第9章辐射度量的测量

1、第9章 辐射度量的测量 光谱辐射度量的测量光谱辐射度量的测量 总辐射度量的测量总辐射度量的测量 辐射温度的测量辐射温度的测量主要内容主要内容光谱辐射度量测量系统组成光谱辐射度量测量系统组成三脚架望远系统温度控制器红外探测器干涉仪光学系统电源黑体校准源控制采样电路电电子子系系统统处理软件计计算算机机系系统统Model-102探测器接收到的辐亮度L应为：ooLL探测得到的信号电压 V 为：obooLobooLLLRLLRV说明：1）oLL2）obobLL。3）oLoLR。于是有ooboLobooLLLLVLLLV方 法 一 ： 是 以 零 输 出 法 确 定Lb。方 法 二： 双 黑体 法 或 单

2、 黑体 双 温标 定 法 。 标定 时 忽略 大 气 的 影 响， 即 1， 并 使标 准黑体 温 度 高 于 内 部 参 考 黑 体 温 度 ， 于 是 有 ：T1时 ，bTooLLLV11T2时 ，bTooLLLV22两 式 相 减 ， 则 有 ：2121ToTooLLLVV 2121ToTooLLLVV式 中 等 号 右 侧 各 项 均 已 知 ， 即 可 定 出oL。两 式 相 加 ， 则 有 ：boLToTooLLLLVV22121 oLToTobVVLLL212121由 此 可 以 得 到oL和Lb。目标a()1)()(SS)()(1 ),()()(DWRSSbSSLTLL),()

3、,()()(0instSSSTLTLrV),(),()()()(AbHbAHTLTLVVr),()(/ )(),(0AAinstTLrVTL),()(/ )()(0instSSTLrVL 探测器对目标和标准黑体辐射响应曲线 定标后目标的光谱辐射曲线 发射率计算发射率计算 )(),()()()(DWRSbDWRSSLTLLL),()()(1)()(,GbGGDWRmeasDWRTLLL)(1 ),()()()(,GGbGmeasDWRDWRTLLL),()(/ )()(0,instDWRmeasDWRTLrVL目标a(),(),(0bbgSTETEESESETrV),(0( , )( ,)()S

4、bgboffEETETET点源光谱辐射量的测量( , )( , )( ,)()SESEbgboffVrTErTETET),(),(0TETrVVESS),()(0TEVVrSSE),(4),(0220TMlDTE( , )( ,)( ,)( ,)xExxbgboffVrTETETET( , )( ,)()xEbgboffVrTETET),(),(xxExxTETrVV),(),(TrVVTEExxxx),(),(020TElTI2010( , )( , )4TDET光谱段辐射度量测量系统组成光谱段辐射度量测量系统组成 Fig.2 The output of detector21212121AA

5、dLdLdVVbLoLdLdLdLdLLVbobLoLLboLboLLLdLdLV nFor extended source L(, T) L0(, T) n For point source E(, T) E0(, T) 方法一：通过零输入法可以确定Lb。0booLLLV，boLL ，方法二：双黑体法或单黑体双温标定法。标定oL时应按仪器实际测量对象大致的温度范围来选择黑体的两个温度，显然两温度差值不能太大，于是有：T1时，boToLLLV11T2时，boToLLLV22两式相减，则有：2121oToToLLLVV 2121oToToLLLVV式中等号右侧各项均已知，即可定出oL。两式相加，

6、则有：boLoToToLLLLVV22121 oLoToTbVVLLL212121),(),(),(01bbLSTLTTLTV),(),(),(02bbLSTLTTLTV0120),(LVVLVTSSSL),(),(),(0BBsLSTLTLTV),(),(),(01TTLTVVTLLSSSS(1)(2)(3)(4)(5)(),(),(),(),(0TETETETETVoffbbgESES )(),(),(),(TETETETVoffbbgESES ),()(0TEVVSSE),(),(),(),(TETETETVoffbbgxxEx )(),(),(TETETVoffbbgEx ),(),(

