制作工艺的不同 而不同。这是用该方法测量光谱响应度时不确定度较大的一个根本原因，这就造成了用 该方法测量红外探测器光谱响应度时得到的结果重现性好但测量不确定度却不理想。 目l j 仍有很多国家采用这种方法进行探测器光谱响应度的测量。我国国家计量科学 研究院在1 9 9 8 年对可见区部分做了改进：用硅光电二极管测量了可见区内基准热电探测 器黑涂层的表面反射率，考虑了黑涂层的光谱选择性，对得到较好的测量不确定度有一 定的帮助。 串接单色仪透射比法的基本原理是：以光谱辐射亮度标准作为基准，把两台单色仪 串接起来，通过测定第二台单色仪的光谱透射比来求得探测器的相对光谱灵敏度。这一 方法比较复杂，且影响测量结果的因素较多，目前只有少数国家采用。 用迈克尔逊干涉仪及辅助设备测量探测器光谱响应度的基本原理是：通过连续移动 迈克尔逊干涉仪中的反射镜，连续改变光程差，用计算机记录参考探测器和被测探测器 电信号输出中的变化部分，得到一条所需光谱范围内的能量随光程差变化的干涉图函数。 在得到干涉图函数后，利用计算机即可算出干涉函数傅立叶变换，得到测量所需的被测 探测器在一定光谱范围内的相对响应于入射波长的输出信号及相对响应于入射波长的函 数关系。用这种方法检测方便，速度快。 热释电探测器由于具有均匀的光谱灵敏度通常被用做基准探测器，但受到黑涂层特 性的影响，热释电探测器到中红外区光谱选择性加强。为了得到高精度、宽光谱范围的 4 两安r = 业入学r ； 旱硕十学位论文 探测器光谱响应度测量装置，选用一种以腔体热释电探测器为基准的新方法，这种方法 克服了参考热偶堆法中无法验证光谱灵敏度的选择性这一根本性问题，从而使探测器光 谱响应度的高精度测量成为可能。 3 ) 建立红外探测器参数校准装置的目的和意义 本课题主要研究红外探测器参数的校准装置，研究内容包括：a 研究并建立红外光谱 响应度标准装置，研究红外波段量值传递方法；b 研究并建立红外辐射传递标准空间均匀 性测量装置；c 研究并建立红外辐射传递标准响应度直线性测量装置；d 研究红外探测器 关键参数的校准方法。 二十世纪九十年代英国国家物理实验室建立了两套改进的光谱响应度标准，他们用高 量子效率硅光电二极管建立4 0 0 n m 到9 2 0 n m 连续波段的光谱响应度标准，而用腔体热释 电探测器建立l p , m 到2 0 9 m 连续波段的光谱响应度标准，其中可见波段的测量不确定度 为士o 1 ，而红外波段的测量不确定度低于士1 6 。我站通过建立自校准技术光辐射标 准装置，已拥有了辐射标准( 低温辐射计) 、辐射传递标准( 陷阱探测器) 、辐射标准器光 谱响应度测量装置，但这套光谱响应度测量装置的光谱范围是3 5 0 n m - 1 l o o n m 。随着红 外探测技术的发展，红外技术的应用也日益广泛，红外技术首先受到军事部门的关注，因 为它提供了在夜间观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。它开拓了人的 视觉范围，使人能看得更远或在黑夜及恶劣的环境下能看清目标。红外成像、红外制导、 红外预报警等在现代和未来的战争中都是很重要的战术和战略手段。红外成像技术为夜间 i 作战提供了保障，但红外成像技术很难对辐射量的大小进行精确的测量，而红外光谱辐射 计能够对目标的辐射特性进行定量的评价，为红外成像提供可靠的保障。用于校准“热像 仪主要参数校准装置”的傅立叶变换式红外光谱辐射计首先必须解决自身校准和溯源问 题，而它的校准问题主要是对其绝对光谱响应度的标定，然后得到光谱校准曲线。 目前红外探测器萨在向高分辨率、高灵敏度发展，随着科技应用的扩大和半导体技术 的发展，以及航天航空技术的飞速发展，红外技术、红外探测器在人造卫星、红外遥感、 红外测温等技术中获得了广泛的应用，对红外探测器的要求越来越高。 如非常好的空间均匀性、宽的直线性、很高的d 唪值及长期的稳定性等。