孫彥東, 郝小鵬, 謝臣瑜, 周晶晶,曾 兵, 宋 健, 凌 玲

(1.成都理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院 熱工計(jì)量科學(xué)研究所遙感實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 引 言

熱紅外遙感器外場定標(biāo)是熱紅外遙感技術(shù)從定性到定量化研究的關(guān)鍵技術(shù)和基本前提,提高熱紅外遙感器定標(biāo)精度對于定量化發(fā)展具有重要的意義[1]。國外熱紅外傳感器定標(biāo)技術(shù)以星上定標(biāo)和外場輻射定標(biāo)相結(jié)合的方法,國內(nèi)較多選用外場輻射定標(biāo)的方法進(jìn)行人工測量[2～4]。輻射定標(biāo)場一般是具有單一地面特征的偏遠(yuǎn)地區(qū),如戈壁(敦煌定標(biāo)場)、草地(內(nèi)蒙古定標(biāo)場)和高原湖泊(青海湖定標(biāo)場)等,一次完整的野外定標(biāo)需要充分考慮人員配置、儀器運(yùn)輸、天氣氣象、地衛(wèi)同步等諸多因素,不僅費(fèi)時費(fèi)力,且頻次較低,數(shù)據(jù)遲步[5～7]。因此,研制具有自動化觀測能力的外場定標(biāo)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)場地目標(biāo)輻射量值自動化觀測,對于實(shí)現(xiàn)場地自動化定標(biāo)具有重要意義[8,9]。

目前,國內(nèi)外一些科研單位在熱紅外輻射計(jì)研制方面做了大量的工作,美國邁阿密大學(xué)Osboorne B J等研制的海洋大氣輻射干涉儀(marine-atmospheric emitted radiance interferometer,M-AERI),通過算法分離得到發(fā)射率,獲得場地光譜輻亮度數(shù)據(jù),可以更好地表征地物輻射特性,但是重量重,尺寸大,功耗大,不利于野外運(yùn)輸,且不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離自動傳輸?shù)墓δ躘10];英國南安普頓大學(xué)Donlon C等研制的海面溫度自動觀測紅外輻射計(jì)(infrared sea surface temperature autonomous radiometer,ISAR),通過現(xiàn)場測量發(fā)射率,以特定角度依次測量目標(biāo)和天空,具有自動保護(hù)裝置和自校準(zhǔn)功能,但不具備遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能[11];國內(nèi)西安光學(xué)精密機(jī)械研究所易波等研制的四譜段紅外輻射計(jì)系統(tǒng),具有中、熱紅外探測能力,測溫精度為±0.5 K[12,13];中國計(jì)量科學(xué)研究院郝小鵬等研制的自校準(zhǔn)地水表面紅外輻射測溫儀(self-calibrated infrared radiation thermometer,SCIRT)可自動現(xiàn)場測量,通過自配的定標(biāo)黑體實(shí)現(xiàn)量值的自校準(zhǔn)功能,但不具備校正天空背景輻射和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰14]。CE312熱紅外輻射計(jì)作為成熟的主流商業(yè)儀器,具有多通道、體積小、高集成化特點(diǎn),但長期被國外高價壟斷,且存在定標(biāo)系數(shù)偏移、目標(biāo)測量單一、保存數(shù)據(jù)量少,無遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能等缺點(diǎn)。隨著紅外遙感定量化水平的提升以及國產(chǎn)化核心儀器的應(yīng)用需求,急需研制具有高精度、多通道、自校準(zhǔn)以及多目標(biāo)測量的熱紅外輻射計(jì)。

中國計(jì)量科學(xué)研究院在SCIRT研究工作的基礎(chǔ)上,研制了多通道自校準(zhǔn)熱紅外輻射計(jì)(multi-channel self-calibration infrared radiation thermometer,MSIRT)。MSIRT主要用于全天候自動觀測外場地表輻亮度和溫度,具備高測量精度、全天候、測量發(fā)射率功能和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力。本文重點(diǎn)介紹MSIRT儀器的工作原理,性能評價,及與CE312的實(shí)驗(yàn)室和外場比對驗(yàn)證,并對MSIRT實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的不確定度進(jìn)行評估。

