基于輻照度標準傳遞的輻亮度校準系統優化

岳智革　劉　?！±渍齻ァ≮w貴軍　李鵬程

(1.軍械技術研究所，石家莊 050000；2.軍械工程學院, 石家莊 050000；3.總裝備部沈陽軍事代表局，沈陽 110015)

0　引言

作為精密儀器的光學設備，隨著出廠時間的增加，粉塵、濕度、溫度等外部環境的侵蝕，會嚴重影響濾光片等重要器件的性能，特別是光源設備，會因老化而不能滿足額定要求。

在國軍標對被測設備進行合格判定時，要求檢測設備與其校準設備的測試不確定度比(Test Uncertainty Ratio，TUR)不低于4:1[1]。由此，針對設備檢測的技術要求，在輻亮度的測量允許差為±20%時，所設計的輻亮度校準設備的測量不確定度應該≤5%。軍械技術研究所黃滔[2]等人基于輻照度標準傳遞，設計了輻亮度校準系統。該系統不僅能夠保證設備的計量溯源，還保證了國軍標計量的相關要求，但在野外環境中操作不便，本文即基于該系統在野外環境下的方便性操作進行優化。

1　輻亮度校準系統

輻亮度校準系統主要由平行光管、特制濾光(分光)鏡、積分球系統和光電探測單元等部分構成。系統的構成主要完成三個方面的功能：根據被檢對象的波譜范圍，提供光輻射標準源；探測光輻射目標亮度，并經過相關電學量與光學量轉換傳遞到國家標準；系統相關輻射量值的自標定。系統實際工作流程(見圖1)為：經過濾光(分光)鏡處理的輻射信號，通過平行光管光學系統，進入積分球中進行輻亮度與數碼值的轉換，將數碼值傳遞到探測器中轉換為電信號，進而進行濾波和放大，獲得較高信噪比的模擬信號。最后進行模數轉換，交由計算機進行后續的處理。

圖1　系統組成及原理框圖

由圖1可知，積分球系統是光學系統和電子學系統的紐帶，操作也較為復雜，系統優化即從積分球系統入手。

2　積分球系統優化

為了控制環境條件引入的測量不確定度，在原系統中就采用了小型積分球的設計原則，通過高反射比的內涂層來提高內部的反射效率。然而在內部光源設置中使用了發光二極管(LED)，該器件在特制小型積分球中使用時可以滿足需要，雖然經過了老化試驗的篩選，但是在系統需要大口徑積分球的情況下，作為內徑≥500mm的積分球，LED器件并不能夠滿足出光口均勻性等特性的要求。

基于成本和系統穩定性考慮，溴鎢燈作為基底光源是最佳選擇。中科院劉洪興等人研究了基于溴鎢燈和LED積分球光源的光譜匹配，并引入模擬退火算法(Simulated Annealing，SA)作為光譜匹配算法進行應用[3]。

在匹配試驗中，選用標準燈為國際照明委員會(Commission Internationale de L`Eclairage，CIE)規定的D65標準光源，該光源具有近似真實日光的光譜功率分布；LED選用Epitex LED。由表1可以看出，當用大量小功率LED滿足光譜覆蓋時，需要數量高達4000以上，會因為內部光源所占面積太大，而無法滿足開口比的要求，從而無法保證積分球出光口均勻性，同時也給電路控制造成了極大的困難；為了滿足開口比條件，就必須壓縮內置光源的所占面積，從而大量使用大功率LED光源，但這又給光譜覆蓋提出了新的困難。此外，大功率LED散熱也會給系統設計造成一定的困難。

表1中混合光源匹配比單純的LED匹配在標準燈光譜匹配和等能光譜上同比減少約80%和83%，匹配方式效率更高。優化設計中采用LED可調定標光源與基底光源結合的方式，LED將發揮兩個方面的作用：作為定標光源，為積分球的自定標提供便利，實際是作為定標參考光源出現[4]；作為可調光源，滿足光譜覆蓋功能?；坠庠匆话悴捎娩彐u燈或氙燈，它們在可見光波段光譜豐富且相對穩定。

表1　分別使用LED和混合光源匹配結果參數

優化后的系統量值傳遞定標工作流程為：前期將LED定標光源進行國家標準溯源，使不同組合的光源輻亮度成為已知。通過LED定標光源不同輻亮度組合，定標輻射計的輸出；利用定標光源已知的輻亮度和輻射計的輸出，得出兩只之間的比例系數，隨后利用內置探測器，測出DN值(積分球探測器出光口數碼/灰度值)輸出，同時用定標過的輻射計測出積分輻亮度。調節LED組合，得出DN值與積分輻亮度的多組數據，并進行線性擬合，得出擬合方程(如圖2所示)。在使用過程中，只需要觀測積分球內置探測器的DN輸出值，結合擬合方程，在結果中乘以比例系數，便能夠得出積分輻亮度值。

