CC BY
73
УДК 681.785.574
Г. Г. Горбунов, А. П. Лаппо, О. К. Таганов
ФГУПНПК„Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова"
Санкт-Петербург
КАЛИБРОВКА ШКАЛЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРОПУСКАНИЯ РАДИОМЕТРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА
Описан пример использования лабораторного фурье-спектрометра для определения коэффициентов спектрального пропускания фильтрового многоканального радиометра.
Ключевые слова: фурье-спектрометрия, радиометрия, шкала волновых чисел.
Оптико-электронная радиометрическая аппаратура находит широкое применение в задачах, связанных с необходимостью измерения потоков (мощности) излучения источников разной природы в определенных областях спектра. Исходя из функциональных особенностей приборов этой группы требуется проводить калибровку шкал длин волн и интенсивности потока, а также определить спектральные границы чувствительности. Если энергетическая калибровка осуществляется до сих пор классическим методом — путем освещения прибора потоком излучения эталонных источников (лампы, модели абсолютно черных тел разных температур и др.), то определение спектрального пропускания затруднено вследствие требований к средствам измерений. Одна из причин такого положения связана с тем, что спектральное пропускание радиометра необходимо оценивать при освещении его потоком излучения, при этом его форма в максимальной степени должна воспроизводить форму потока при функционировании прибора в реальных условиях. Спектральное пропускание радиометра определяется совокупностью оптических спектральных характеристик его элементной базы — окон, светоделителей, фильтров, приемника — и, кроме того, зависит от поля зрения прибора, и только абсолютное заполнение его входного зрачка обеспечивает точное представление о параметрах спектрального пропускания.
Авторами настоящей статьи предложен способ калибровки шкалы длин волн трассового радиометра с помощью фурье-спектрометра, диапазон работы которого совпадает со спектральной областью [1]. Использование в качестве калибратора шкалы длин волн спектрального прибора, а именно фурье-спектрометра, в наибольшей степени соответствует требованиям задачи, поскольку этот прибор в референтном канале имеет свой внутренний стандарт длин волн — линию излучения Не-Ые-лазера. Большой геометрический фактор Ох£ (О — телесный угол, стерадиан, при котором излучение поступает в прибор; £ — площадь параллельного пучка лучей в приборе, см ), характерный для фурье-спектрометров [2], позволяет заполнить входной зрачок исследуемого радиометра практически полностью, что затруднительно при использовании классических дифракционных спектрометров.
Для исследования возможностей интерференционной спектральной аппаратуры при таком нетрадиционном применении использовался лабораторный фурье-спектрометр, разработанный в ФГУП НПК „ГОИ им. С. И. Вавилова" (Санкт-Петербург) [3]. Диаметр параллельного пучка лучей в интерферометре этого прибора составляет 50 мм, угол поля зрения 2о, спектральное разрешение 2 см-1, время регистрации одного спектра (интерферограммы) 3 с. Источником излучения служит нихром-керамический излучатель с температурой около 1200 К и размерами излучающего элемента 10х 10 мм . Рядом с приемником установлено поворотное зеркало, чтобы направить пучок излучения из интерферометра фурье-спектрометра через
Калибровка шкалы спектрального пропускания радиометра
67
радиометр на приемную систему последнего, которая подключена через интерфейс фурье-спектрометра к персональному компьютеру. Такое расположение радиометра практически обеспечивает его абсолютное заполнение излучением, а использование в качестве приемника фурье-спектрометра собственного приемника радиометра позволяет полностью имитировать рабочий режим радиометра. При этом интерферограмма (функция автокорреляции исследуемого спектра) оцифровывается по разности хода лучей с помощью референтного канала с Не-Ые-лазером. Это позволяет использовать известное преимущество фурье-спектрометра — точность привязки шкалы волновых чисел во всем спектральном диапазоне работы прибора [2]. Зарегистрированные интерферограммы преобразовывались в спектр.
Как обычно, при спектрофотометрических измерениях сначала регистрировалось излучение нихром-керамического источника фурье-спектрометра в стандартном режиме, затем вводилось поворотное зеркало и регистрировалось излучение того же источника, но прошедшее через радиометр на его приемную систему. После операции фурье-преобразования с помощью персонального компьютера полученные спектры фона и радиометра нормировались каждый к своему максимуму, чтобы учесть разницу в чувствительности приемников фурье-спектрометра и радиометра, и затем производилось деление спектра радиометра на спектр фона. В результате этой процедуры получалась не только откалиброванная для радиометра шкала длин волн, но и рассчитывалось распределение относительного пропускания радиометра. Последнее, например, дополнительно позволило обнаружить в ходе эксперимента дефект изготовления одного из фильтров радиометра.
На рис. 1 представлена принципиальная схема калибровочной установки. В оптико-механическом блоке фурье-спектрометра излучение от источника 1 коллиматорным зеркалом 2 передается в интерферометр Майкельсона, состоящий из подвижного 4 и неподвижного 6 зеркал и светоделителя с компенсатором 3, 5. Собирающая система 7 фокусирует излучение, прошедшее через интерферометр, на приемнике 9. Для калибровки шкалы длин волн радиометра 10 в ход лучей вводится поворотное зеркало 8, которое направляет проинтерфериро-ванное излучение на вход радиометра.
6
1 ■ 1 , 1 3, 5 Г 7
4 __ь т ч
ч
X /
1 > 9
Рис. 1. Структурная схема установки для калибровки шкалы длин волн фильтрового радиометра с помощью фурье-спектрометра
На рис. 2, а представлен измеренный относительный спектр пропускания одного из каналов исследуемого радиометра в виде зависимости интенсивности излучения (I) от волнового числа (у). Анализ рисунка демонстрирует возможность определения не только основного рабочего участка спектрального пропускания радиометра, но и небольших зон пропускания за границей этого участка, которые важны для правильного использования информации,
получаемой с радиометра, но обнаружить их другими известными способами затруднительно. Нижний участок этой кривой (см. рис. 2, а), но в увеличенном масштабе, приведен на рис. 2, б.
а)
I, о.е.
25
20 15
10 5
800 900 1000 1100 1200 v, см-1
б)
I, о.е.
1,6 1,2
0,8
0,4
800 900 1000 1100 1200 v, см-1
Рис. 2. Спектральное пропускание одного из каналов многоканального радиометра (а), то же, в увеличенном масштабе (б) Значительная величина отношения сигнал/шум, точная привязка по шкале длин волн, абсолютное заполнение входного зрачка радиометра исследуемым излучением, быстрота получения результатов и их точность позволяют сделать вывод о преимуществе использования фурье-спектрометра для измерения спектральных коэффициентов пропускания оптико-электронной аппаратуры, например фильтровых радиометров, в том числе, в целях калибровки шкалы длин волн.
список литературы
1. Atkinson N. C., Wilson S. N. S., Girox J. Measurement and Simulation of instrument line shape // 7th ASSFTS, Oberpfaffenhofen. 1996. May.
2. Светосильные спектральные приборы: Сб.статей // Под ред. К. И. Тарасова. Л.: Наука, 1988. 264 с.
3. Горбунов Г. Г., Киселев Б. А. Фурье-спектрометрия: состояние и тенденции развития // Оптич. журн. 1993. № 12. С. 1—6.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