2 MSIRT儀器與定標(biāo)方法介紹

2.1 MSIRT儀器設(shè)計(jì)與工作原理

MSIRT主要由輻射計(jì)主體、高/低溫黑體、光路轉(zhuǎn)換艙及操作軟件組成。輻射計(jì)光路轉(zhuǎn)換艙內(nèi)置電機(jī)帶動鍍金反射鏡360°旋轉(zhuǎn),可依次對高/低溫黑體,地面目標(biāo),天頂進(jìn)行測量。紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)和濾光片,匯聚到探測器的有效光敏表面,使高/低溫黑體輻射與外部輻射通過同一光路,這有利于消除背景輻射的影響,保證輻射校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。高/低溫黑體與光路轉(zhuǎn)換艙連接,可實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)的實(shí)時校準(zhǔn),消除內(nèi)部電子元器件受溫度漂移對校準(zhǔn)系數(shù)引起的變化和輻射計(jì)因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致自發(fā)輻射變化的影響。黑體的光譜發(fā)射率均在0.999以上,黑體空腔錐底均安裝高精度鉑電阻溫度計(jì),控溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 K,測溫精度優(yōu)于0.03 K。通過高/低溫黑體對輻射進(jìn)行實(shí)時校準(zhǔn),可有效保證其測量精度。電機(jī)驅(qū)動鍍金鏡旋轉(zhuǎn),得到大氣上行輻射與大氣下行輻射,實(shí)現(xiàn)發(fā)射率的測量。

圖1 MSIRT光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 MSIRT optical system

MSIRT主體包括多通道紅外輻射采集的光學(xué)系統(tǒng)、控制與采集電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)。探測器的光敏面直徑6 mm,其后安裝熱電堆探測器信號放大電路,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。鍍金反射鏡輪與濾光片輪分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制。鍍金鏡輪可實(shí)現(xiàn)儀器有/無鍍金鏡兩種狀態(tài)下的測量,當(dāng)儀器的視場被鍍金鏡遮擋時,儀器的輸出值可近似為儀器的內(nèi)部輻射。濾光片輪安裝4個不同波段的濾光片,分別是通道1光譜波段8.2～9.4 μm,通道2光譜波段10.1～11.1 μm,通道3光譜波段11.8～12.8 μm,通道4光譜波段8.0～13.2 μm,可拓展至6個通道。整個光學(xué)系統(tǒng)視場角為10°,測量溫度范圍為-40～60 ℃[15～17]。

2.2 定標(biāo)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

紅外輻射計(jì)定標(biāo)的最終目的是確定其定標(biāo)系數(shù),即輻射計(jì)DN值(Digital Number )與輻亮度之的定量關(guān)系。MSIRT實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)原理主要有帶寬輻亮度法和分譜輻亮度法。帶寬輻亮度法對儀器進(jìn)行標(biāo)定時,通過普朗克經(jīng)驗(yàn)公式和輻射計(jì)觀測原理得到轉(zhuǎn)換系數(shù)和定標(biāo)系數(shù)。分譜輻亮度法以普朗克公式和輻射計(jì)觀測原理為基礎(chǔ)進(jìn)行線性擬合得到定標(biāo)系數(shù)。為提高目標(biāo)輻亮度和輻亮溫精度,根據(jù)定標(biāo)方法選用帶寬輻亮度定標(biāo)方法[18]。

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)流程如圖2所示。輻亮度Lx(T)與溫度T之間通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換,通道x的轉(zhuǎn)換系數(shù)ax、bx、nx和dx通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。實(shí)際測量時,通過內(nèi)部鍍金反射鏡消除儀器內(nèi)部自身和噪聲的影響。實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)核心公式通過輻射計(jì)觀測原理得到熱電堆探測器的輸出信號值與輻亮度之間的關(guān)系。式中Lx(T)為目標(biāo)光譜輻射亮度,Lx(Tdet)為鍍金反射鏡的光譜輻射亮度,USx為觀測目標(biāo)時內(nèi)部熱電堆探測器的輸出電壓值,USxm為觀測鍍金反射鏡時探測器輸出的電壓值,通道x的定標(biāo)系數(shù)通過線性擬合得到Ax和Bx。

圖2 實(shí)驗(yàn)室自測量定標(biāo)流程圖Fig.2 Flow chart of laboratory self-measurement calibration

