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介绍了中国计量科学研究院基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量原理、方法和装置的研究进展。基于普朗克黑体辐射理论,建立了控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法的理论模型,并且搭建该测量装置,研究了该方法测量黑体辐射源发射率的结果和影响因素。利用该系统测得的黑体辐射源发射率测量的结果与理论模拟的结果高度吻合,测量重复性(标准偏差)达到0.07%。实验结果表明该方法在测量黑体发射率时不受热辐射环温度重复性的影响,当热辐射环温度与被测黑体温度的差异足够大时,热辐射环温度的变化对黑体发射率测量结果的影响可以满足应用的需求。该方法具备热红外遥感载荷在轨定标黑体的发射率测量的应用潜力,为我国红外遥感在轨定标系统定量化水平的提高提供重要技术基础。
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第 42 卷 第 9 期
2015 年 9 月
Vol. 42, No. 9
September, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0908005-
基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法研究
宋 健
1
郝小鹏
1
原遵东
1
刘曾林
1
许 敏
1,2
丁 雷
3
1
中国计量科学研究院热工计量科学与材料特性测量技术研究所, 北京 100013
2
成都理工大学核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059
3
中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
摘要 介绍了中国计量科学研究院基 于控制 环境辐射的黑体辐射源发射率测量原理、方法和装置的研究进展。基
于普朗克黑体辐射理论,建立了控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量方法的理论模型,并且搭建该测量装置,研
究了 该 方法测量黑 体辐射源发 射率的结果 和 影响因素。 利用该系统 测得的黑体 辐射源发射率 测量的结果 与理论
模拟的结果高度吻合,测量重复性(标准偏差)达到 0.07%。实验结果表明该方法在测量黑体发射率时不受热辐射环
温度 重复性的影 响,当热辐 射环温度与 被测黑体温 度的差异足 够大时,热辐射环 温 度的变化 对 黑体发射 率 测量结
果的影响可以满足应用的需求。该方法具备热红外遥感载荷在轨定标黑体的发射率测量的应用潜力,为我国红外
遥感在轨定标系统定量化水平的提高提供重要技术基础。
关键词 测量; 发射率; 控制环境辐射; 热辐射环; 黑体辐射源; 航天应用
中图分类号 TB941 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP42.0908005
Blackbody Source Emissivity Measurement Method Based on
Controlling Surroundings Radiation
Song Jian
1
Hao Xiaopeng
1
Yuan Zundong
1
Liu Zenglin
1
Xu Min
1,2
Ding Lei
3
1
Division of Thermometry and Materials Evaluation, National Institute of Metrology, Beijing 100013, China
2
College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology,
Chengdu, Sichuan 610059, China
3
Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences,
Shanghai 200083, China
Abstract The progress of the blackbody source emissivity measurement based on the controlling surrounding
radiation is presented, including the principle, method and equipment. The theoretical model is established
according to the Planck′s radiation law. The equipment is set up, and the blackbody emissivity results are analyzed
and factors affecting the results are discussed. The measurement results of blackbody emissivity agree well with
the theoretical modeling result, and the standard deviation of measurement results achieves 0.07%. It is shown that
the temperature repetitiveness of the heated halo has little influence on the emissivity results by the proposed
method. Similarly, the change of heated halo temperature has little effect on the results when the difference in
temperature between heated halo and blackbody is large enough. The proposed method has potential applications
in the blackbody emissivity measurement during the thermal infrared remote sensing facility on orbit. It also set
an important base to raise the level of infrared remote sensing calibration on board.