7、TVVTEExxxx(6)(7)(8)(9)(10)(11)上图为在某处所测到的飞机尾焰辐射，飞机由于距离远相当于点源，图中清楚地给出了飞机在起飞过程中所发出的辐射。n以零输出法确定，即用一外部面型黑体通过调整其温度，使输出电压为零，这时表明外部黑体在范围内的辐射量经光学系统衰减后，与内部黑体经过部分光学系统衰减后相等。由于种种原因产生零输出时各波段所对应的外部黑体温度多数情况下是不相等的，同时由于在实验室条件下高温面源（100C）不太容易得到，因此对于内部黑体的等效工作温度仅给出3-5um和8-12um。实验测得内部黑体的等效温度在3-5um和8-12um波段分别为： Fig.3 The c

8、urve of output voltage of radiometer vs. the temperature of object extended source00.511.522.533.590.0290.0490.0690.0temperature(C)output voltage1-33-58-12point source0246890.0290.0490.0690.0temperatureoutput voltage3-58-121-3extended source024681012350.0550.0750.0950.0 x 0.0001temperature(K)sensiti

9、vity1-3um3-5um8-12um1Fig.4 The curve of extended source sensitivity vs. temperature n在实际的标定过程中，为了减小标定数据的误差，需要注意以下几点：n对于同一个温度点的不同波段进行标定之前，都要重新对准。n采用远距小目标，即成像在探测器上占极小的面。如占到1/10以上，则还应给以面积修正。因为有目标的背景照度与没目标时背景照度是不相同的，后者增加了原目标所占面积对应的背景信号，或者说有目标时目标面积顶去了一块背景面积。n测试条件应尽可能与标定时接近，否则必然带来误差。n在点源的标定过程中，光阑应选用发射率较高的

10、材料并且离黑体出射孔有一定的距离。这是随着黑体温度的升高以及标定时间的延长，光阑会被烤热，使背景辐射信号变大，影响测量精度。n在实际的标定和测量过程中，还必须考虑大气条件、各种噪声和暗电流的影响。 分布温度分布温度光源的分布温度是在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲光源的分布温度是在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地成比例时的黑线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地成比例时的黑体温度，因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。体温度，因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。色温色温色温是颜色温度的简称，有几种定义的方法。在可见谱色温是颜色温度的简称，有几种定义的

11、方法。在可见谱段内，当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时，那末黑段内，当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时，那末黑体温度就称为发射体的色温。即色温是由人眼主观色度感体温度就称为发射体的色温。即色温是由人眼主观色度感觉上把光源用相当一定温度的黑体来描述。觉上把光源用相当一定温度的黑体来描述。几个概念几个概念辐亮度温度辐亮度温度实际发射体在某一波长实际发射体在某一波长( (窄谱段范围内窄谱段范围内) )的光谱辐亮度的光谱辐亮度和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时，黑和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时，黑体温度称为发射体的辐亮度温度。如果波长在可见光谱体温度称为发射体的辐亮度温度。

12、如果波长在可见光谱范围内用人眼范围内用人眼( (或具有人眼光谱光视效率响应的探测器或具有人眼光谱光视效率响应的探测器) )来判断其间亮度相等时，则称为亮度温度，简称亮温。来判断其间亮度相等时，则称为亮度温度，简称亮温。辐射温度辐射温度辐射体的辐射温度是在整个光辐射的谱段范围内的辐辐射体的辐射温度是在整个光辐射的谱段范围内的辐亮度与某温度黑体辐亮度相等时黑体的温度亮度与某温度黑体辐亮度相等时黑体的温度光学高温计的结构光学高温计的结构 待测亮温的光源待测亮温的光源B置于仪器的通光孔前，通过仪器物镜置于仪器的通光孔前，通过仪器物镜B1、光阑、光阑D1和中性滤光片和中性滤光片A后，光源成像在高温计灯泡