光谱响应度， 是探测器响应的基本参数，直接给出光谱功率的响应，所以，高精度的光谱响应度标准都 选用无光谱选择性的热探测器作为辐射标准探测器进行光谱响应度量值传递；空间均匀 性，若探测器响应度的空间均匀性差，则探测器的输出会因入射光束的角度、方向、位置 等因素的改变而改变，给测量结果带来非常大的测量不确定度，所以，空间均匀性差的探 测器不能用于量值传递；响应度的直线性，用于传递量值的标准探测器，一般要求具有宽 的动态范围，良好的直线性，否则，会因量程范围小的差异以及非线性带来较大的测量不 确定度；探测率( d 值) ，通常用符号d 表示，表征探测器探测弱辐射的能力，是评价探 测器灵敏性的关键技术指标。辐射标准探测器应具有很高的d + 值。 两安丁业人学t 程硕十学位论文 要研制先进实用的红外探测器首先得有可靠的检测设备。要设计出合格的红外系统， 必须精确了解所采用的红外探测器的特性参数等。因此建立红外探测器参数校准装置，用 于校准红外探测器的关键技术参数，如光谱响应度等是非常必要的。通过这一项目的完成， 将建成一套完整的红外辐射量传体系，并把辐射标准器光谱响应度测量装置的光谱范围拓 展到2 0 i t m 的远红外区，大大增强了该装置在军事领域的应用范围。因此，需要研究并建 立适合我国国情的红外探测器参数的校准装置。 4 ) 本文研究的主要内容 全文内容包括五章内容：第一章，介绍并评述了各种光辐射基准及光辐射传递标准， 介绍了它们的组成、工作原理及各自的发展现状；第二章，是课题的关键部分，主要针对 红外光谱响应度标准装置、探测器空间均匀性及直线性测量装置展开研究工作；第三章， 课题中解决的关键技术；第四章，给出了在课题研究过程中所做的实验工作；第五章，给 出影响测量结果的各不确定度分量的分析。 绪论叙述了光辐射计量在军事和民用上的重要意义，并叙述了为了解决红外波段辐射 参量的计量测试及量传问题，目前国际上一般采用两种途径以及课题所采用的途径。最后 说明了建立红外辐射传递标准及其参数的校准装置的目的和意义。 第一章详细介绍并评述了各种光辐射传递标准及红外光谱响应度、直线性、空间均匀 性等红外波段探测器主要参数的测试方法，介绍了它们的组成、工作原理及各自的发展现 状。基于辐射源的光辐射基准目前世界上最常用的是黑体( 可见到红外波段) ，而基于探 测器的光辐射基准目前世界上最常用的是低温辐射计。本文选用腔体热释电探测器为红外 辐射传递标准开展工作，完成红外探测器的红外光谱响应度、直线性、空间均匀性及红外 探测器灵敏度等的校准与测试。 第二章主要研究并建立了红外探测器参数的校准装置，包括红外光谱响应度标准装置 和红外探测器空间均匀性及直线性校准装置，从装置上各光学元件的选择到光学系统的设 计，乃至光路的调试都进行了详细的介绍，并分析了装置的设计思想及研究过程，从而完 成了红外辐射传递标准及其参数校准装置的建立，红外光谱响应度测量装置的波长范围为 ( 1 - - 2 0 ) l a m ，可基本满足现阶段红外探测器的量值传递工作；红外探测器空间均匀性及 直线性校准装置的波长范围为( o 4 1 4 ) “m ，同时满足可见和红外波段测量的需求。 第三章主要描述了课题中解决的关键技术，包括系统的集成技术、离轴抛物镜的设计、 精密二维扫描系统的设计、双孔转盘及其衰减系统的设计、微小光斑的设计、综合测量软 件的编制等，是完成课题完成的关键。 第四章主要给出了课题中红外探测器基本参数包括：光谱响应度、空间均匀性及直线 性等的实验结果，筛选的标准探测器主要有i n g a a s 探测器，波长为( o 9 1 6 ) i _ t n - i ；i n s b 探测器，波长为( 3 - 5 ) “m ，；h g c d t e 探测器，波长为( 8 1 4 ) p m ，腔体热释电探测器 ( p y r o e l e c t r i c ) ，波长为( 1 1 4 ) i t m ，同时，也给出了与英国国家物理实验室( n p l ) 的 6 两安r 业大学1 ：稃硕十学位论文 比对测试结果。 