光谱实验报告辐射度学与绝对辐射校准工位

射度学与绝对辐射校准工位
1.引言
辐射度学是研究各种电磁辐射强弱的学科，是颜色科学、遥感等学科的基础。

辐射校准最终的目的是将所测量的物理量与国际标准单位中的物理量联系起来。

本实验将通过实际的辐射校准传递流程帮助学生理解辐射校准的意义、方法和流程，然后应用辐射校准的结果进行绝对辐射测量。

2.实验目的
1、了解辐射校准的意义、方法和流程
2、应用辐射校准的结果进行绝对辐射测量
3.实验原理
辐射度测量仪器的校准：
在使用辐射度测量仪器时，数字仪器获得的原始数据往往是计数值，而模拟仪器获得的原始数据往往是电压，电流或者电阻。

当我们测量的辐射度量并非以电流、电压等作为单位时，这些数据是无意义的。

因此，辐射校准的最终目的，是通过一定的标准将所测量的物理量与使用的工程单位联系起来。

此外，辐射校准的另一个重要目的是估计测量数据的不确定度。

校准的传递流程：
校准可以使测量环境不同的同一被测物理量单位统一、量值可靠。

而可靠的测量不可避免地与校准过程以及其中使用的标准有关。

标准往往是一个物体、仪器或是系统，它为所测量的物理量在某一单位下提供核对、参照。

在使用中，标准可以分为几种。

基准标准具有最高的测量质量，他可以通过人为规定、计算、或设计得到而无需通过其他测量。

例如，零度被定义为水的三相点。

基准标准也可以通过国际公认成为一个人为的标准，例如千克，是特定的储存在国际计量局的人造物质定义的。

而次级的标准则用于传播标准，它必须具有尽可能高的稳定性、可靠性和可重复性。

次级标准通过与基准标准对照校准获得。

再下一级的标准是工作标准，我们常用来校准平常使用的仪器。

通过不同标准之间进行校准，标准传递的过程形成了一条不间断的比较链。

需要注意的是，由于标准传递过程中存在不可避免的误差，标准系统距离基准越远，不确定度会随着不断累加而越大。

为了确保同一被测量结果的可比性、一致性，计量具有溯源性的特点。

溯源性是指通过一条具有规定的不确定度的连续比较链，使测量结果或测量标准的值，能够与规定的参考标准，通常是与国家测量标准（国家基准）或国标测量标准联系起来的特性。

而校准则是实施溯源性的重要方法和手段。

在我国，标准传递流程，就是国家计量检定系统表。

它表述了某一量从计量基准、计量标准至工作计量器具到被测的量，它们之间的关系和程序，规定了测量不确定度或最大允许误差及其测量方法，这就是计量溯源性的比较链。

以我国光谱辐射亮度、光谱辐射照度计量器具检定系统表为例，表中显示了光谱辐射亮度、光谱辐射照度计量器具的辐射校准流程。

图1 光谱辐射亮度、光谱辐射照度计量器具检定系统表从图中可以看出，在我国，不同的标准被分为三个级别：计量基准、计量标准、工作计量器具。

计量基准中又包括国家基准、副基准、工作基准三个等级。

ß
上一级的标准可以校准下一级的标准。

随着标准向下传递，由于测量过程中不可避免的误差，下级标准的不确定度越来越大。

在所有标准中，国家基准具有最小的不确定度。

最低级标准为工作计量器具，即在工作中使用的探测器或标准灯， 包括工作用辐射计、工作用辐射源等等。

图中 U 表示测量的扩展不确定度，不确定度越小，测量时结果与被测量的真值越接近，质量越高。

不确定度越大，测量结果的质量越低。

k 表示测量不确定度时的包含因子。

当测量结果的分布已知时，可以通过概率分布表确定 k 值。

当无法判断被测量值的分布时，不能根据分布来确定包含因子 k ，此时假定 k=2 或 3，上图中假定 k=2。

校准时，光谱分为紫外、可见、近红外三个波段，各级标准对三个波段的不确定度要求各不相同。

校准的过程通过辐射亮度、照度比较装置完成，主要装置包括一组标准灯，参考灯以及光谱辐射计，校准使用的方法为替代法。

连续辐射的测量与光谱的测量：
我们把系统对辐射波长为 λ 的单色光光谱透射比表示为T(λ，λc )，他取决于辐射波长 λ 和探测器的设定探测波长 λs 。

作为 λ 的函数，对某一固定点 λs 它在包含λs 的一个窄的波长范围Δλ 以外，其值为零。

而且除了原点 λs 的移动以外，T(λ， λc )函数的形状以及大小随 λs 的变化即使有也很小。

对波长为 λ0，能量为φ(λ0)的单色谱线，光谱辐射计响应为
R(λ0，λc ) = φ(λ0)S(λ0)T(λ0，λc ) （1）
这里S(h)是辐射探测器的光谱灵敏度。

事实上，光谱辐射计所做的各种测量 都是这种相对测量，其输出响应取决于S(h)与T(λ，λc )的乘积。

此外，可假定S(h)
是一个平滑变化的函数，这样前面对T(λ，λc )所做的假定也可以完全适用于两者的乘积，为了简化方便起见，我们可以省去因子S(h)，并理解为 S （λ）已被包含在T(λ，λc )之中了。

