第9章輻射度量的測(cè)量

1、第9章 輻射度量的測(cè)量 光譜輻射度量的測(cè)量光譜輻射度量的測(cè)量 總輻射度量的測(cè)量總輻射度量的測(cè)量 輻射溫度的測(cè)量輻射溫度的測(cè)量主要內(nèi)容主要內(nèi)容光譜輻射度量測(cè)量系統(tǒng)組成光譜輻射度量測(cè)量系統(tǒng)組成三腳架望遠(yuǎn)系統(tǒng)溫度控制器紅外探測(cè)器干涉儀光學(xué)系統(tǒng)電源黑體校準(zhǔn)源控制采樣電路電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)處理軟件計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)Model-102探測(cè)器接收到的輻亮度L應(yīng)為：ooLL探測(cè)得到的信號(hào)電壓 V 為：obooLobooLLLRLLRV說(shuō)明：1）oLL2）obobLL。3）oLoLR。于是有ooboLobooLLLLVLLLV方 法 一 ： 是 以 零 輸 出 法 確 定Lb。方 法 二： 雙 黑體 法 或 單

2、 黑體 雙 溫標(biāo) 定 法 。 標(biāo)定 時(shí) 忽略 大 氣 的 影 響， 即 1， 并 使標(biāo) 準(zhǔn)黑體 溫 度 高 于 內(nèi) 部 參 考 黑 體 溫 度 ， 于 是 有 ：T1時(shí) ，bTooLLLV11T2時(shí) ，bTooLLLV22兩 式 相 減 ， 則 有 ：2121ToTooLLLVV 2121ToTooLLLVV式 中 等 號(hào) 右 側(cè) 各 項(xiàng) 均 已 知 ， 即 可 定 出oL。兩 式 相 加 ， 則 有 ：boLToTooLLLLVV22121 oLToTobVVLLL212121由 此 可 以 得 到oL和Lb。目標(biāo)a()1)()(SS)()(1 ),()()(DWRSSbSSLTLL),()

3、,()()(0instSSSTLTLrV),(),()()()(AbHbAHTLTLVVr),()(/ )(),(0AAinstTLrVTL),()(/ )()(0instSSTLrVL 探測(cè)器對(duì)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射響應(yīng)曲線 定標(biāo)后目標(biāo)的光譜輻射曲線 發(fā)射率計(jì)算發(fā)射率計(jì)算 )(),()()()(DWRSbDWRSSLTLLL),()()(1)()(,GbGGDWRmeasDWRTLLL)(1 ),()()()(,GGbGmeasDWRDWRTLLL),()(/ )()(0,instDWRmeasDWRTLrVL目標(biāo)a(),(),(0bbgSTETEESESETrV),(0( , )( ,)()S

4、bgboffEETETET點(diǎn)源光譜輻射量的測(cè)量( , )( , )( ,)()SESEbgboffVrTErTETET),(),(0TETrVVESS),()(0TEVVrSSE),(4),(0220TMlDTE( , )( ,)( ,)( ,)xExxbgboffVrTETETET( , )( ,)()xEbgboffVrTETET),(),(xxExxTETrVV),(),(TrVVTEExxxx),(),(020TElTI2010( , )( , )4TDET光譜段輻射度量測(cè)量系統(tǒng)組成光譜段輻射度量測(cè)量系統(tǒng)組成 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：通過(guò)零輸入法可以確定Lb。0booLLLV，boLL ，方法二：雙黑體法或單黑體雙溫標(biāo)定法。標(biāo)定oL時(shí)應(yīng)按儀器實(shí)際測(cè)量對(duì)象大致的溫度范圍來(lái)選擇黑體的兩個(gè)溫度，顯然兩溫度差值不能太大，于是有：T1時(shí)，boToLLLV11T2時(shí)，boToLLLV22兩式相減，則有：2121oToToLLLVV 2121oToToLLLVV式中等號(hào)右側(cè)各項(xiàng)均已知，即可定出oL。兩式相加，

