宽谱段高灵敏度红外光谱辐射计研制及应用

刘磊 李志增 刘加庆 吴威 张冰

摘 要 本文针对的渐变滤光片分光红外光谱辐射计，其利用了渐变滤光片不同位置只能透过特定波长的光来实现光谱扫描，研制了一款红外光谱辐射计，突破了大口径高通量入射镜头设计制作、宽光谱精密分光、光谱辐射校准、微弱信号提取等关键技术，具有焦距可调、同轴观瞄、光谱测试、辐射测试、分析运算等功能，入射口径达120mm、光谱测试范围覆盖2μm～14μm、噪声等效温差达5mK，整机性能指标达到国际同类产品水平。

关键词 红外光谱辐射计;渐变滤光片;光谱测试;辐射测试

引言

红外光谱辐射计用于测试目标红外波段辐射强度分布信息，建立目标辐射的波长和强度之间的对应关系，在环境、大气[1]、遥感、军事[2]等方面都具有重要应用，通过对测试目标的红外辐射特性分析可获得非常重要的特征信息。通过采用红外光谱辐射计对烟囱气体进行光谱测试，可分析其是否包含有害气体，包含哪些有害气体等;通过红外光谱辐射计对大气的透过光谱曲线进行持续监测，可获得气候变化情况，如城市的热岛效应;通过红外光谱辐射计对装备本身或装备缩比模型进行特性测试，可获得不同装备的红外辐射特征信息，研究其红外隐身性能。

1原理及方案

渐变滤光片型红外光谱辐射计采用渐变滤光片分光，利用渐变滤光片不同位置只能透过特定波长的光实现光谱扫描。主要包括入射镜头、斩光器、光阑、渐变滤光片、探测器、信号处理运算模块等部分（如图1）。仪器首先通过大口径红外入射镜头收集尽可能多的目标红外辐射;通过斩光器将连续红外辐射调制成周期脉冲信号，便于后续电路放大与滤噪处理;通过可变视场光阑控制测试视场大小，降低背景辐射影响;通过会聚光路后进行渐变滤光片分光，分光的过程即是根据不同波长的特性将不同波长的光强分开的过程;分光后通过红外探测器进行探测，在探测器处获得不同波长处光谱辐射强度信息。

为提取微弱目标红外光谱辐射，一般还需采用锁相放大技术，锁相放大器是以相关检测原理为基础的信号处理电路，它能检测出极其微弱的有用信号，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，具有高信噪比、高精度的特点，能够把掩埋在噪声中的有用光谱辐射信号提取出来。

图1  红外光谱辐射计光路原理图

2实现及测试

利用上述方案研制的红外光谱辐射计产品如图2所示，经测试，整机性能指标达到国际同类产品水平。

图2 6364D渐变滤光片型红外光谱辐射计

用研制的6364D红外光谱辐射计分别对3.39 μm氦氖（He-Ne）激光器和10.6 μm的二氧化碳（CO2）激光器进行了测试，如图3所示，光谱分辨率均达到了小于2%*的指标要求，波长准确度均小于1%*。

圖3 氦氖激光器测试结果图         图4 面源黑体实测结果

除此之外，还进行了面源黑体的红外光谱辐射测试（图4），可以看出，其测试结果与理想PLANK曲线的符合度非常好。

3结束语

红外光谱辐射计广泛应用于目标识别、大气与环境监测、材料分析、红外光电系统测试、计量等领域。本文针对渐变滤光片分光原理研制的2 μm～14 μm红外光谱辐射计，可实现2%测量波长分辨率的高精度红外光谱辐射测量。实验结果，充分证明了相关方案的有效性，实现了我国首款红外光谱辐射计产品的问世，并为后续改进升级和应用拓展提供坚实的技术支撑。

参考文献

[1] 魏合理，陈秀红，戴聪明，等. 地基大气背景红外光谱辐射特性测量[J]. 红外与激光工程，2016，41（2）：15-19.

[2] 曹西征，郭立红，杨丽梅. 战术弹道导弹再入段红外辐射特性分析[J]. 光电工程，2006，33（9）：23-26.