低溫光譜輻射標(biāo)定誤差統(tǒng)計(jì)研究

姚凱凱 王睿 張銳娟 王浩

【摘 要】紅外光譜輻射標(biāo)定是對(duì)所測(cè)目標(biāo)光譜特征進(jìn)行定量分析的關(guān)鍵，標(biāo)定誤差嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)精度，針對(duì)空中低溫目標(biāo)難以用傳統(tǒng)標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，本文利用傅立葉變換光譜儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體源不同溫度的光譜數(shù)據(jù)，用高溫標(biāo)定低溫，分析統(tǒng)計(jì)其標(biāo)定誤差，為后續(xù)的標(biāo)定及數(shù)據(jù)修正提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】光譜輻射 定標(biāo) 低溫 光譜儀

1 引言

在現(xiàn)在日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，為了提高軍用飛行器的生存能力，越來(lái)越多的軍用飛行器采用各種隱身技術(shù)，如降低飛行器的紅外輻射特性。因此，在發(fā)展紅外隱身飛行器時(shí)，需要對(duì)飛行器的蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)、尾焰等紅外輻射特征有詳細(xì)的了解。通常使用傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)量飛行器不同部位的紅外輻射特征，其主要工作原理是通過(guò)雙光束干涉儀產(chǎn)生干涉圖，再對(duì)干涉圖進(jìn)行傅立葉變換實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量。用傅立葉變換光譜儀測(cè)量目標(biāo)光譜輻射強(qiáng)度的時(shí)候，不可避免地存在誤差，為了減小測(cè)量誤差、提高測(cè)量精度，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。眾所周知，高度上升1000m，溫度降低6℃，當(dāng)飛行器的飛行高度為8000m時(shí)，假設(shè)地面溫度為20℃，則飛行器在8000m高空的環(huán)境溫度約為-28℃，當(dāng)飛行器亞音速飛行時(shí)，飛行器蒙皮輻射溫度為-20℃左右，而光譜儀無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，為了保精度的測(cè)試，本文在探測(cè)器線(xiàn)性響應(yīng)范圍內(nèi)，研究了高溫標(biāo)定低溫的標(biāo)定誤差，將高溫段的標(biāo)定推廣到對(duì)低溫段的標(biāo)定。

在高空飛行時(shí)，飛行器蒙皮溫度低于零度，但是不具備溫度小于零度的黑體，因此標(biāo)定時(shí)黑體的溫度均會(huì)高于目標(biāo)表面溫度，造成光譜儀非線(xiàn)性的影響增大，為了提高數(shù)據(jù)精度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高溫校低溫試驗(yàn)，通過(guò)采用黑體溫差大小與空中目標(biāo)相似的途徑來(lái)統(tǒng)計(jì)分析該標(biāo)定方法的誤差大小。由于光譜儀在中波波段對(duì)零度以下輻射響應(yīng)特別小，可忽略不計(jì)，所以本文只討論長(zhǎng)波范圍高溫校低溫的標(biāo)定誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用傅立葉變換紅外光譜儀探測(cè)不同溫度時(shí)的黑體輻射，測(cè)量光譜波段為833 cm-1～1250cm-1，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為8μm～12μm，視場(chǎng)為45mrad，分辨率為4cm-1。為了保證標(biāo)定精度，減少干擾因素，盡量使面源黑體接近光譜儀的鏡頭，使得面源黑體充滿(mǎn)光譜儀視場(chǎng)。使用光譜儀分別測(cè)量了80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、5℃的黑體長(zhǎng)波輻射，并進(jìn)行高溫標(biāo)定低溫，標(biāo)定結(jié)果與普朗克曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，如圖1是標(biāo)定后光譜輻射曲線(xiàn)與普朗克曲線(xiàn)的對(duì)比圖，其中，cal10、cal20、cal30、cal40、cal50分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的標(biāo)定曲線(xiàn)，10.spc、20.spc、30.spc、40.spc、50.spc分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的標(biāo)準(zhǔn)普朗克曲線(xiàn)。從圖1中可以看出，標(biāo)定后光譜輻射曲線(xiàn)與普朗克曲線(xiàn)比較接近，吻合較好，說(shuō)明在探測(cè)器線(xiàn)性響應(yīng)范圍內(nèi)，高溫標(biāo)定低溫方法可行，可以取得較好的結(jié)果。

計(jì)算校準(zhǔn)譜與理論譜在長(zhǎng)波波段內(nèi)的光譜輻射能量，計(jì)算標(biāo)定誤差，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表1列出了誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從標(biāo)定誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，標(biāo)定高溫與被標(biāo)定溫度之間溫差不大于40℃時(shí)，標(biāo)定誤差小于2.22%，標(biāo)定溫度與被標(biāo)定溫度越接近，誤差越小，滿(mǎn)足使用要求，有效驗(yàn)證了高溫標(biāo)定低溫方法的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高空低溫目標(biāo)光譜輻射標(biāo)定問(wèn)題，提出了使用高溫標(biāo)定低溫的方法，在實(shí)驗(yàn)室利用黑體源模擬溫差與空中目標(biāo)溫差相似的途徑進(jìn)行了驗(yàn)證，誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明該方法的合理性，能夠用于空中目標(biāo)光譜輻射的標(biāo)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童晶晶，劉文清，高閩光 等.基于機(jī)載FTIR的輻射定標(biāo)研究[J].紅外，2010（12）：12-15.

[2] 馮明春，徐亮，高閩光 等.傅立葉變換紅外光譜輻射定標(biāo)方法的研究[J].紅外技術(shù)，2012（6）：366-370.

作者簡(jiǎn)介：

姚凱凱（1989—），男，陜西渭南人，助理工程師，研究方向：目標(biāo)特性數(shù)據(jù)分析。

王睿（1985—），女，陜西西安人，工程師，研究方向：紅外目標(biāo)特性測(cè)試。

張銳娟（1983—），女，陜西渭南人，工程師，研究方向：紅外目標(biāo)特性測(cè)試。

王浩（1982—），男，陜西渭南人，高級(jí)工程師，研究方向：目標(biāo)光學(xué)特性分析。