光谱辐射照度是光学领域的重要基本物理量之一, 广泛应用于气候变化、 对地观测、 航空航天、 海洋水色、 光辐射安全等领域, 为光谱辐射照度测量提供了最高量值溯源标准^{[1, 2]}。1975年中国计量科学研究院NIM(National Institute of Metrology)建立了我国的光谱辐射照度基准装置, 分别在1989年、 2000年、 2011年完成了第一次、 第二次、 第三次基准装置的能力提升, 2011年在北京昌平基地建立了基于BB3500M高温黑体辐射源的第四代光谱辐射照度国家基准装置, 波长范围扩展至230~2 550 nm, 测量不确定度得到较大改善^{[1, 2]}。2017年颁发新基准证书。

历史上共组织了四次较大规模的光谱辐射照度国际比对。1973年, 国际照明委员会(CIE )光辐射度委员会组织了第一次可见波段的光谱辐射照度比对, 采用100 V、 500 W的石英溴钨灯作为传递样品, 在300~800 nm波长范围内选测7个波长点: 300、 350、 400、 500、 600、 700和800 nm。日本电子技术综合研究所ETL是主导实验室, 共有8个实验室参加比对: 东德标准计量与产品检验局ASMW、 日本电子技术综合研究所ETL、 全苏门捷列夫计量科学研究院BHHHM、 美国标准局NBS、 澳大利亚计量研究所NML、 英国物理研究所NPL、 加拿大国家研究院NRC、 西德物理技术研究院PTB。比对结果表明: 各参比实验室之间的一致性为± 4%^[3], 见图1, 图中纵坐标中的KCRV是国际比对参考值(key comparison reference value)的简称。中国没有参加这次比对。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 1973年光谱辐射照度国际比对结果Fig.1 The result of spectral irradiance international comparison in 1973

1990年, 国际计量局BIPM(International bureau of Weights and Measures)光度辐射度咨询委员会CCPR组织了第二次光谱辐射照度国际关键比对, 美国NIST为主导实验室, 共有澳大利亚CSIRO、 日本ETL、 法国INM、 西班牙IOM、 中国NIM、 英国NPL、 南非DPT、 加拿大NRC、 匈牙利OMH、 德国PTB、 俄罗斯VNIIOFI(All-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements)等十二个实验室参加了比对。比对采用三只1 000 W美国FEL卤钨灯作为传递样品, 波长范围250~2 400 nm, 共测量31个波长点, 其中美国NIST、 澳大利亚CSIRO、 日本ETL、 中国NIM、 德国PTB等5个实验室独立复现了全波段量值。比对结果表明: 在紫外和近红外波段, 各参比实验室的发散较大; 在可见波段, 除日本ETL、 法国INM、 南非DPT、 加拿大NRC、 俄罗斯VNIIOFI等5个实验室外, 其余7个参比实验室之间的一致性约为± 1.0%, 见图2。在250~2 500 nm, 我国与国际比对参考值KCRV的平均相对偏差为3.60%。在紫外、 可见和近红外波段, NIM与KCRV的平均相对偏差分别为4.85%、 0.30%和4.00%, 最大发散为12.69%、 0.71%和6.14%^[4]。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 1990年光谱辐射照度国际关键比对结果CCPR-K1.aFig.2 The result of spectral irradiance international key comparison CCPR-K1.a in 1990

2004年, 国际计量局光度辐射度咨询委员会CCPR组织了第三次光谱辐射照度国际关键比对, 英国国家物理实验室NPL是主导实验室, 共有法国BNM-INM、 澳大利亚CSIRO、 芬兰HUT、 西班牙IFA-CSIC、 新西兰MSL-IRL、 中国NIM、 美国NIST、 日本NMIJ、 英国NPL、 加拿大NRC、 德国PTB、 俄罗斯VNIIOFI等十二个实验室参加比对。比对样品为1 000 W FEL卤钨灯, 波长范围250~2 500 nm, 共测量44个波长的数值。包括NIM在内的7个实验室采用高温黑体辐射源独立复现了全波段量值。比对结果表明: 各参比实验室在可见波段的一致性为± 1%, 在紫外和红外波段的一致性为± 2%~± 4%, 见图3。在250~2 500 nm, 我国与国际比对参考值KCRV的平均相对偏差为0.90%。在紫外、 可见和近红外波段, NIM与KCRV的平均相对偏差分别为0.88%、 0.44%和1.11%, 最大发散分别为-1.2%、 -0.9%和-2.1%^{[5, 6]}。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 2004年光谱辐射照度国际关键比对结果CCPR-K1.aFig.3 The result of spectral irradiance international key comparison CCPR-K1.a in 2004