第五章主要分析了影响测量结果的因素和测量结果的不确定度，从分析的结果知道， 影响红外探测器光谱响应度的主要因素为腔体热释电探测器绝对光谱响应度的标定、系统 的稳定性及探测器本身的响应特性等，对探测器空间均匀性的影响主要有相对测量的不 准、扫描机构的重复性及系统的稳定性等，最后，也分析了探测器直线性的影响因素。 第六章为结论与展望，对本文的研究工作进行了全面总结。 1红外辐射传递标准及其校准技术研究 1红外辐射传递标准及其校准技术研究 红外辐射计量主要完成对红外波段主要参数的计量测试，包括对各种红外辐射源的辐 射特性如红外辐射功率、红外光谱辐亮度及红外光谱辐射强度等进行计量测试；包括对各 种红外探测器的探测特性进行计量测试如红外光谱响应度、直线性、空间均匀性及红外探 测器灵敏度等。随着红外探测技术的发展及在军、民两个领域的广泛应用，红外辐射计量 越发显示了它的重要性。美、英、俄等发达国家都投巨资研究和建立红外辐射计量的最高 标准，计量测试水平得到显著提高。 从理论上讲，实现红外辐射绝对测量的途径主要有两方面：一是基于红外辐射源，主 要使用各类标准黑体作为标准辐射源；二是基于红外探测器，主要采用腔体热释电探测器 来完成红外波段的量值传递，而腔体热释电探测器的绝对光功率响应度则来源于电替代辐 射计( 低温辐射计) 。 以上两个途径在现阶段并存。九十年代以前金属凝固点黑体已经非常成熟，所以主要 是以金属凝固点黑体作为最高标准。自从英国n p l 和美国n i s t 研制成功低温辐射计以 后，人们开始考虑用探测器作为最高标准，以陷阱探测器作为传递标准，完成各个波段的 量值传递。 本课题主要研究以探测器为基础的红外波段的量值传递，以腔体热释电探测器为传递 标准器来完成对各类红外探测器光谱响应度的校准，同时也选用了其它常用的红外探测器 通过对其校准和筛选，作为特定波段的标准探测器来完成红外波段的量值传递，并对其关 键参数进行校准。 以探测器为基础的量值传递体系具有以下优点： 1 ) 由于低温辐射计的测量不确定度达到0 0 l 0 0 0 5 ，使得辐射计量的整体水平 大大提高。 2 ) 由于使用辐射传递标准探测器保存量值，体积小、重量轻、便于携带，且操作非 常方便、简单。 3 ) 辐射量值溯源于辐射量( w ) 而非温度量( k ) ，国际实用温标的变动不会对该辐 射量传体系的辐射量值产生影响。 4 ) 可以建立起变温黑体的温度与辐射传递标准探测器的输出电流之间一一对应的关 系，而不是几个分立的定点温度。 1 1 红外辐射基准及其传递标准的研究 1 1 1 红外辐射基准源标准黑体 能够在任何温度下全部吸收任何波长的入射辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体。 9 西安t 业大学t 稃硕十学位论文 在以光源为基础的传递方式中，均是黑体为标准光源。 1 ) 黑体辐射定律 黑体辐射有如下特性： a 、处于热平衡态的黑体在绝对温度t 时的光谱辐亮度由普朗克公式给出： k ：鱼兄 嘉一1 ) 一1 ( w m z s r l m - i ) ( 1 1 ) 刀 式中c l 和c 2 分别为普朗克第一、二常数，九为真空中的波长。 b 、黑体为朗伯辐射体，它的光谱辐射出射度也可按普朗克公式给出，只是单位常数 不同： m 加= c l 万5 ( p 2 7 一1 ) 一1 ( w m 。2 m 。1 ) ( 1 2 ) c 、对应于黑体的最大光谱辐射波长k 由维恩位移定律确定，即： k = 2 8 9 7 8 t ( l t m ) ( 1 3 ) d 、黑体在波长k 上的光谱辐射出射度可按( 1 4 ) 公式计算： m l = 1 2 8 6 5 x1 0 5 t 5 ( w m 。2 m 。1 ) ( 1 4 ) e 、黑体总的辐射出射度按斯蒂藩玻尔兹曼公式给出： m 。= 0 7 4 ( w m 。2 ) ( 1 5 ) 式中。