Nong Li 1,2Dongwei Jiang 1,2,3,*Guowei Wang 1,2,3Weiqiang Chen 1,2[ ... ]Zhichuan Niu 1,2,3,**
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
For the measurement of responsivity of an infrared photodetector, the most-used radiation source is a blackbody. In such a measurement system, distance between the blackbody, the photodetector and the aperture diameter are two parameters that contribute most measurement errors. In this work, we describe the configuration of our responsivity measurement system in great detail and present a method to calibrate the distance and aperture diameter. The core of this calibration method is to transfer direct measurements of these two parameters into an extraction procedure by fitting the experiment data to the calculated results. The calibration method is proved experimentally with a commercially extended InGaAs detector at a wide range of blackbody temperature, aperture diameter and distance. Then proof procedures are further extended into a detector fabricated in our laboratory and consistent results were obtained.
infrared photodetectors responsivity calibration cavity blackbody Journal of Semiconductors
2023, 44(10): 102301
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究，以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间，采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱，并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时，将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对，从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数，通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明，待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度，等效温度误差小于2%。
测量 红外光谱辐射计 圆形渐变滤光片 辐射定标 黑体 分区线性标定法 光学学报
2023, 43(23): 2312001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
采用单脉冲飞秒激光辐照单晶硅片和铜板，在材料表面产生烧蚀，并激发黑体辐射光谱。利用ICCD在纳秒尺度对激光诱导等离子体的辐射光谱进行测量，使用最小二乘法将采集光谱与普朗克曲线进行拟合，并用有限差分热扩散模型对温度变化曲线进行拟合，证明了黑体辐射法测量飞秒激光加工材料表面激光诱导等离子体温度的有效性。采用单脉冲激光（中心波长1030 nm，脉宽184 fs，1 mJ单脉冲能量）分别加工单晶硅片和铜板表面，测量了纳秒尺度时间分辨的激光诱导等离子体温度。对于单晶硅片和铜板，测量到以零时刻为中心的平均温度分别为231000 K和226000 K，衰减弛豫时间分别为4.41 ns和2.97 ns。
测量 激光材料加工 超快激光 光谱学 黑体辐射 温度测量 中国激光
2023, 50(24): 2402204
1 河南师范大学 物理学院，河南 新乡 453007
2 中国计量科学研究院，北京 100029
为了得到高发射率黑体涂层的辐射特性，通过人工喷涂制备了三种不同材料的高发射率黑体涂层。基于中国计量科学研究院的发射率测量装置，对比了GR、Nextel 811-21和Nextel 811-21+MWCNT三种涂层在大气下和真空中的室温光谱发射率，研究了GR和Nextel 811-21涂层的厚度对光谱发射率影响，测量了三种涂层在不同角度下的光谱发射率，通过空间辐照三种涂层样品，对比了辐照前后样品光谱发射率的变化。实验结果显示，三种涂层在大气和真空下光谱发射率能够较好重合；Nextel 811-21和GR涂层较薄时，发射率较高，可达到0.978；当测量角度在30°范围内，Nextel 811-21和GR涂层发射率基本不变，Nextel 811-21+MWCNT涂层发射率会降低；涂层受空间辐照影响，GR涂层发射率会降低0.0004~0.0009，Nextel 811-21+MWCNT涂层发射率会降低0.0011~0.0021，Nextel 811-21涂层发射率会增大0.0008~0.0017。
高发射率涂层 黑体 空间辐照 发射率 high-emissivity coating blackbody space irradiation emissivity 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230033
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