6、則有：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)上圖為在某處所測(cè)到的飛機(jī)尾焰輻射，飛機(jī)由于距離遠(yuǎn)相當(dāng)于點(diǎn)源，圖中清楚地給出了飛機(jī)在起飛過(guò)程中所發(fā)出的輻射。n以零輸出法確定，即用一外部面型黑體通過(guò)調(diào)整其溫度，使輸出電壓為零，這時(shí)表明外部黑體在范圍內(nèi)的輻射量經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)衰減后，與內(nèi)部黑體經(jīng)過(guò)部分光學(xué)系統(tǒng)衰減后相等。由于種種原因產(chǎn)生零輸出時(shí)各波段所對(duì)應(yīng)的外部黑體溫度多數(shù)情況下是不相等的，同時(shí)由于在實(shí)驗(yàn)室條件下高溫面源（100C）不太容易得到，因此對(duì)于內(nèi)部黑體的等效工作溫度僅給出3-5um和8-12um。實(shí)驗(yàn)測(cè)得內(nèi)部黑體的等效溫度在3-5um和8-12um波段分別為： 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在實(shí)際的標(biāo)定過(guò)程中，為了減小標(biāo)定數(shù)據(jù)的誤差，需要注意以下幾點(diǎn)：n對(duì)于同一個(gè)溫度點(diǎn)的不同波段進(jìn)行標(biāo)定之前，都要重新對(duì)準(zhǔn)。n采用遠(yuǎn)距小目標(biāo)，即成像在探測(cè)器上占極小的面。如占到1/10以上，則還應(yīng)給以面積修正。因?yàn)橛心繕?biāo)的背景照度與沒(méi)目標(biāo)時(shí)背景照度是不相同的，后者增加了原目標(biāo)所占面積對(duì)應(yīng)的背景信號(hào)，或者說(shuō)有目標(biāo)時(shí)目標(biāo)面積頂去了一塊背景面積。n測(cè)試條件應(yīng)盡可能與標(biāo)定時(shí)接近，否則必然帶來(lái)誤差。n在點(diǎn)源的標(biāo)定過(guò)程中，光闌應(yīng)選用發(fā)射率較高的

10、材料并且離黑體出射孔有一定的距離。這是隨著黑體溫度的升高以及標(biāo)定時(shí)間的延長(zhǎng)，光闌會(huì)被烤熱，使背景輻射信號(hào)變大，影響測(cè)量精度。n在實(shí)際的標(biāo)定和測(cè)量過(guò)程中，還必須考慮大氣條件、各種噪聲和暗電流的影響。 分布溫度分布溫度光源的分布溫度是在一定譜段范圍內(nèi)光源光譜輻亮度曲光源的分布溫度是在一定譜段范圍內(nèi)光源光譜輻亮度曲線和黑體的光譜輻亮度曲線成比例或近似地成比例時(shí)的黑線和黑體的光譜輻亮度曲線成比例或近似地成比例時(shí)的黑體溫度，因而分布溫度可描述光源的光譜能量分布特性。體溫度，因而分布溫度可描述光源的光譜能量分布特性。色溫色溫色溫是顏色溫度的簡(jiǎn)稱，有幾種定義的方法。在可見(jiàn)譜色溫是顏色溫度的簡(jiǎn)稱，有幾種定義的

11、方法。在可見(jiàn)譜段內(nèi)，當(dāng)發(fā)射體和某溫度的黑體有相同的顏色時(shí)，那末黑段內(nèi)，當(dāng)發(fā)射體和某溫度的黑體有相同的顏色時(shí)，那末黑體溫度就稱為發(fā)射體的色溫。即色溫是由人眼主觀色度感體溫度就稱為發(fā)射體的色溫。即色溫是由人眼主觀色度感覺(jué)上把光源用相當(dāng)一定溫度的黑體來(lái)描述。覺(jué)上把光源用相當(dāng)一定溫度的黑體來(lái)描述。幾個(gè)概念幾個(gè)概念輻亮度溫度輻亮度溫度實(shí)際發(fā)射體在某一波長(zhǎng)實(shí)際發(fā)射體在某一波長(zhǎng)( (窄譜段范圍內(nèi)窄譜段范圍內(nèi)) )的光譜輻亮度的光譜輻亮度和黑體在某一溫度同一波長(zhǎng)下的光譜輻亮度相等時(shí)，黑和黑體在某一溫度同一波長(zhǎng)下的光譜輻亮度相等時(shí)，黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。如果波長(zhǎng)在可見(jiàn)光譜體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。