Key words measurement; emissivity; controlling surrounding radiation; heated halo; blackbody source; aerospace
application
OCIS codes 120.0280; 120.3940; 120.5630
收稿日期: 2015-03-25; 收到修改稿日期: 2015-04-21; 网络出版日期: 2015-00-00
基金项目: 国 家 863 计划(2015AA123701)、国 家 自 然科学基金(11475162)、中国科 学 院 红 外 探测与成像技术重点 实 验 室 资
助课题
作者简介: 宋 健(1988—),男,硕士研究生,主要从事红外亮度温度标准装置方面的研究。E-mail: songj@nim.ac.cn
导师简介: 郝小鹏(1980—),男,博士,副研究员,主要从事红外亮度温度标准装置和量值传递方法方面的研究。
E-mail: haoxp@nim.ac.cn(通信联系人)
1
中 国 激 光
0908005-
1 引 言
红外遥感是对地观测系统的重要探测手段之一,在国土安全、防灾减灾、环境监测、气象预报和气候变化
监测等很多领域都发挥着重要作用。由于红外遥感载荷在轨运行期间量值稳定性不高,需要利用星载定标系
统不断的进行标定。高精度的星载定标系统,对于保持红外遥感载荷高定量化和高稳定性的观测水平具有决
定性作用。星载定标系统一般由 1~2 个星载黑体实现高低温度的标定,也可利用深空环境作为标定源
[1-4]
。
当前,我国星载定标黑体整体水平与美国和欧洲还有较大差距。如美国和欧洲在红外遥感载荷的星上
定标黑体水平达到(0.2~0.3) K
[5]
,而我国星载定标黑体的水平为(0.7~1) K。另一个突出的问题是星载黑 体一
旦 发 射 入 轨 工 作 ,其 量 值 无 法 计 量 和 校 准 。 而 美 国 气 候 监 测 领 域 的 气 候 绝 对 辐 射 和 折 射 观 测 平 台
(CLARREO)计划要求红外遥感亮度温度的定标水平优于 0.1 K,并且建立了星载定标黑体在轨计量和校准方
法,其中黑体发射率不确定度优于 0.06%(k=3)
[6]
。而我国在此领域的研究还尚未开展。
根据普 朗克黑 体辐射定律,黑体的亮度温 度由黑 体温度 、波长和 发射率来决定。黑 体的温 度通过 黑体
上的高精度温度传感器测量得到。而黑体发射率通过地面实验测量得到后,作为一个重要参数直接用于黑
体亮度 温度的 计算。 目前尚 无在轨 测量和 校准的 措施。 而卫星 在轨运 行期间 星载定 标黑体可能会受到宇
宙射线照射的破坏或者长时间工作老化变性 ,这些都 可能改 变黑体 的发射率,从而影响定标 的准确 性。为
了提高我国红外遥感的定标水平,同时 满足气 候监测 对高精 度的红 外遥感载荷的需求,有必 要研究 星载黑
体发射率在轨的自校准方法。准确地在轨测量黑体发射率对于提高星载定标系统的精度具有重要意义。
基于控 制环境辐射 的黑体 发射率的校准方法 为解决 星载黑体发 射率的 自校准提供 了新的 方向。美国
威斯康辛大学建立的基于热辐射环的黑体发射率测量装置,在氮气净化环境中使用绝对亮度干涉仪和高分
辨率扫描干涉仪作为测量仪器,将热辐射环加热到高于黑体温度 75 K 测量黑体发射率,在实验室实现发射
率测量结果不确定度为 4×10
-4
(k=3)的水平
[7]
。
本文介绍了中国计量科学研究院建立的基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量装置的原理、组成
和实验结果,分析了热辐射环温 度和黑 体温度 变化对 测量结 果的影 响,验证了该方法应用于 星载定 标黑体
发射率在轨校准的可行性。
2 实验原理
2.1 实验原理
一个具有无限小开口的理想黑体辐射源,其光谱辐射亮度可以由普朗克黑体辐射定律计算得到,表达为
B
λ
( )
T =
c
1
πn
2
λ
5
é
ë
ê
ù
û
ú
exp
æ
è
ç
ö
ø
÷
c
2
nλT
- 1
, (1)
式中
c
1
=3.7418×10
-16
W·m
2
,
c
2
=1.4388×10
-2
m·K,
T
为黑体腔的温度,单位为 K,
λ
为空气中的波长,单位为
μm,n 为空气折射率。
对于实际黑体辐射源其发射率接近于 1,但不等于 1,需要考虑其发射率和反射率对辐射亮度的贡献。即
当环境温度与黑体温度接近时,探测到的实际黑体辐射源的光谱辐射亮度不仅要包含黑体辐射源自身的光谱
辐射亮度,还包含着其反射的环境辐射亮度。因此,探测到的黑体辐射源总的光谱辐射亮度 I
λ
可以表达为
I
λ
= ε
λ
B
λ
( )
T
bb
+
( )
1 - ε
λ
I
λ, bg
, (2)
式中
ε
λ
为黑体的光谱发射率,B
λ
( )
T
bb
为理想黑体发射的光谱辐射亮度,I
λ
( )
T
rm
为环境辐射亮度。通常情况
下,环境辐射亮度的普朗克表达为
I
λ, bg
= B
λ
( )
T
rm
, (3)
式中
T
rm
为环境的温度值。假设环境温度是均匀分布,当在待测黑体前部加入一个热辐射环时,热辐射环成
为环境辐射的一部分,如图 1 所示。当热辐射环处于室温时热辐射环与周围环境相同,当热辐射环温度升高
就会改变环境辐射。黑体接收到的环境辐射包含热辐射环的辐射和环境的辐射。此时的环境辐射亮度
I
λ, bg
可以表达为
2
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