第9章-辐射度量的测量.ppt

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1、9.1光谱辐射度量的测量入入入入射射射射辐辐辐辐射射射射分光装置分光装置分光装置分光装置I/OI/O控制控制控制控制数据采集与数据采集与数据采集与数据采集与处理处理处理处理A/DA/D检测器检测器检测器检测器光谱辐射度量测量系统组成光谱辐射度量测量系统组成FTIRFTIR目标a()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 FTIRFTIR目标a()点源光谱辐射量的测量9.2 总辐射度量的测量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9.2 总辐射度量的测量9.2 总辐射度量的测量 Fig.2 The output of detector标定：

2、标定：标定：标定：nFor extended source L(,T)L0(,T)n For point source E(,T)E0(,T)The calibration of L(,T)of extended source(1)(2)(3)(4)(5)The calibration of E(,T)of point source(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。需要完成的实验需要完成的实验 内部黑体的等效温度内部黑体的等效温度 温升线性度温升线性度点源测量误差测试点源测量误差测试

3、面源测量误差测试面源测量误差测试内部黑体的等效温度内部黑体的等效温度内部黑体的等效温度内部黑体的等效温度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：n n3-53-5 mm :68.3 :68.3 C Cn n 8-12 8-12 m

4、m:60.9:60.9 C C Fig.3 The curve of output voltage of radiometer vs.the temperature of object 温升线性度温升线性度温升线性度温升线性度Fig.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

5、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。值得注意的几点问题值得注意的几点问题 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

6、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。9.3 辐射温度的测量几个概念几个概念辐亮度温度辐亮度温度实实际际发发射射体体在在某某一一波

7、波长长(窄窄谱谱段段范范围围内内)的的光光谱谱辐辐亮亮度度和和黑黑体体在在某某一一温温度度同同一一波波长长下下的的光光谱谱辐辐亮亮度度相相等等时时，黑黑体体温温度度称称为为发发射射体体的的辐辐亮亮度度温温度度。如如果果波波长长在在可可见见光光谱谱范范围围内内用用人人眼眼(或或具具有有人人眼眼光光谱谱光光视视效效率率响响应应的的探探测测器器)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辐射射体体的的辐辐射射温温度度是是在在整整个个光光辐辐射射的的谱谱段段范范围围内内的的辐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

8、辐亮度相等时黑体的温度9.3 辐射温度的测量9.3.1 亮温的测量光学高温计的结构光学高温计的结构 待待测测亮亮温温的的光光源源B置置于于仪仪器器的的通通光光孔孔前前，通通过过仪仪器器物物镜镜B1、光光阑阑D1和和中中性性滤滤光光片片A后后，光光源源成成像像在在高高温温计计灯灯泡泡P的的灯灯丝丝平平面面上上。再再经经过过光光阑阑D2、目目镜镜B2和和红红色色滤滤光光片片F，由由观察孔出射观察孔出射,人眼位于观察孔处。人眼位于观察孔处。9.3.1 亮温的测量光光学学高高温温计计红红色色遮遮光光片片和和人人眼眼光光谱谱光光视视效效率率曲曲线线的的组组合合，构构成成了了中中央央波波长长约约0.65

9、m，谱谱段段宽宽度度约约80nm的的响响应应特特性性(见见图图9-14中中带带剖剖面面线线部部分分)。由由于于人人眼眼在在这这个个窄窄的的红红色色谱谱段段内内灵灵敏敏度度很很低低，故故辐辐射射源源温温度度变变化化所所引引起起的的颜颜色色的的变变化化，已已很很难难为为人人眼眼所所察察觉觉，故故不不会会因因为为色色差差异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

10、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

11、计灯泡灯丝的消隐高温计灯泡灯丝的消隐9.3.1 亮温的测量高高温温计计标标定定的的标标准准辐辐射射源源是是经经过过标标定定的的钨钨带带灯灯。不不加加中中性性密密度度滤滤光光片片时时标标定定的的温温度度在在7001200之之间间。温温度度太太低低时时，人人眼眼观观察察亮亮度度太太暗暗，会会影影响响仪仪器器的的标标定定和和测测量量精精度度。温温度度高高于于1200时时，应应加加入入中中性性密密度度滤滤光光片片，以以减减弱弱像像的的亮亮度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9.3.1 亮温的测量式式中中，T1和和T2分分别别为为辐辐射射源源的的

12、亮亮温温和和加加滤滤光光片片后后测测得得的的亮亮温温。精精密密光光学学高高温温计计和和工工业业用用高高温温计计各各有有两两块块厚厚度度为为2mm和和 3.2mm的的 滤滤 光光 片片，分分 别别 用用 于于 12001800 C和和18003200 C的测温。的测温。当当 =常常数数时时，即即为为常常数数时时，衰衰减减与与待待测测辐辐射射源源的的温温度度值值无无关关，即即在在测测温温范范围围内内不不因因辐辐射射源源温温度度的的变变化化而而对对温度示数进行必要修正。温度示数进行必要修正。9.3.2 色温的测量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