12、如果波長(zhǎng)在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)用人眼范圍內(nèi)用人眼( (或具有人眼光譜光視效率響應(yīng)的探測(cè)器或具有人眼光譜光視效率響應(yīng)的探測(cè)器) )來(lái)判斷其間亮度相等時(shí)，則稱為亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫。來(lái)判斷其間亮度相等時(shí)，則稱為亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫。輻射溫度輻射溫度輻射體的輻射溫度是在整個(gè)光輻射的譜段范圍內(nèi)的輻輻射體的輻射溫度是在整個(gè)光輻射的譜段范圍內(nèi)的輻亮度與某溫度黑體輻亮度相等時(shí)黑體的溫度亮度與某溫度黑體輻亮度相等時(shí)黑體的溫度光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu) 待測(cè)亮溫的光源待測(cè)亮溫的光源B置于儀器的通光孔前，通過(guò)儀器物鏡置于儀器的通光孔前，通過(guò)儀器物鏡B1、光闌、光闌D1和中性濾光片和中性濾光片A后，光源成像在高溫計(jì)燈泡

13、后，光源成像在高溫計(jì)燈泡P的燈絲平面上。再經(jīng)過(guò)光闌的燈絲平面上。再經(jīng)過(guò)光闌D2、目鏡、目鏡B2和紅色濾光片和紅色濾光片F(xiàn)，由觀察孔出射由觀察孔出射, 人眼位于觀察孔處。人眼位于觀察孔處。 光學(xué)高溫計(jì)紅色遮光片和人眼光學(xué)高溫計(jì)紅色遮光片和人眼光譜光視效率曲線的組合，構(gòu)光譜光視效率曲線的組合，構(gòu)成了中央波長(zhǎng)約成了中央波長(zhǎng)約0.65 m，譜段，譜段寬度約寬度約80nm的響應(yīng)特性的響應(yīng)特性(見(jiàn)圖見(jiàn)圖9-14中帶剖面線部分中帶剖面線部分)。由于人眼。由于人眼在這個(gè)窄的紅色譜段內(nèi)靈敏度在這個(gè)窄的紅色譜段內(nèi)靈敏度很低，故輻射源溫度變化所引很低，故輻射源溫度變化所引起的顏色的變化，已很難為人起的顏色的變化，已

14、很難為人眼所察覺(jué)，故不會(huì)因?yàn)樯町愌鬯煊X(jué)，故不會(huì)因?yàn)樯町愒斐闪炼绕胶獾睦щy。造成亮度平衡的困難。圖圖9-14 光學(xué)高溫計(jì)的光譜響應(yīng)光學(xué)高溫計(jì)的光譜響應(yīng)光學(xué)高溫計(jì)的觀察視場(chǎng)內(nèi)，人眼可看到待測(cè)輻射源和高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)的觀察視場(chǎng)內(nèi)，人眼可看到待測(cè)輻射源和高溫計(jì)燈泡燈絲像燈泡燈絲像(圖圖9-15)。調(diào)節(jié)燈泡的燈絲電流，使人眼在視場(chǎng)。調(diào)節(jié)燈泡的燈絲電流，使人眼在視場(chǎng)內(nèi)看到的燈絲像逐漸內(nèi)看到的燈絲像逐漸“消隱消隱”，由指示儀表讀數(shù)，可直接讀，由指示儀表讀數(shù)，可直接讀得待測(cè)輻射源的亮溫值。燈絲得待測(cè)輻射源的亮溫值。燈絲“消隱消隱”表示燈絲亮度和待測(cè)表示燈絲亮度和待測(cè)輻射源在輻射源在0.65 m窄譜段內(nèi)亮

