寬譜段高靈敏度紅外光譜輻射計研制及應用

劉磊 李志增 劉加慶 吳威 張冰

摘 要 本文針對的漸變?yōu)V光片分光紅外光譜輻射計，其利用了漸變?yōu)V光片不同位置只能透過特定波長的光來實現(xiàn)光譜掃描，研制了一款紅外光譜輻射計，突破了大口徑高通量入射鏡頭設計制作、寬光譜精密分光、光譜輻射校準、微弱信號提取等關鍵技術，具有焦距可調、同軸觀瞄、光譜測試、輻射測試、分析運算等功能，入射口徑達120mm、光譜測試范圍覆蓋2μm～14μm、噪聲等效溫差達5mK，整機性能指標達到國際同類產(chǎn)品水平。

關鍵詞 紅外光譜輻射計;漸變?yōu)V光片;光譜測試;輻射測試

引言

紅外光譜輻射計用于測試目標紅外波段輻射強度分布信息，建立目標輻射的波長和強度之間的對應關系，在環(huán)境、大氣[1]、遙感、軍事[2]等方面都具有重要應用，通過對測試目標的紅外輻射特性分析可獲得非常重要的特征信息。通過采用紅外光譜輻射計對煙囪氣體進行光譜測試，可分析其是否包含有害氣體，包含哪些有害氣體等;通過紅外光譜輻射計對大氣的透過光譜曲線進行持續(xù)監(jiān)測，可獲得氣候變化情況，如城市的熱島效應;通過紅外光譜輻射計對裝備本身或裝備縮比模型進行特性測試，可獲得不同裝備的紅外輻射特征信息，研究其紅外隱身性能。

1原理及方案

漸變?yōu)V光片型紅外光譜輻射計采用漸變?yōu)V光片分光，利用漸變?yōu)V光片不同位置只能透過特定波長的光實現(xiàn)光譜掃描。主要包括入射鏡頭、斬光器、光闌、漸變?yōu)V光片、探測器、信號處理運算模塊等部分（如圖1）。儀器首先通過大口徑紅外入射鏡頭收集盡可能多的目標紅外輻射;通過斬光器將連續(xù)紅外輻射調制成周期脈沖信號，便于后續(xù)電路放大與濾噪處理;通過可變視場光闌控制測試視場大小，降低背景輻射影響;通過會聚光路后進行漸變?yōu)V光片分光，分光的過程即是根據(jù)不同波長的特性將不同波長的光強分開的過程;分光后通過紅外探測器進行探測，在探測器處獲得不同波長處光譜輻射強度信息。

為提取微弱目標紅外光譜輻射，一般還需采用鎖相放大技術，鎖相放大器是以相關檢測原理為基礎的信號處理電路，它能檢測出極其微弱的有用信號，在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能，具有高信噪比、高精度的特點，能夠把掩埋在噪聲中的有用光譜輻射信號提取出來。

圖1? 紅外光譜輻射計光路原理圖

2實現(xiàn)及測試

利用上述方案研制的紅外光譜輻射計產(chǎn)品如圖2所示，經(jīng)測試，整機性能指標達到國際同類產(chǎn)品水平。

圖2 6364D漸變?yōu)V光片型紅外光譜輻射計

用研制的6364D紅外光譜輻射計分別對3.39 μm氦氖（He-Ne）激光器和10.6 μm的二氧化碳（CO2）激光器進行了測試，如圖3所示，光譜分辨率均達到了小于2%*的指標要求，波長準確度均小于1%*。

圖3 氦氖激光器測試結果圖? ? ? ? ?圖4 面源黑體實測結果

除此之外，還進行了面源黑體的紅外光譜輻射測試（圖4），可以看出，其測試結果與理想PLANK曲線的符合度非常好。

3結束語

紅外光譜輻射計廣泛應用于目標識別、大氣與環(huán)境監(jiān)測、材料分析、紅外光電系統(tǒng)測試、計量等領域。本文針對漸變?yōu)V光片分光原理研制的2 μm～14 μm紅外光譜輻射計，可實現(xiàn)2%測量波長分辨率的高精度紅外光譜輻射測量。實驗結果，充分證明了相關方案的有效性，實現(xiàn)了我國首款紅外光譜輻射計產(chǎn)品的問世，并為后續(xù)改進升級和應用拓展提供堅實的技術支撐。

參考文獻

[1] 魏合理，陳秀紅，戴聰明，等. 地基大氣背景紅外光譜輻射特性測量[J]. 紅外與激光工程，2016，41（2）：15-19.

[2] 曹西征，郭立紅，楊麗梅. 戰(zhàn)術彈道導彈再入段紅外輻射特性分析[J]. 光電工程，2006，33（9）：23-26.