2.2.2 基于高精度黑體的外場校準(zhǔn)定標(biāo)

為獲得定標(biāo)系數(shù)Ax和Bx,對MSIRT設(shè)計(jì)了2個定標(biāo)黑體,分別為高溫黑體和環(huán)境溫度黑體(簡稱環(huán)溫黑體),通過采用兩點(diǎn)法實(shí)時校準(zhǔn)可保證MSIRT各通道的測量精度長期有效。

根據(jù)MSIRT的測量原理,當(dāng)觀測兩定標(biāo)黑體時,儀器輸出的信號值與黑體輻亮度之間的關(guān)系用式(1)表示:

(1)

通過求解方程便可得到各通道的待定標(biāo)系數(shù)A和B的結(jié)果:

(2)

采用2個黑體對儀器進(jìn)行實(shí)時定標(biāo),即使系統(tǒng)工作環(huán)境及溫度發(fā)生變化,也能夠保證在外場長期測量的高精度要求。

2.2.3 黑體量值溯源

為獲取黑體的實(shí)時溫度信號值,黑體空腔錐底具有測溫傳感器的安裝孔。測溫單元采用精密鉑電阻溫度計(jì)PT-100。黑體溫度量值的溯源至標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽黑體輻射源(型號:H50-D65,口徑:65 mm,溫度范圍:-60～80 ℃,發(fā)射率:0.999 2),恒溫槽黑體輻射源的溫度經(jīng)工作基準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溯源至國家溫度基準(zhǔn)。利用標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻射計(jì)TRT得到恒溫液浴黑體槽的輻射溫度值,利用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測量值對TRT的示值進(jìn)行修正,修正后的TRT再對黑體進(jìn)行校準(zhǔn)。黑體溫度溯源鏈路如圖3所示。

圖3 內(nèi)置黑體溫度量值溯源鏈路Fig.3 Blackbody temperature traceability link built in

高/環(huán)溫黑體和恒溫浴槽黑體均設(shè)置相同溫度,利用TRT作為傳遞儀器進(jìn)行實(shí)時校準(zhǔn)。測量高溫黑體時, 在30～50 ℃ 區(qū)間內(nèi)每隔5 ℃ 進(jìn)行1次測量,環(huán)溫黑體以實(shí)驗(yàn)室環(huán)境變化為基準(zhǔn)選取5個溫度點(diǎn),在設(shè)置溫度穩(wěn)定后使用標(biāo)準(zhǔn)傳遞輻射計(jì)TRT同時測量,得到高溫黑體實(shí)際溫度值比黑體設(shè)置值高0.5 ℃,環(huán)溫黑體實(shí)際溫度值比設(shè)置值低0.3 ℃,將測量得到的高/環(huán)溫黑體的偏差平均值溯源修正上位機(jī)程序中,保證自校準(zhǔn)測量精度。具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 內(nèi)置黑體溫度溯源結(jié)果Tab.1 The results of blackbody temperature traceability built in ℃

3 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)與不確定性分析

3.1 MSIRT實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

為得到MSIRT的定標(biāo)系數(shù),輻射定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輻射源選擇H50-D65作為定標(biāo)源。根據(jù)MSIRT4個通道的光譜響應(yīng)度,利用普朗克公式計(jì)算每個通道的光譜輻亮度Lx(T)與溫度T之間的關(guān)系,得到ax、bx、nx和dx這4個轉(zhuǎn)換系數(shù)。結(jié)果見表2所示。

表2 通道輻亮度與溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.2 The coefficient of conversion between channel radiance and temperature

定標(biāo)實(shí)驗(yàn)時,實(shí)驗(yàn)室室溫保持在(22±0.5) ℃,將MSIRT觀測窗口緊貼標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源,使MSIRT視場完全覆蓋黑體輻射源腔體,避免臨邊效應(yīng)造成的影響,減少測量過程中的不確定性。

在-40～60 ℃測溫范圍內(nèi),針對有/無鍍金反射鏡每間隔10 ℃對紅外熱電堆探測器的輸出電壓值USx和USxm以及探測器內(nèi)部的溫度值Tdet進(jìn)行1次采集。根據(jù)輻射計(jì)觀測原理MSIRT 4個通道的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果如圖4所示,其中橫坐標(biāo)為USx和USxm之間的電壓差,縱坐標(biāo)為光譜輻亮度差值。