13、后，光源成像在高温计灯泡P的灯丝平面上。再经过光阑的灯丝平面上。再经过光阑D2、目镜、目镜B2和红色滤光片和红色滤光片F，由观察孔出射由观察孔出射, 人眼位于观察孔处。人眼位于观察孔处。 光学高温计红色遮光片和人眼光学高温计红色遮光片和人眼光谱光视效率曲线的组合，构光谱光视效率曲线的组合，构成了中央波长约成了中央波长约0.65 m，谱段，谱段宽度约宽度约80nm的响应特性的响应特性(见图见图9-14中带剖面线部分中带剖面线部分)。由于人眼。由于人眼在这个窄的红色谱段内灵敏度在这个窄的红色谱段内灵敏度很低，故辐射源温度变化所引很低，故辐射源温度变化所引起的颜色的变化，已很难为人起的颜色的变化，已

14、很难为人眼所察觉，故不会因为色差异眼所察觉，故不会因为色差异造成亮度平衡的困难。造成亮度平衡的困难。图图9-14 光学高温计的光谱响应光学高温计的光谱响应光学高温计的观察视场内，人眼可看到待测辐射源和高温计光学高温计的观察视场内，人眼可看到待测辐射源和高温计灯泡灯丝像灯泡灯丝像(图图9-15)。调节灯泡的灯丝电流，使人眼在视场。调节灯泡的灯丝电流，使人眼在视场内看到的灯丝像逐渐内看到的灯丝像逐渐“消隐消隐”，由指示仪表读数，可直接读，由指示仪表读数，可直接读得待测辐射源的亮温值。灯丝得待测辐射源的亮温值。灯丝“消隐消隐”表示灯丝亮度和待测表示灯丝亮度和待测辐射源在辐射源在0.65 m窄谱段内亮

15、度值相等，只要灯丝电流和亮温窄谱段内亮度值相等，只要灯丝电流和亮温读数事先经过标定，则仪器就可方便地用于辐射源亮温的测读数事先经过标定，则仪器就可方便地用于辐射源亮温的测量中。由于灯丝电流和亮温值之间的非线性关系，故亮温指量中。由于灯丝电流和亮温值之间的非线性关系，故亮温指示仪表刻度也是非等间隔。示仪表刻度也是非等间隔。图图9-15 高温计灯泡灯丝的消隐高温计灯泡灯丝的消隐高温计标定的标准辐射源是经过标定的钨带灯。不加中性高温计标定的标准辐射源是经过标定的钨带灯。不加中性密度滤光片时标定的温度在密度滤光片时标定的温度在7001200之间。温度太低时，之间。温度太低时，人眼观察亮度太暗，会影响仪

16、器的标定和测量精度。温度人眼观察亮度太暗，会影响仪器的标定和测量精度。温度高于高于1200时，应加入中性密度滤光片，以减弱像的亮度时，应加入中性密度滤光片，以减弱像的亮度过大对人眼的强刺激。其透射比过大对人眼的强刺激。其透射比 可由下式关系求得可由下式关系求得12125512exp()exp()CCCCTT21211lnTTC 式中，式中，T1和和T2分别为辐射源的亮温和加滤光片后测得的亮分别为辐射源的亮温和加滤光片后测得的亮温。精密光学高温计和工业用高温计各有两块厚度为温。精密光学高温计和工业用高温计各有两块厚度为2mm和和3.2mm的滤光片，分别用于的滤光片，分别用于12001800 C和

17、和18003200 C的测温。的测温。当当 =常数时，即为常数时，衰减与待测辐射源的常数时，即为常数时，衰减与待测辐射源的温度值无关，即在测温范围内不因辐射源温度的变化而对温度值无关，即在测温范围内不因辐射源温度的变化而对温度示数进行必要修正。温度示数进行必要修正。211/1/TT最常用的测量色温的方法有两种：最常用的测量色温的方法有两种： 测量待测光源的相对光谱能量分布，利用色度计算测量待测光源的相对光谱能量分布，利用色度计算公式，求出光源在色度图上的色坐标，从而由色度图公式，求出光源在色度图上的色坐标，从而由色度图上等温相关色温线确定光源在给定工作电压下的色温上等温相关色温线确定光源在给定