2017年, 国际计量局光度辐射度咨询委员会CCPR组织了第四次光谱辐射照度国际关键比对, 俄罗斯VNIIOFI为主导实验室, 西班牙IO-CSIC、 韩国KRISS、 法国LNE-CNAM、 中国NIM、 美国NIST、 新加坡NMC, A* STAR、 澳大利亚NMIA、 日本NMIJ、 英国NPL、 加拿大NRC、 德国PTB参加了比对, 比对样品为三只1 000 W FEL型卤钨灯。2017年2月比对实验开始, 2019年11月结束。2023年8月发布比对结果的最终报告。

NIM的光谱辐射照度国际比对装置采用光谱辐射照度国家基准装置。装置的原理示意图和照片见图4, 主要由高温黑体辐射源、 高温计、 积分球和成像光学系统、 双光栅单色仪、 探测器、 驱动和信号采集系统、 光路准直系统(水准仪1、 2和激光器1、 2)、 标准灯六维装调平台、 电测系统等组成^{[1, 2]}。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 光谱辐射照度国际比对装置的原理示意图和照片Fig.4 Principle figure and photograph of the comparison apparatus of spectral irradiance

黑体辐射源BB3500M的最高工作温度为3 500 K, 发射率优于0.999 5, 辐射腔体由48个高温热解石墨环组成, 锯齿型腔底结构设计确保温度均匀性和温度稳定性。在3 016 K黑体的温度不稳定性小于± 0.20 K· h^-1, 2 922和2 748 K的腔底的温度不均匀性分别为0.17和0.10 K。采用LP4型光电高温计测量黑体的温度, 测量不确定度0.64 K (k=1), 温度测量溯源至NIM热工所的Pt-C和Re-C固定点黑体, 在3 021 K, 采用WC-C共晶点黑体验证高温计的示值^[7]。

来自高温黑体腔底的等温辐射通过一个精密水冷光阑, 以限定的视场角投射至积分球型入射光学系统, 成像系统以1∶ 1倍率将积分球出口成像至单色仪入射狭缝。经双光栅单色仪分光, 由紫外、 可见、 近红外探测器探测得到黑体的光辐射信号V_{λ , B}。黑体的光谱辐射照度E_{λ , B}可根据式(1)计算

Eλ, B=Ad2ελc1πn2λ51ec2/nλT-1(1)

式(1)中: E_{λ , B}为黑体的光谱辐射照度; A是水冷光阑的面积; d是水冷光阑与积分球入口之间的距离; ε _λ 为黑体的发射率; λ 是真空中的波长; n是空气的折射率; T是高温黑体辐射源的温度; c₁=2π hc²=3.741 771 852× 10^-16 W· m²是第一辐射常数; c₂=hc/k=1.438 776 877× 10⁷ nm· K是第二辐射常数。

几何因子g表示为

g=Ad2(2)

计算光谱比较测量装置的光谱响应度R_λ

Rλ=Vλ, B/Eλ, B(3)

测量黑体的信号V_{λ , B}, 移动实验平台, 使FEL灯位于测量系统的光轴上, 测量灯辐射信号V_{λ , L}, 根据式(4)计算FEL灯的光谱辐射照度E_{λ , L}。

Eλ, L=Vλ, LRλ=Ad2εeffc1πn2λ51ec2/nλT-1Vλ, LVλ, B(4)

采用M207D型双光栅单色仪作为分光设备, 焦距0.67 m, 光栅尺寸110 mm× 110 mm, 刻线为1 800、 1 200和600 g· mm^-1的3对光栅分别用于紫外、 可见和近红外波长范围。采用380、 700、 800、 1 400和2 000 nm二级光谱截止滤光片滤除多级光谱。用低压汞灯校准单色仪的波长, 采用三阶多项式进行波长误差的曲线拟合, 得到任意波长的修正值。在紫外、 可见和近红外波段, 波长误差不超过± 0.04、 ± 0.03和± 0.09 nm^{[7, 8, 9]}。

