寬譜段高靈敏度紅外光譜輻射計研制及應用

劉磊 李志增 劉加慶 吳威 張冰

摘 要 本文針對的漸變濾光片分光紅外光譜輻射計，其利用了漸變濾光片不同位置只能透過特定波長的光來實現光譜掃描，研制了一款紅外光譜輻射計，突破了大口徑高通量入射鏡頭設計制作、寬光譜精密分光、光譜輻射校準、微弱信號提取等關鍵技術，具有焦距可調、同軸觀瞄、光譜測試、輻射測試、分析運算等功能，入射口徑達120mm、光譜測試范圍覆蓋2μm～14μm、噪聲等效溫差達5mK，整機性能指標達到國際同類產品水平。

關鍵詞 紅外光譜輻射計;漸變濾光片;光譜測試;輻射測試

引言

紅外光譜輻射計用于測試目標紅外波段輻射強度分布信息，建立目標輻射的波長和強度之間的對應關系，在環境、大氣[1]、遙感、軍事[2]等方面都具有重要應用，通過對測試目標的紅外輻射特性分析可獲得非常重要的特征信息。通過采用紅外光譜輻射計對煙囪氣體進行光譜測試，可分析其是否包含有害氣體，包含哪些有害氣體等;通過紅外光譜輻射計對大氣的透過光譜曲線進行持續監測，可獲得氣候變化情況，如城市的熱島效應;通過紅外光譜輻射計對裝備本身或裝備縮比模型進行特性測試，可獲得不同裝備的紅外輻射特征信息，研究其紅外隱身性能。

1原理及方案

漸變濾光片型紅外光譜輻射計采用漸變濾光片分光，利用漸變濾光片不同位置只能透過特定波長的光實現光譜掃描。主要包括入射鏡頭、斬光器、光闌、漸變濾光片、探測器、信號處理運算模塊等部分（如圖1）。儀器首先通過大口徑紅外入射鏡頭收集盡可能多的目標紅外輻射;通過斬光器將連續紅外輻射調制成周期脈沖信號，便于后續電路放大與濾噪處理;通過可變視場光闌控制測試視場大小，降低背景輻射影響;通過會聚光路后進行漸變濾光片分光，分光的過程即是根據不同波長的特性將不同波長的光強分開的過程;分光后通過紅外探測器進行探測，在探測器處獲得不同波長處光譜輻射強度信息。

為提取微弱目標紅外光譜輻射，一般還需采用鎖相放大技術，鎖相放大器是以相關檢測原理為基礎的信號處理電路，它能檢測出極其微弱的有用信號，在微弱信號檢測方面顯示出優秀的性能，具有高信噪比、高精度的特點，能夠把掩埋在噪聲中的有用光譜輻射信號提取出來。

圖1? 紅外光譜輻射計光路原理圖

2實現及測試

利用上述方案研制的紅外光譜輻射計產品如圖2所示，經測試，整機性能指標達到國際同類產品水平。

圖2 6364D漸變濾光片型紅外光譜輻射計

用研制的6364D紅外光譜輻射計分別對3.39 μm氦氖（He-Ne）激光器和10.6 μm的二氧化碳（CO2）激光器進行了測試，如圖3所示，光譜分辨率均達到了小于2%*的指標要求，波長準確度均小于1%*。

圖3 氦氖激光器測試結果圖? ? ? ? ?圖4 面源黑體實測結果

除此之外，還進行了面源黑體的紅外光譜輻射測試（圖4），可以看出，其測試結果與理想PLANK曲線的符合度非常好。

3結束語

紅外光譜輻射計廣泛應用于目標識別、大氣與環境監測、材料分析、紅外光電系統測試、計量等領域。本文針對漸變濾光片分光原理研制的2 μm～14 μm紅外光譜輻射計，可實現2%測量波長分辨率的高精度紅外光譜輻射測量。實驗結果，充分證明了相關方案的有效性，實現了我國首款紅外光譜輻射計產品的問世，并為后續改進升級和應用拓展提供堅實的技術支撐。

參考文獻

[1] 魏合理，陳秀紅，戴聰明，等. 地基大氣背景紅外光譜輻射特性測量[J]. 紅外與激光工程，2016，41（2）：15-19.

[2] 曹西征，郭立紅，楊麗梅. 戰術彈道導彈再入段紅外輻射特性分析[J]. 光電工程，2006，33（9）：23-26.