18、工作电压下的色温或相关色温。或相关色温。 双色法。这是最常用的色温测量或标定的方法。双色法。这是最常用的色温测量或标定的方法。测量需要已标定色温值的标准光测量需要已标定色温值的标准光源，再用待测光源和标准光源进源，再用待测光源和标准光源进行双色比对测量，求出待测光源行双色比对测量，求出待测光源的色温值。测量原理是：选定两的色温值。测量原理是：选定两个窄谱段个窄谱段(原则上是任意的，例原则上是任意的，例如在可见谱段，常在蓝色和红色如在可见谱段，常在蓝色和红色各选一个谱段各选一个谱段)，如果待测光源，如果待测光源在这两个谱段探测器输出信号的在这两个谱段探测器输出信号的比值与某色温的标准光源相同，比

19、值与某色温的标准光源相同，那么标准光源的色温值就是待测那么标准光源的色温值就是待测光源的色温值光源的色温值(图图9-16)。图图9-16 双色法测色温双色法测色温测量装置如图测量装置如图9-17所示。光源照射具所示。光源照射具有朗伯反射特性的白色漫射屏，在有朗伯反射特性的白色漫射屏，在离屏一定距离处安置前部有两块滤离屏一定距离处安置前部有两块滤光片的转动架，一块滤光片透射的光片的转动架，一块滤光片透射的峰值波长为峰值波长为0.46 m，另一块为，另一块为0.66 m。由于测量值是两块滤光片。由于测量值是两块滤光片图图9-17 双色法测色温的装置双色法测色温的装置 移入测量光路时探测器的读数比，

20、故对光源到漫射屏的距移入测量光路时探测器的读数比，故对光源到漫射屏的距离没有特殊的要求，因为距离的变化不会改变漫射屏反射离没有特殊的要求，因为距离的变化不会改变漫射屏反射光的光谱特性，但距离值也不宜过小。由于两块滤光片透光的光谱特性，但距离值也不宜过小。由于两块滤光片透射谱段很窄，待测光源和标准光源在相同的透射谱段上进射谱段很窄，待测光源和标准光源在相同的透射谱段上进行比对测量，所以对探测器的光谱响应特性也没有特殊要行比对测量，所以对探测器的光谱响应特性也没有特殊要求，只要在测量谱段上具有足够的响应度。求，只要在测量谱段上具有足够的响应度。 测试步骤：测试步骤：一、先求出标准光源在所一、先求出

21、标准光源在所标定的色温值下探测器的标定的色温值下探测器的电压读数比电压读数比(Vs/Vi )标准，标准，下标下标s表示短波滤光片移入表示短波滤光片移入光路，下标光路，下标i是长波滤光片是长波滤光片移入光路。这一比值的测移入光路。这一比值的测量应使标准光源置于离漫量应使标准光源置于离漫射屏不同的距离上。射屏不同的距离上。测试步骤：测试步骤：二、然后将待测光源移入测量光路，边测边调节其灯丝二、然后将待测光源移入测量光路，边测边调节其灯丝电压，并改变它到漫射屏的距离，使探测器的读数电压，并改变它到漫射屏的距离，使探测器的读数Vi待待测和标准光源移入时探测器的读数测和标准光源移入时探测器的读数Vi标准相同，表标准相同，表9-2给出待测光源的测试结果，若使给出待测光源的测试结果，若使()()ssiiVVVV待测标准则待测光源工作在标定电压值则待测光源工作在标定电压值(表中为表中为94.5V )，具有与，具有与标准光源相同的色温标准光源相同的