15、度值相等，只要燈絲電流和亮溫窄譜段內(nèi)亮度值相等，只要燈絲電流和亮溫讀數(shù)事先經(jīng)過(guò)標(biāo)定，則儀器就可方便地用于輻射源亮溫的測(cè)讀數(shù)事先經(jīng)過(guò)標(biāo)定，則儀器就可方便地用于輻射源亮溫的測(cè)量中。由于燈絲電流和亮溫值之間的非線性關(guān)系，故亮溫指量中。由于燈絲電流和亮溫值之間的非線性關(guān)系，故亮溫指示儀表刻度也是非等間隔。示儀表刻度也是非等間隔。圖圖9-15 高溫計(jì)燈泡燈絲的消隱高溫計(jì)燈泡燈絲的消隱高溫計(jì)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)輻射源是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的鎢帶燈。不加中性高溫計(jì)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)輻射源是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的鎢帶燈。不加中性密度濾光片時(shí)標(biāo)定的溫度在密度濾光片時(shí)標(biāo)定的溫度在7001200之間。溫度太低時(shí)，之間。溫度太低時(shí)，人眼觀察亮度太暗，會(huì)影響儀

16、器的標(biāo)定和測(cè)量精度。溫度人眼觀察亮度太暗，會(huì)影響儀器的標(biāo)定和測(cè)量精度。溫度高于高于1200時(shí)，應(yīng)加入中性密度濾光片，以減弱像的亮度時(shí)，應(yīng)加入中性密度濾光片，以減弱像的亮度過(guò)大對(duì)人眼的強(qiáng)刺激。其透射比過(guò)大對(duì)人眼的強(qiáng)刺激。其透射比 可由下式關(guān)系求得可由下式關(guān)系求得12125512exp()exp()CCCCTT21211lnTTC 式中，式中，T1和和T2分別為輻射源的亮溫和加濾光片后測(cè)得的亮分別為輻射源的亮溫和加濾光片后測(cè)得的亮溫。精密光學(xué)高溫計(jì)和工業(yè)用高溫計(jì)各有兩塊厚度為溫。精密光學(xué)高溫計(jì)和工業(yè)用高溫計(jì)各有兩塊厚度為2mm和和3.2mm的濾光片，分別用于的濾光片，分別用于12001800 C和

17、和18003200 C的測(cè)溫。的測(cè)溫。當(dāng)當(dāng) =常數(shù)時(shí)，即為常數(shù)時(shí)，衰減與待測(cè)輻射源的常數(shù)時(shí)，即為常數(shù)時(shí)，衰減與待測(cè)輻射源的溫度值無(wú)關(guān)，即在測(cè)溫范圍內(nèi)不因輻射源溫度的變化而對(duì)溫度值無(wú)關(guān)，即在測(cè)溫范圍內(nèi)不因輻射源溫度的變化而對(duì)溫度示數(shù)進(jìn)行必要修正。溫度示數(shù)進(jìn)行必要修正。211/1/TT最常用的測(cè)量色溫的方法有兩種：最常用的測(cè)量色溫的方法有兩種： 測(cè)量待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布，利用色度計(jì)算測(cè)量待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布，利用色度計(jì)算公式，求出光源在色度圖上的色坐標(biāo)，從而由色度圖公式，求出光源在色度圖上的色坐標(biāo)，從而由色度圖上等溫相關(guān)色溫線確定光源在給定工作電壓下的色溫上等溫相關(guān)色溫線確定光源在給定

18、工作電壓下的色溫或相關(guān)色溫?；蛳嚓P(guān)色溫。 雙色法。這是最常用的色溫測(cè)量或標(biāo)定的方法。雙色法。這是最常用的色溫測(cè)量或標(biāo)定的方法。測(cè)量需要已標(biāo)定色溫值的標(biāo)準(zhǔn)光測(cè)量需要已標(biāo)定色溫值的標(biāo)準(zhǔn)光源，再用待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)源，再用待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行雙色比對(duì)測(cè)量，求出待測(cè)光源行雙色比對(duì)測(cè)量，求出待測(cè)光源的色溫值。測(cè)量原理是：選定兩的色溫值。測(cè)量原理是：選定兩個(gè)窄譜段個(gè)窄譜段(原則上是任意的，例原則上是任意的，例如在可見(jiàn)譜段，常在藍(lán)色和紅色如在可見(jiàn)譜段，常在藍(lán)色和紅色各選一個(gè)譜段各選一個(gè)譜段)，如果待測(cè)光源，如果待測(cè)光源在這兩個(gè)譜段探測(cè)器輸出信號(hào)的在這兩個(gè)譜段探測(cè)器輸出信號(hào)的比值與某色溫的標(biāo)準(zhǔn)光源相同，比