为玻尔兹曼常数，t 为热力学温度。 f 、对于黑体辐射，按最大光谱辐射出射度归一化的相对光谱辐射出射度v l ( x ) - 与黑体 温度无关，称为普朗克公式的普遍形式： 圹静= 1 4 2 3 2 x - 5 ( e 半- 1 ) 一1 ( 1 6 ) 式中x = k k 。 g 、对于一般的温度t 的平衡热辐射有： 卫( a ，丁) = 占( 旯，r ) l 工占 ( 1 7 ) m 卫( 旯，t ) = 占( 兄，t ) m 加 ( 1 8 ) m ( t ) = 占( 丁) m 口 ( 1 9 ) 2 ) 黑体模拟器 黑体辐射源的光谱辐射特性和总辐射特性完全可由理论公式导出。它在给出温度t ( k ) 下发射辐射的光谱分布只是波长的函数。因此可以作为光辐射度量的计量基标准。实际的 黑体模拟器结构如图1 1 所示： l o 两安工业大学r 程硕十学何论文 1 黑体腔：2 加热器：3 保温层；4 冷却水管或风道； 5 黑体腔测温元件；6 黑体腔控温元件：7 精密光栏 图1 1黑体模拟器结构示意图 黑体腔形有圆柱形、圆锥形、球形以及其它轴对称旋转体的组合。特殊情况也采用非 轴对称旋转体。黑体辐射器还可以根据其工作温度是否可以变化分为变温黑体和固定点黑 体。变温黑体的加热方式有电阻加热器、循环液体加热器以及使用不同工质的热管。固定 温度的黑体则通常工作在各种介质凝固点相变温度上，常称为凝固点黑体。 黑体模拟器的腔体材料通常根据工作温度的不同选用不同的材料，常用的材料有特种 塑料、铜、陶瓷、不锈钢、石墨等。保温层可以用绝热材料，也可用辐射反射屏。冷却方 式有水冷或风冷。控温和测温元件通常是热电偶或电阻温度计。 黑体模拟器的品质主要决定于黑体腔温度测量的准确度和其发射率接近于l 的程度。 黑体腔的发射率与腔体材料表面发射率、腔形及腔的温度分布有关。当上述3 个参量确定 后，可以对黑体腔的有效发射率进行精确的计算。 黑体腔有效发射率的理论计算方法研究已有半个多世纪的历史。早期的贝克莱，戈费 从不同的近似假设出发，先后提出三种计算方法。但相互的一致性不佳。近2 0 年来，由 于电子计算机和计算技术的发展，各种理论之间的差别逐渐缩小并趋于一致。黑体腔理论 目前已发展到十分完美的境地，人们期望用实验测定的方法来精确确定黑体模拟器的有效 发射率。 1 1 2 红外标准探测器 红外探测器是光电技术的一个主要组成部分，把红外辐射转换成电量。在探测过程中， 红外探测器的作用是发现信号、测量信号，并为应用提取必须的信号。所以红外探测器是 实现光电转换的关键部件，红外探测器性能的优劣将影响整个探测系统的性能。 1 ) 红外探测器简介 a 、红外探测器分类 红外探测器按响应方式或器件的工作机理不同，一般分为两大类：热电探测器和光电 探测器。 ( 1 ) 热电探测器 两安t 业大学工程硕士学位论文 热电探测器包括：热敏电阻、热电隅和热电堆、气动管( 高莱管) 、热释电探测器等。 工作原理是：光辐射引起探测器温度的上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化，反 映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。因温度升高是一种热积累过程，与入 射光子的能量大小有关，探测器的相对光谱响应没有选择性，即可以从可见光到红外波段 均可响应，由于篇幅关系本章不再介绍。 ( 2 ) 光电探测器 光电探测器按响波长不同可以分为紫外探测器、可见光、近红外探测器和红外探测器。 按探测器响应元多少，光电探测器又可分为单元探测器和阵列器件等，阵列器件有线 列和面阵之分，常用的有可见光c c d 和红外焦平面阵列。 本篇将按探测器的工作波段和特殊用途分别介绍可见光及近红外探测器、红外探测 器、可见光c c d 、红外焦平面阵列等性能参数测量校准。 b 、紫外、可见光、近红外及红外光电探测器 紫外、可见光、近红外、红外光电探测器的工作机理是光电效应。