低溫光譜輻射標定誤差統計研究

姚凱凱 王睿 張銳娟 王浩

【摘 要】紅外光譜輻射標定是對所測目標光譜特征進行定量分析的關鍵，標定誤差嚴重影響數據精度，針對空中低溫目標難以用傳統標定方法進行標定，本文利用傅立葉變換光譜儀測量標準黑體源不同溫度的光譜數據，用高溫標定低溫，分析統計其標定誤差，為后續的標定及數據修正提供依據。

【關鍵詞】光譜輻射 定標 低溫 光譜儀

1 引言

在現在日益復雜的戰場環境中，為了提高軍用飛行器的生存能力，越來越多的軍用飛行器采用各種隱身技術，如降低飛行器的紅外輻射特性。因此，在發展紅外隱身飛行器時，需要對飛行器的蒙皮、發動機、尾焰等紅外輻射特征有詳細的了解。通常使用傅立葉變換紅外光譜儀測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雙光束干涉儀產生干涉圖，再對干涉圖進行傅立葉變換實現光譜測量。用傅立葉變換光譜儀測量目標光譜輻射強度的時候，不可避免地存在誤差，為了減小測量誤差、提高測量精度，需要對測量結果進行標定。眾所周知，高度上升1000m，溫度降低6℃，當飛行器的飛行高度為8000m時，假設地面溫度為20℃，則飛行器在8000m高空的環境溫度約為-28℃，當飛行器亞音速飛行時，飛行器蒙皮輻射溫度為-20℃左右，而光譜儀無法進行實時標定，為了保精度的測試，本文在探測器線性響應范圍內，研究了高溫標定低溫的標定誤差，將高溫段的標定推廣到對低溫段的標定。

在高空飛行時，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，因此標定時黑體的溫度均會高于目標表面溫度，造成光譜儀非線性的影響增大，為了提高數據精度，在實驗室進行了高溫校低溫試驗，通過采用黑體溫差大小與空中目標相似的途徑來統計分析該標定方法的誤差大小。由于光譜儀在中波波段對零度以下輻射響應特別小，可忽略不計，所以本文只討論長波范圍高溫校低溫的標定誤差。

3 實驗結果分析

在實驗室環境下，使用傅立葉變換紅外光譜儀探測不同溫度時的黑體輻射，測量光譜波段為833 cm-1～1250cm-1，對應波長為8μm～12μm，視場為45mrad，分辨率為4cm-1。為了保證標定精度，減少干擾因素，盡量使面源黑體接近光譜儀的鏡頭，使得面源黑體充滿光譜儀視場。使用光譜儀分別測量了80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、5℃的黑體長波輻射，并進行高溫標定低溫，標定結果與普朗克曲線進行比對，如圖1是標定后光譜輻射曲線與普朗克曲線的對比圖，其中，cal10、cal20、cal30、cal40、cal50分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的標定曲線，10.spc、20.spc、30.spc、40.spc、50.spc分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的標準普朗克曲線。從圖1中可以看出，標定后光譜輻射曲線與普朗克曲線比較接近，吻合較好，說明在探測器線性響應范圍內，高溫標定低溫方法可行，可以取得較好的結果。

計算校準譜與理論譜在長波波段內的光譜輻射能量，計算標定誤差，并進行統計，表1列出了誤差統計結果。

從標定誤差統計結果可以看出，標定高溫與被標定溫度之間溫差不大于40℃時，標定誤差小于2.22%，標定溫度與被標定溫度越接近，誤差越小，滿足使用要求，有效驗證了高溫標定低溫方法的正確性。

4 結語

本文針對高空低溫目標光譜輻射標定問題，提出了使用高溫標定低溫的方法，在實驗室利用黑體源模擬溫差與空中目標溫差相似的途徑進行了驗證，誤差統計分析結果表明該方法的合理性，能夠用于空中目標光譜輻射的標定。

參考文獻：

[1] 童晶晶，劉文清，高閩光 等.基于機載FTIR的輻射定標研究[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方法的研究[J].紅外技術，2012（6）：366-370.

作者簡介：

姚凱凱（1989—），男，陜西渭南人，助理工程師，研究方向：目標特性數據分析。

王睿（1985—），女，陜西西安人，工程師，研究方向：紅外目標特性測試。

張銳娟（1983—），女，陜西渭南人，工程師，研究方向：紅外目標特性測試。

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