19、值與某色溫的標(biāo)準(zhǔn)光源相同，那么標(biāo)準(zhǔn)光源的色溫值就是待測(cè)那么標(biāo)準(zhǔn)光源的色溫值就是待測(cè)光源的色溫值光源的色溫值(圖圖9-16)。圖圖9-16 雙色法測(cè)色溫雙色法測(cè)色溫測(cè)量裝置如圖測(cè)量裝置如圖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，在離屏一定距離處安置前部有兩塊濾離屏一定距離處安置前部有兩塊濾光片的轉(zhuǎn)動(dòng)架，一塊濾光片透射的光片的轉(zhuǎn)動(dòng)架，一塊濾光片透射的峰值波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)為0.46 m，另一塊為，另一塊為0.66 m。由于測(cè)量值是兩塊濾光片。由于測(cè)量值是兩塊濾光片圖圖9-17 雙色法測(cè)色溫的裝置雙色法測(cè)色溫的裝置 移入測(cè)量光路時(shí)探測(cè)器的讀數(shù)比，

20、故對(duì)光源到漫射屏的距移入測(cè)量光路時(shí)探測(cè)器的讀數(shù)比，故對(duì)光源到漫射屏的距離沒(méi)有特殊的要求，因?yàn)榫嚯x的變化不會(huì)改變漫射屏反射離沒(méi)有特殊的要求，因?yàn)榫嚯x的變化不會(huì)改變漫射屏反射光的光譜特性，但距離值也不宜過(guò)小。由于兩塊濾光片透光的光譜特性，但距離值也不宜過(guò)小。由于兩塊濾光片透射譜段很窄，待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源在相同的透射譜段上進(jìn)射譜段很窄，待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源在相同的透射譜段上進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，所以對(duì)探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性也沒(méi)有特殊要行比對(duì)測(cè)量，所以對(duì)探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性也沒(méi)有特殊要求，只要在測(cè)量譜段上具有足夠的響應(yīng)度。求，只要在測(cè)量譜段上具有足夠的響應(yīng)度。 測(cè)試步驟：測(cè)試步驟：一、先求出標(biāo)準(zhǔn)光源在所一、先求出

21、標(biāo)準(zhǔn)光源在所標(biāo)定的色溫值下探測(cè)器的標(biāo)定的色溫值下探測(cè)器的電壓讀數(shù)比電壓讀數(shù)比(Vs/Vi )標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)，下標(biāo)下標(biāo)s表示短波濾光片移入表示短波濾光片移入光路，下標(biāo)光路，下標(biāo)i是長(zhǎng)波濾光片是長(zhǎng)波濾光片移入光路。這一比值的測(cè)移入光路。這一比值的測(cè)量應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)光源置于離漫量應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)光源置于離漫射屏不同的距離上。射屏不同的距離上。測(cè)試步驟：測(cè)試步驟：二、然后將待測(cè)光源移入測(cè)量光路，邊測(cè)邊調(diào)節(jié)其燈絲二、然后將待測(cè)光源移入測(cè)量光路，邊測(cè)邊調(diào)節(jié)其燈絲電壓，并改變它到漫射屏的距離，使探測(cè)器的讀數(shù)電壓，并改變它到漫射屏的距離，使探測(cè)器的讀數(shù)Vi待待測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)光源移入時(shí)探測(cè)器的讀數(shù)測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)光源移入時(shí)探測(cè)器的讀數(shù)Vi標(biāo)準(zhǔn)相同，表標(biāo)準(zhǔn)相同，表9-2給出待測(cè)光源的測(cè)試結(jié)果，若使給出待測(cè)光源的測(cè)試結(jié)果，若使()()ssiiVVVV待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)則待測(cè)光源工作在標(biāo)定電壓值則待測(cè)光源工作在標(biāo)定電壓值(表中為表中為94.5V )，具有與，具有與標(biāo)準(zhǔn)光源相同的色溫標(biāo)準(zhǔn)光源相同的