即光辐射入射到光 电材料上，光电材料发射电子、或者其电导率发生变化、或发生感应电动势，这种现象统 称为光电效应。 光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所 引起的。按照其是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应。内光电效应包括 光电导效应、光生伏特( 光伏) 效应、光电子牵引响应和光磁效应。在光辐射作用下，光 电材料发射电子的现象称为光电子发射效应，它属于外光电效应。 在光电效应中，光子直接与物质中的电子相互作用，物质吸收光子后，将引起物质内 部电子能态的变化。这种变化与光子能量大小有关，即与入射光辐射的波长有关，所以光 电效应是一种波长选择性物理效应。基于这些光电效应的光电探测器，随着选用的材料不 同，具有不同的光谱响应。 下面对光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和其他红外探 测器，分别作以简单介绍。 ( 1 ) 光电子发射探测器 光电子发射( p e ) 探测器是利用外光电( 光电子发射) 效应制成的光电器件。在光 辐照下，器件内光敏材料中电子得到足够的能量，便会逸出光敏材料而进入外界空间 真空或气体，即有电流流经这一空间，这一现象称光电子发射。利用这种光电效应制成的 可见光探测器和红外探测器，统称为光电子发射器件( p e 器件) 。 大部分p e 器件只对可见光有响应。用于红外辐射的光电阻极只有两种，分别叫做s 1 ( a g - o c s ) 和s 一2 0 ( n a - k c s s b ) ，后者响应只到0 9 9 m ，前者响应也只扩展到1 2 p m ， 因此发展新的红外光阴极是红外技术中一件很有意义的事情。 ( 2 ) 光电导探测器 1 2 西安t 业大学t 稗硕十学何论文 吸收能量足够大的光子后，半导体中有些电子和空穴能从原来不导电的束缚状态转变 为能导电的自由状态，从而使半导体的电导增加，这种现象叫作光电导。光电导探测器是 利用光电导效应制成的探测器和红外探测器，统称为光电子发射器件( p e 器件) 。 大部分p e 器件只对可见光有响应。用于红外辐射的光电阴极只有两种，分别叫做s 1 ( a g o c s ) 和s 2 0 ( n a k c s s b ) ，后者响应只到o 9 9 m ，前者响应也扩展到1 2 p m ，因 此发展新的红外光电阴极是红外技术中一件很有意义的事情。 ( 3 ) 光电导探测器 吸收能量足够大的光子后，半导体中有些电子和空穴能从原来不导电的束缚状态转变 为能导电的自由状态，从而使半导体的电导增加，这种现象叫作光电导。光电导探测器是 利用光电导效应制成的探测器，简称p c 探测器，通常又称光每电阻。但与一般电阻器不 同，它是有源器件，工作时要适当的偏流或偏压。 光电导探测器都用半导体材料，可以分为多晶薄膜形式和单晶形式两种。薄膜型的 p c 探测器品种较少，常用的只有p b s 和p b s e 两种；单晶型的p c 探测器可细分为本征型 和杂质型。过去本征型只限于探测波长在7 9 m 以下的红外辐射，主要有i n s b 探测器，它 是3 - 5 9 m 区间的优良的探测器，后来发展出适用8 1 4 p m 大气窗口的h g c d t e 和p b s n t e 探测器。 ( 4 ) 光伏探测器 光伏探测器是利用半导体p n 结光伏效应制成的探测器，简称p v 探测器。光照p - n 结时，光生载流子( 电子空穴对) 被内建电场分离，电子漂移到n 区，空穴漂移到p 区，形成光生电势，如将p - n 结短路，则会出现反向电流( 光生电流) 。如果p 区、n 区 开路，两端产生电压，这种现象叫做光生伏特效应。光生电势或光生电流直接反映了入射 光功率的大小。根据内建电场形成的结势垒不同，诸如p n 结势垒、p i n