圖2　輻射亮度量值傳遞定標過程

該自定標過程有以下優點：1)實現量值的傳遞和溯源；2)內置LED光源用以定標輻射計，減少了其他器件的操作和相關不確定度的引入；3)LED光源定標及首次使用的輻射計[5]在實驗室業已完成，簡化了野外工作的測量流程，優化了資源配置。

3　積分球系統優化性能測試

積分球作為系統中光輻射傳遞的紐帶，在其出光口均勻性和角度分布均勻性(余弦特性)方面都有著特定的性能要求。

3.1　自定標線性擬合

在以可見光波段為對象的400～800nm波段范圍內進行定標。表2中顯示，DN值為100左右至20000以上，實際模型中可以達到50000左右，這為類似定標試驗復現提供了便利。由擬合統計(如圖3所示)可知，擬合方程為：

表2　400～800nm積分球定標數據

L=0.00241DN+0.217

式中，L為積分輻亮度，調整決定系數為99.994%，幾乎完全呈現線性關系。

圖3　積分球定標線性擬合

3.2　光源出口非均勻性

將積分球開口面等角度間隔劃分為8個扇形區域，并以開口中心為圓心等間隔分別取5組不同半徑不同的圓，其與扇形的40個交點作為測量點,將算術平方值和方均根誤差值之比作為非均勻性誤差，如表3所示。

表3　非均勻性誤差數據

3.3　余弦特性分析

在位于積分球開口中心高度的水平面上以開口中心為圓心，開口半徑為半徑作一個半圓，把這半個圓周等角度分成18份，用輻亮度計分別在圓周上17個點(端點除外)處測量開口中心的輻亮度，這些值和輻亮度計在半圓周中心點(即輻射計光軸垂直于開口平面時的觀測點)處的觀測值之差即為偏離余弦特性的偏差，如圖4所示。

圖4　余弦特性曲線

4　系統測量不確定度分析

在經過測量之后得知，積分球出口的輻亮度均勻性不確定度uA1為0.54%，4h內積分球出光口輻亮度穩定度不確定度uA2為0.6%，余弦特性良好，不確定度可忽略不計。

其余不確定分量主要包括以下幾個方面：

1)LED定標光源[6]輸出輻射亮度不確定度uA3約為0.21%； 2)標準燈輻射亮度不確定度uB1約為1.1%[7]；3)輻射量值傳遞為均勻分布，不確定度uB2約為0.5%；4)探測器不均勻性和噪聲輸出為均勻分布，不確定度uB3約為0.5%；5)擬合算法對校準數據產生的不確定度uB4約為0.5%。

上述各不確定度分量不相關，假設為均勻分布，則合成不確定度[5]:

=1.7%

當k取2時，擴展不確定度

U=kuc=3.4%

5　結束語

輻亮度校準系統的建立，能夠滿足光輻射的測量，但由于野外測量時所攜帶器件較多，使用時很不方便。經優化后的系統能夠滿足基本性能，不確定度提高0.4%，提高雖與技術革新有關，但優化后的系統使用流程大大縮減，也更加便于野外操作。

[1]GJB 5109—2004,裝備計量保障通用要求[S]

[2]黃滔，孟晨，劉福, 等.基于輻照度標準傳遞的輻亮度校準系統[J].軍械工程學院學報，2009,21(3):22-25

[3]劉洪興，任建偉，李葆勇 ,等.基于溴鎢等和LED積分球光源的可調諧光譜分布和光譜匹配[J].發光學報，2011,32(10)：1074-1079

[4]鄭小兵，袁銀麟，徐秋云, 等.輻射定標的新型參考光源技術[J].應用光學，2012，33(1)0:11-107

[5]周磊，吳浩宇，鄭小兵.通道式輻射計相對光譜響應率定標[J].計量學報，2007(1)：37-41

[6]任建偉，麥鎮強，萬志, 等.星上LED定標光源的可行性研究[J].光學精密工程，2008,16(3)：398-404

[7]楊小虎;王淑榮;黃煜 等.基于標準探測器研究標準燈光譜輻照度和漫反射板雙向反射分布函數隨波長的變化[J].光學學報，2011(6)