圖4 MSIRT定標(biāo)擬合結(jié)果Fig.4 Results of MSIRT calibration fitting

對11個溫度點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到4個通道下的待定系數(shù)Ax和Bx,將每個通道的定標(biāo)系數(shù)代入到式(2)中,獲得測量目標(biāo)的輻亮度和輻亮溫結(jié)果。

3.2 MSIRT重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)完成后,為驗(yàn)證MSIRT定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性,評估儀器長期工作性能,對MSIRT在相同條件進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。選取-30、0、30、60 ℃四個溫度點(diǎn),每個溫度點(diǎn)待標(biāo)準(zhǔn)輻射源溫度穩(wěn)定后進(jìn)行測量,選取20 min的測試數(shù)據(jù),計(jì)算每個通道對應(yīng)溫度點(diǎn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次,具體數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Repetitive experimental data ℃

由表3可知,在-30 ℃時,通道1與通道3三次測試結(jié)果的平均值在測試點(diǎn)溫度上下變化,最大差值不超過0.16 K,通道2和通道4三次測試結(jié)果的平均值較測試點(diǎn)最大差值優(yōu)于0.1 K,標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.08～0.14;0 ℃與30 ℃時,4個通道三次測試結(jié)果的平均值較測試點(diǎn)最大差值為0.1 K,最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12;60 ℃時,通道1三次測試結(jié)果的平均值較測試點(diǎn)最大差值為0.15 K,通道2和通道4三次測試結(jié)果的平均值較測試點(diǎn)最大差值為0.16 K,通道3三次測試結(jié)果的平均值較測試點(diǎn)最大差值在0.2 K以內(nèi),最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11。整體差值在0.2 K以內(nèi),驗(yàn)證了MSIRT具有良好的穩(wěn)定性。

3.3 不確定度分析

MSIRT輻射定標(biāo)各分量不確定度分析結(jié)果見表4所示。采用標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽黑體輻射源進(jìn)行MSIRT實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)時,不確定度來源主要包括兩大部分:黑體輻射源和MSIRT系統(tǒng)內(nèi)部的光路和探測系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源引入的不確定度主要包括:黑體控溫不確定度u1、黑體發(fā)射率不確定度u2和環(huán)境溫度引入的不確定度u3。黑體控溫不確定度包括溫度計(jì)溯源u11、控溫穩(wěn)定性u12、溫度均勻性u13和電阻測量u14。MSIRT引入的不確定度包括測量重復(fù)性不確定度u4,光路切換與瞄準(zhǔn)不確定度u5和雜散光不確定度u6。

表4 MSIRT輻射定標(biāo)不確定度分析Tab.4 MSIRT radiation calibration uncertainty analysis

由表4可知,MSIRT輻射定標(biāo)引入的總不確定度為0.27 K,并經(jīng)過具有相關(guān)資質(zhì)的第三方計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn),滿足MSIRT高精度定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的需求。

4 與CE312比對實(shí)驗(yàn)

4.1 CE312熱紅外輻射計(jì)介紹

CE312熱紅外輻射計(jì)是由法國CIMEL公司生產(chǎn)的一種用于探測地物與天頂熱紅外目標(biāo)的裝置。該裝置由輻射計(jì)硬件主體, PC機(jī)控制軟件, 數(shù)據(jù)處理軟件組成。CE312濾光片輪裝有4個不同波段范圍的濾光片,通道1光譜波段為8.2～9.2 μm,通道2光譜波段為10.3～11.3 μm,通道3光譜波段為11.5～12.5 μm,通道4光譜波段為8～14 μm。設(shè)備測量室外溫度范圍為-80～50 ℃,野外工作環(huán)境溫度在-20～50 ℃,測量溫度分辨率為0.01 ℃,響應(yīng)時間1 s,視場角為10°[19]。

4.2 CE312實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

CE312定標(biāo)和分析方法與MSIRT類似,均采用恒溫槽標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源作為定標(biāo)源,整個定標(biāo)擬合結(jié)果如圖5所示。橫坐標(biāo)為光譜輻亮度差值,縱坐標(biāo)為濾光片和鏡子的計(jì)數(shù)值差值,mW/(cm2·Sr)。根據(jù)輻射計(jì)觀測原理與CE312程序設(shè)定,定義每個通道線性擬合的斜率為靈敏度Sx,轉(zhuǎn)換系數(shù)和靈敏度結(jié)果見表5所示。