因此我们将上式简化为：
R(λ0，λc ) = φ(λ0)T(λ0，λc )
（2）
其中，T(λ，λc )称为仪器函数。

当我们已知标准光源的光谱能量分布时，我们考虑用下述系统比较两个光源的连续辐射。

当光谱能量密度为φ (λ)和探测器的设定波长为 λs ，探测器的响应为：
R (λc ) = ƒ φß(λ)T(λ，λc ) d h
（3）
ß
ß ß
fi c
因为已假定在整个 T 不为零的小波长间隔 Δλ 范围内，φß(λ)是平滑变化的 函数，所以我们可以按通常方式将φ (λ)展开为(λ — λc )的多项式，同时忽略高次方项，于是得到：
R (λ ) = φ (λ ) ƒ T(λ，λ )dh + [d φfi (h)] ƒ （λ — λ ）T(λ，λ ) dh （4）
c ß c c dß c c 到目前为止，我们仅仅认为 λs 是仪器的设定波长，且它的定义一直没有明确。

如果把它定义为T(λ，λc )的矩中心所对应的波长，即： λ = ƒ hT(h ，h c )dß ƒ T(h ，h c )dß （5）
这样上式右边第二个积分值就消去了，即：
R (λc ) = φ (λc ) ƒ T(λ，λc ) dh （6）
由此得出：如果用光谱辐射计比较测量两个连续光谱源，在 λ=λs 处的光谱密 度比就等于探测器响应之比，因为因子ƒ T(λ，λc )dh 对两个光源都是相同的。

[6]
以上都是仅考虑了光谱辐射计在某一设定波长上的测量，现在让我们来考虑更符合实际的情况，即被测源在一个宽的波长范围内的光谱能量分布。

假设已经得到了一个理想的无噪声光源响应R (h S )和 R u (h S )，由此根据标准光源已知的光谱能量分布φ (λ)，根据式（6）可得到： R (ßc ) R F (ßc ) 辐射校准与测量的具体方法：
= $fi (ßc ) $F (ßc ) （7）
ß 在本次实验中，利用已知光谱分布的标准灯作为基准对测量系统进行标定， 测量系统是由积分球、光纤和光谱仪组成的系统。

通过测量系统对标准灯做光谱分布测量，得到标准灯的相对光谱分布$u (h c )，而标准灯的实际光谱分布$ß(h c ) 是已知的，由式（7）可得出不同波长处响应系数的比值，由此可得到测量系统的补偿系数，对系统进行标定。

得到补偿系数文件后，即可用该补偿文件校准测量系统，对其他光源进行绝对测量。

根据 JJG 规定，标准灯在每次使用前用酒精棉球或航空汽油轻轻擦拭石英玻
壳，避免用手触摸。

操作时应戴白细纱手套。

轻拿轻放，保持灯泡玻壳清洁。

标准灯点燃时，应缓慢地将灯电流升至工作电流。

测量结束后，将电流逐渐
降至零，然后断开电路。

升降灯电流的时间不应小于 5 min 。

标准灯的预热时间 应不小于 20 min 。

测量完毕，关闭电源后，待灯泡玻壳冷却后方可将灯取下。

4. 实验仪器
直流稳压电源、光纤光谱仪、标准灯
5. 实验步骤
一、利用标准光源对测量系统标定
1、 按照实验装配图安装辐射定标系统，点亮钨灯预热 10min 。

图 2 辐射定标系统
2、 根据标准钨灯的出厂数据说明书，用设定的电流值驱动标准灯。

3、 打开“SpectraSuite ”软件，点击“文件”→“新建”→“新建绝对辐射测量”
→“当前扫描”→“新建补偿参数”，出现下图：
根据标准钨灯的出厂数据说明书，设置积分时间和平均次数。

点击“Next”。

出现下图：
点击界面中的灯泡，保存明光谱，再点击“Next”。

出现下图：
此时要遮挡钨灯光源，点击界面中的灯泡，保存暗光谱。

点击“Next”。

在“Lamp File”处点击“浏览”，读入给定的灯文件。

出现下图：
点击“Next”，出现下图：
选择“正在使用积分球”。

点击“保存到文件”，把补偿文件保存到任意位置下。

（该补偿文件即为光谱仪、光纤和积分球组成的测量系统的补偿系数文件，可
用于绝对测量）点击“Finish”，出现下图：
图中曲线即为辐射定标后的钨灯光谱。

点击“图表A”可查看未定标的原始光谱，如下图：
可见，辐射定标后的钨灯光谱与实际的钨灯光谱相符。

(钨灯的绝对辐射光谱峰值波长在 1000nm 左右，在 1000nm 之前，曲线应该是上升的。

)而原始光谱峰值波长在 650nm 左右。

二、用标定后的测量系统对其他光源进行绝对测量
4、按照下图搭建光路。

5、打开“SpectraSuite”软件，点击“文件”→“新建”→“新建绝对辐
射测量”
→“当前扫描”→“从文件获得绝对补偿”→文件类型选择“OOIIrrad补偿文件”→读入步骤 3 中保存的补偿文件，如下图：
点击“Next”，选择“使用积分球”，点击“Next”，（注意此时光源尚未开启）点击界面中的灯泡，保存暗光谱。

如下图
点击“Finish”。

6、对不同颜色的 LED 进行测量，对比原始光谱与绝对辐射定标后光谱的区别，
并分析其原因。

7、选做：保存 LED 的绝对辐射光谱为 txt 文件，编程计算出任意波长范围内的
功率值
三、实验结果。