13、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。9.3.2 色温的测量测测量量需需要要已已标标定定色色温温值值的的标标准准光光源源，再再用用待待测测光光源源和和标标准准光光源源进进行行双双色色比比对对测测量量，求求出出待待测测光光源源的的色色温温值值。测测量量原原理理是是：选选定定两两个个窄窄谱

14、谱段段(原原则则上上是是任任意意的的，例例如如在在可可见见谱谱段段，常常在在蓝蓝色色和和红红色色各各选选一一个个谱谱段段)，如如果果待待测测光光源源在在这这两两个个谱谱段段探探测测器器输输出出信信号号的的比比值值与与某某色色温温的的标标准准光光源源相相同同，那那么么标标准准光光源源的的色色温温值值就就是是待待测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9.3.2 色温的测量测测量量装装置置如如图图9-17所所示示。光光源源照照射射具具有有朗朗伯伯反反射射特特性性的的白白色色漫漫射射屏屏，在在离离屏屏一一定定距距离离处处安安置置前前部部有有两两块块滤滤光光

15、片片的的转转动动架架，一一块块滤滤光光片片透透射射的的峰峰 值值 波波 长长 为为 0.46 m，另另 一一 块块 为为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 移移入入测测量量光光路路时时探探测测器器的的读读数数比比，故故对对光光源源到到漫漫射射屏屏的的距距离离没没有有特特殊殊的的要要求求，因因为为距距离离的的变变化化不不会会改改变变漫漫射射屏屏反反射射光光的的光光谱谱特特性性，但但距距离离值值也也不不宜宜过过小小。由由于于两两块块滤滤光光片片透透射射谱谱段段很很窄窄，待待测测光光源源和和标标准准光光源源在在相相同同的的透

16、透射射谱谱段段上上进进行行比比对对测测量量，所所以以对对探探测测器器的的光光谱谱响响应应特特性性也也没没有有特特殊殊要要求，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。9.3.2 色温的测量测试步骤：测试步骤：一一、先先求求出出标标准准光光源源在在所所标标定定的的色色温温值值下下探探测测器器的的电电压压读读数数比比(Vs/Vi)标标准准，下下标标s表表示示短短波波滤滤光光片片移移入入光光路路，下下标标i是是长长波波滤滤光光片片移移入入光光路路。这这一一比比值值的的测测量量应应使使标标准准光光源源置置于于离离漫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：

17、二二、然然后后将将待待测测光光源源移移入入测测量量光光路路，边边测测边边调调节节其其灯灯丝丝电电压压，并并改改变变它它到到漫漫射射屏屏的的距距离离，使使探探测测器器的的读读数数Vi待待测测和和标标准准光光源源移移入入时时探探测测器器的的读读数数Vi标标准准相相同同，表表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，若使则则待待测测光光源源工工作作在在标标定定电电压压值值(表表中中为为94.5V)，具具有有与与标准光源相同的色温标准光源相同的色温(表中色温为表中色温为2856)。9.3.3 辐射温度的测量即辐射测温的相对测温误差是发射率相对误差的四分之一。即辐射测温的相对测温误差是发

18、射率相对误差的四分之一。由辐射温度的定义及由辐射温度的定义及(2-24)(2-24)式，得式，得式式中中，T T是是辐辐射射体体的的真真实实温温度度；T Tb b是是其其等等效效黑黑体体温温度度，即即辐辐射温度。射温度。在在测测得得辐辐射射温温度度条条件件下下，由由已已知知发发射射体体的的发发射射效效率率可可求求得得其其真真实实温温度度。由由于于发发射射率率的的误误差差造造成成的的真真实实温温度度测测量量误误差差，可由上式的偏导数来估计，即可由上式的偏导数来估计，即9.3.3 辐射温度的测量图图9-18是加了镀金半球前置反射器的是加了镀金半球前置反射器的辐射测温计结构。在半球顶点处开辐射测温计

19、结构。在半球顶点处开一小孔，待测表面的辐射能通过物一小孔，待测表面的辐射能通过物镜会聚在热偶堆上。前置反射器与镜会聚在热偶堆上。前置反射器与待测表面接触形成的空腔相当一黑待测表面接触形成的空腔相当一黑体，其体，其1，仪器直接测出待测表面，仪器直接测出待测表面的真实温度。的真实温度。这种仪器用于测量发射率大于这种仪器用于测量发射率大于0.5的表面，测温范围为的表面，测温范围为 100400 C，400800 C和和8001300 C，误差约，误差约10 C。由于镀金半球要和待测表面接触，表面温度较。由于镀金半球要和待测表面接触，表面温度较高时，易损坏测量头，故高温时只作短时间接触测量。高时，易损坏测量头，故高温时只作短时间接触测量。图图9-18 全辐射测温计全辐射测温计