表5 CE312定標(biāo)系數(shù)Tab.5 CE312 calibration coefficient

圖5 CE312定標(biāo)擬合結(jié)果Fig.5 CE312 calibration fitting results

4.3 定標(biāo)結(jié)果比對

4.3.1 實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果比較

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)束后,為進(jìn)一步驗(yàn)證定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性和測量精度,將MSIRT與CE312輻射計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試和戶外測試實(shí)驗(yàn)。

利用H50-D65標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源作為定標(biāo)源,在溫度范圍10～60 ℃內(nèi),每間隔10 ℃作為一個測溫點(diǎn),將CE312和MSIRT依次對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)黑體腔,測量時保持二者位置正確,設(shè)置黑體輻射源溫度值,從10 ℃依次升溫至60 ℃,記錄標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源每個溫度點(diǎn)穩(wěn)定前后的時間區(qū)間,取其平均值作為該溫度點(diǎn)的比較值。

實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果見表6所示,括號內(nèi)為對應(yīng)偏差值。由表6數(shù)據(jù)分析可知,MSIRT在10～20 ℃溫區(qū)內(nèi)測試結(jié)果偏差較大,從紅外探測器原理分析,采用的熱電堆探測器以溫差產(chǎn)生電勢差,當(dāng)探測器溫度與目標(biāo)溫度接近時電勢差較小;從圖4中的MSIRT定標(biāo)擬合結(jié)果看出,在10～20 ℃左右溫區(qū)內(nèi)ΔU與ΔL趨近于0,導(dǎo)致信噪比較差;最大偏差值為通道3在10 ℃時測量結(jié)果為0.26 ℃,整體偏差在0.3 ℃以內(nèi);CE312通道的偏差值與溫度有關(guān),測量溫度值越高,偏差越大,最大偏差值為通道4在60 ℃時為0.83 ℃。

表6 MSIRT &CE312實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果Tab.6 The results of MSIRT and CE312 laboratory tests ℃

4.3.2 戶外測試結(jié)果比較

為驗(yàn)證儀器在野外的工作性能,在中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平院區(qū)的戶外草地進(jìn)行了與CE312初步比對測試。以均勻且平坦的地表作為觀測目標(biāo),如圖6所示。根據(jù)CE312儀器特征,MSIRT測量目標(biāo)選擇典型地物草地,進(jìn)行地表輻亮溫的測量。選取了10:00～17:30時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)作為比對結(jié)果,2臺儀器4個對應(yīng)通道的比對結(jié)果見圖7所示。由圖7結(jié)果可知,4個通道在此時間段內(nèi)輻亮溫曲線總體變化趨勢一致,數(shù)值相近,說明二者具有較好的一致性;從信噪比來看,MSIRT在全時段的測量中具有較好的信噪比,CE312在12 ℃以上信噪比明顯落后于MSIRT,在12 ℃以下二者信噪比相當(dāng)。

圖6 MSIRT &CE312戶外草地測試Fig.6 Outdoor grassland MSIRT and CE312 tests

圖7 MSIRT&CE312戶外比對測試結(jié)果Fig.7 MSIRT and CE312 outdoor comparison test results

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)介紹了MSIRT基本組成和工作原理,介紹了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和基于高精度黑體的外場校準(zhǔn)定標(biāo)與實(shí)驗(yàn),對校準(zhǔn)黑體進(jìn)行了量值溯源。與CE312共同開展了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo),獲得了轉(zhuǎn)換系數(shù)和各通道的定標(biāo)系數(shù)。通過室內(nèi)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、與CE312實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果比對實(shí)驗(yàn)、戶外草地比對測試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了MSIRT的測量精度和野外工作性能。

進(jìn)行了MSIRT定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的不確定度分析,結(jié)果表明整體等效輻亮度溫度不確定度在0.27 K以內(nèi),各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了MSIRT具有較高的精度水平,為開展紅外遙感器場地自動化定標(biāo)方法的研究奠定了基礎(chǔ),為外場定標(biāo)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。