随着航天红外技术向高定量化、高集成化方向的发展，传统基于CPU或DSP的黑体测控温系统无法满足高集成化和高精度的需要。针对上述问题，设计了基于FPGA的星载黑体高精度集成温控系统。该系统以FPGA为核心控制单元进行温度采集和控制，实现多功能高速并行处理。黑体测温模块采用三线制惠斯通电桥减小导线电阻影响，然后在信号调理部分采用集成运算放大器组成的三级有源滤波和放大实现了对电气输出的低噪声放大。与传统仪用放大器加无源滤波的信号调理方式相比，该方法具有更强的干扰抑制能力。同时，对铂电阻阻值与温度的非线性误差以及测温系统电路误差，提出了基于多项式模型及最小二乘理论的分级拟合校正方法，进一步提高了测温精度。控温模块采用新型模糊控制和增量式PID（FIPID）结合减小过冲，加快收敛速度。基于精密标准电阻的实测结果表明该系统测温精度在247~375 K范围内为0.035 K，比校正前精度0.383 K提高了90.9%。控温仿真实验表明与PID控温相比，FIPID的过冲为零，而PID算法有12.4%的过冲，且收敛速度提高了64%。地面热真空和在轨实际控温实验表明在256~367 K范围内实测控温精度为0.039 K，该方法已成功应用于某型号空间红外相机，且满足在轨高精度定标要求。该系统具有测控温精度高、动态范围大、易于集成化的优点，可推广应用于星上其他高精度主动温控。
星载黑体 集成化设计 FPGA 高精度测控温 模糊增量PID spaceborne blackbody integrated design FPGA high-precision temperature measurement and control fuzzy incremental PID 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220852
1 中国资源卫星应用中心，北京 100094
2 中国四维测绘技术有限公司，北京 100094
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
以GF5B卫星发射前实验室定标为基础，采用星上0级黑体定标数据，建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理，获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析，并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证，结果表明，在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K；星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度，定标结果可靠，可满足遥感数据定量化应用的需要，为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。
GF5B 全谱段光谱成像仪 黑体 在轨辐射定标 验证 GF5B VIMI blackbody on-orbit radiometric calibration verification 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220644
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
静止轨道快速成像仪（GHI）是风云四号B星（FY-4B）的主要有效载荷之一。针对该仪器长波红外波段的大视场、高空间分辨率等特点，提出了相应的发射前辐射定标和表征方法。建立了一套定标系统装置，实现了长波红外波段的发射前辐射定标，定标不确定度优于0.67 K@300 K。测量并研究了长波红外波段的空间噪声特性。根据长波红外焦平面4个线阵的设计特点，提出了两种最佳成像探元选择方法，即基于信噪比最大化和响应信号固定图形噪声最小化的方法。测量并分析了这两种最佳成像探元组合线阵的温度探测灵敏度，均优于任务要求，平均水平达到了50~60 mK@300 K。评估了星上黑体参考标准的精度，星上黑体标称亮温比真实亮温偏低约0.42 K@300 K，该结果对黑体的在轨应用具有重要参考意义。
测量 辐射定标 红外成像系统 黑体 光学遥感 静止轨道快速成像仪 风云四号 光学学报
2023, 43(12): 1212005
1 渤海大学物理科学与技术学院, 辽宁 锦州 121013
2 渤海大学化学与材料工程学院, 辽宁 锦州 121013
3 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
随着红外测温技术的快速发展, 红外测温仪在**及民用领域得到广泛应用, 对测量准确度的要求提升到了新的高度。 面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置, 近年来受到广泛的关注。 发射率是描述辐射源性能的重要指标, 目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。 面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。 为设计出高发射率面源黑体, 以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型, 引入间距及涂层结构, 建立具有不同表面结构参数、 单元间距及涂层厚度的面源黑体模型, 设置基底材料为石墨, 涂层材料为氮化硅, 通过有限元软件得到仿真模型的反射率, 利用反射率反演得到其发射率, 绘制3~14 μm范围内的光谱发射率曲线; 研究面源黑体表面的电场分布情况。 分析结构单元的宽高比、 涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。 结构单元高度与发射率成正比、 较窄的宽度对发射率有优化作用, 发射率随宽高比的减小而增大。 涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势, 在11 μm后发射率上升, 发射率随厚度增加而增大; 单元间距变化与发射率成正比。 设置初始面源黑体单元结构高度为10 μm、 宽度为1 μm, 在该模型上依次添加2 μm涂层及2 μm间距结构, 进行仿真计算。 优化后黑体辐射源在长波段具有优势, 在3~14 μm波段内光谱发射率稳定, 最低值为0.966; 电场分布图表明了三种结构因素对面源黑体表面能量的影响, 优化得到的模型参数可用于面源黑体的实际制造。 仿真结果表明较小宽高比、 较厚涂层、 较大间距具有提高发射率的能力, 为制造高辐射性能面源黑体辐射源提供了理论参考。
发射率 面源黑体 表面结构 仿真计算 Emissivity Extended area blackbody Surface structure Simulation calculation
