Способ определения спектральной плотности энергетической яркости ик-излучения тепловых источников

 

Изобретение относится к спектрорадиометрии источников теплового ИК-излучения, например, для передачи размера единиц спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) в Государственной поверочной системе. Целью изобретения является повышение точности. Сущность изобретения заключается в регистрации разностных сигналов от исследуемого и эталонного излучения с предварительно выровненными интегральными потоками, причем потоки преобразуются в сигналы по идентичным трактам, попеременно оптически сопрягаемым фотоприемником с приемно-усилительной системой с частотой синхронного детектирования. Суждение об определяемой величине СПЭЯ по разностным сигналам выносится на основании двух измерений с эталонным излучением модели черного тела при двух температурах. Изобретение позволяет повысить точность определения СПЭЯ. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике в части создания способов определения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) теплового ИК-излучения и может быть использовано для спектрорадиометрии источников теплового ИК-излучения, например, для передачи размера единиц СПЭЯ в Государственной поверочной схеме. Целью изобретения является повышение точности. На чертеже представлена блок-схема установки для реализации способа. Установка для реализации способа содержит источник 1 теплового ИК-излучения, модель черного тела (МЧТ) 2, зеркало-модулятор 3 с приводом 4, проектор 5, спектрометр 6 с фотоприемником 7 на выходе и синхронный детектор 8 с усилительной системой, вход которого связан с фотоприемником 7, а синхронизирующий выход - с приводом 4 модулятора. Элементы: источник 1, зеркало-модулятор 3, проектор 5, спектрометр 6, образуют первый оптический тракт, который идентичен второму оптическому тракту, образованному МЧТ, зеркалом-модулятором 3, проектором 5, спектрометром 6. В фокусе проектора 5 расположена входная щель спектрометра 6, которая может быть перекрыта интегральным фотоприемником 9. Источник 1 и МЧТ 2 снабжены регулируемыми блоками питания соответственно 10 и 11. Способ осуществляют следующим образом. Предварительно осуществляют сравнение интегральных потоков исследуемого источника 1 и модели черного тела 2 путем попеременного оптического сопряжения излучения каждого из источников с фотоприемником 9 двум оптическим трактам с идентичными характеристиками, причем сопряжение производят с частотой синхронного детектирования и минимизирования выявленной разности указанных потоков путем регулирования выходной мощности блоков 10 и 11, затем осуществляют указанную операцию сравнения монохроматизированных при длине волны потоков, для чего также попеременно с частотой синхронного детектирования оптически сопрягают излучение от каждого из источников со спектрометром 6 по двум оптическим трактам с идентичными оптическими характеристиками, при этом измеряют разностный сигнал ΔR₁(λ) от указанных монохроматизированных потоков источника излучения и МЧТ с температурой T₁. Далее изменяют температуру МЧТ до значения T₂, соответствующего соседней реперной точке температурной шкалы модели черного тела, вновь измеряют разностный сигнал ΔR₂(λ) от источника и МЧТ с температурой T₂ и с учетом значений указанных разностей сигналов находят значение СПЭЯ источника L_и(λ), решая следующую систему уравнений: где S_λ - коэффициент преобразования лучистого потока в электрический сигнал оптическим трактом; - зависимость Планка для СПЭЯ МЧТ при температуре T_i; λ - длина волны. Решение системы для величины L_и(λ) имеет вид Среднеквадратичное отклонение (СКО) S результата измерения величины СПЭЯ из выражения (2) определяется выражением где S²_N - СКО спектрометра;
S²_мчт - СКО МЧТ. Поскольку разностный сигнал получен как разность сигналов от источника и МЧТ по трактам с идентичными оптическими характеристиками, то все собственные излучения элементов тракта, включая излучение модулятора, вычитаются и на разностный сигнал не влияют. С другой стороны, поскольку вклад в сигнал от рассеянного света определяется главным образом величиной интегрального потока от источника или МЧТ, то выравнивание их приводит к равенству уровней рассеянного света в разных фазах модуляции и, следовательно, к вычитанию их в разностном сигнале. Наконец, при тех же, что и в известных решениях, величинах потока ИК-излучения источника в данном способе необходимо регистрировать значительно меньшие перепады сигнала, поскольку тепловые источники имеют гладкие спектры и выравнивание интегральных потоков приводит к тому, что сравниваемые монохроматизированные потоки являются величинами одного порядка. Поэтому в способе необходим значительно меньший динамический диапазон, что приводит к уменьшению погрешности из-за нелинейности приемно-усилительной системы. Таким образом, в предлагаемом способе уменьшено влияние на результат определения СПЭЯ основных источников погрешности, что повышает точность определения СПЭЯ источников теплового ИК-излучения.

Формула изобретения

Способ определения спектральной плотности энергетической яркости ИК-излучения тепловых источников, заключающийся в сравнении модулированных монохроматизированных потоков излучения от исследуемого источника и модели черного тела (МЧТ) с известной температурой, соответствующей реперной точке температурной шкалы МЧТ, путем синхронного с частотой модуляции детектирования сигналов приемника излучения и определения значения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) по найденному в результате сравнения отношению, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно осуществляют сравнение потоков исследуемого источника и МЧТ путем попеременного оптического сопряжения излучения источника и МЧТ с интегральным приемником излучения по трактам с идентичными оптическими характеристиками, причем сопряжение производят с указанной частотой синхронного детектирования, уравнивают указанные потоки, затем сравнивают попеременно с частотой синхронного детектирования монохроматизированные при длине волны λ потоки излучения источника и МЧТ с температурой T₁, оптически сопрягаемые со спектрометром по тем же, что и для интегрального приемника, трактам, измеряют сигнал ΔR₁(λ), пропорциональный разности указанных монохроматизированных потоков, измеряют температуру МЧТ до значения T₂, соответствующего соседней реперной точке температурной шкалы МЧТ, измеряют сигнал ΔR₂(λ), пропорциональный разности потоков источника и МЧТ, и с учетом значений ΔR₁(λ) и ΔR₂(λ) находят значение спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) источника L_u(λ) по зависимости

где L(λ,T_i) = C₁[λ⁵_iπ(exp C₂/λT_i-1)]^-1 [Вм/стер·м³] СПЭЯ МЧТ при температуре T₁ по закону Планка;
C₁, C₂ - первая и вторая постоянные по закону Планка.

РИСУНКИ

Рисунок 1