在黑体出口前设置一个已知面积的精密水冷光阑, 通过光路设计, 确保进入入射光学系统的光辐射全部为来自黑体腔底的等温均匀辐射。采用精密千分尺测量水冷光阑至入射光学系统的距离。光谱辐射比较测量系统的光信号采用低噪声光电倍增管接收, 通过I-V转换由七位半数字电压表显示。水冷光阑面积、 距离、 电压和电阻的测量标准不确定度分别为0.003 m²、 0.3%、 0.011%和1.1× 10^-5 Ω , 量值分别溯源至中国计量科学研究院的面积、 长度、 电压和电阻计量基标准。

在250~400 nm波长范围, 采用光电倍增管作为探测器; 在380~1 100 nm波长范围, 使用Si 探测器; 在800~2 500 nm波长范围, 使用热电制冷型InGaAs探测器(-85 ℃)。为消除环境杂光的影响, 在红外波长范围使用斩波器和锁相放大器, 调制频率226 Hz。

光谱辐射照度量值复现的不确定度来源包括: 黑体/灯信号比的测量重复性、 灯的安装装调、 黑体的温度测量、 黑体腔底的不均匀性、 黑体温度的不稳定性、 发射率、 水冷光阑面积、 灯电流、 测量系统的非线性、 波长、 带宽和杂散辐射^{[7, 8, 9]}。测量不确定度评定结果见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 光谱辐射照度测量不确定度评定(%) Table 1 Measurement uncertainty analysis of spectral irradiance 波长 /nm A类不确定度 B类不确定度 合成标准 不确定度 uc k=1 扩展 不确定度 U(k=2) /% 黑体/灯信 号比的测 量重复性 灯的 装调 黑体的 温度 测量 黑体腔 底的不 均匀性 黑体温 度的不 稳定性 发射 率 水冷 光阑 面积 灯电 流 测量系 统的非 线性 波长 带宽 距离 杂散 辐射 250 0.650 0.500 0.407 0.109 0.128 0.100 0.015 0.140 0.100 0.020 0.046 0.045 0.030 0.95 1.9 260 0.550 0.300 0.391 0.105 0.123 0.100 0.015 0.140 0.100 0.020 0.044 0.045 0.030 0.79 1.6 270 0.500 0.250 0.377 0.101 0.118 0.100 0.015 0.130 0.100 0.020 0.034 0.045 0.030 0.72 1.4 280 0.500 0.250 0.363 0.097 0.114 0.100 0.015 0.130 0.100 0.020 0.028 0.045 0.030 0.71 1.4 290 0.400 0.200 0.351 0.094 0.110 0.100 0.015 0.120 0.100 0.020 0.023 0.045 0.030 0.62 1.2 300 0.300 0.200 0.339 0.091 0.107 0.100 0.015 0.120 0.100 0.020 0.022 0.045 0.030 0.55 1.1 320 0.300 0.200 0.318 0.085 0.100 0.100 0.015 0.110 0.100 0.020 0.019 0.045 0.030 0.53 1.1 340 0.200 0.200 0.299 0.080 0.094 0.100 0.015 0.100 0.100 0.020 0.012 0.045 0.030 0.47 0.9 360 0.200 0.200 0.283 0.075 0.089 0.050 0.015 0.100 0.100 0.020 0.066 0.045 0.030 0.45 0.90 380 0.200 0.200 0.268 0.072 0.084 0.050 0.015 0.090 0.100 0.030 0.049 0.045 0.030 0.44 0.87 400 0.150 0.150 0.254 0.068 0.080 0.050 0.015 0.080 0.100 0.020 0.004 0.045 0.030 0.38 0.76 450 0.150 0.150 0.226 0.060 0.071 0.050 0.015 0.070 0.100 0.010 0.002 0.045 0.030 0.35 0.71 500 0.150 0.150 0.203 0.054 0.064 0.050 0.015 0.060 0.100 0.010 0.001 0.045 0.030 0.34 0.67 555 0.100 0.150 0.183 0.049 0.058 0.050 0.015 0.050 0.100 0.010 0.000 0.045 0.030 0.30 0.60 600 0.100 0.150 0.170 0.045 0.053 0.050 0.015 0.050 0.100 0.010 0.000 0.045 0.030! 0.29 0.58 700 0.100 0.150 0.145 0.039 0.046 0.050 0.015 0.040 0.100 0.010 0.000 0.045 0.030 0.27 0.55 800 0.130 0.150 0.127 0.034 0.040 0.050 0.015 0.030 0.100 0.010 0.000 0.045 0.030 0.27 0.55 900 0.150 0.200 0.113 0.030 0.036 0.050 0.015 0.030 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.31 0.61 1 000 0.150 0.200 0.102 0.027 0.032 0.050 0.015 0.020 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.30 0.60 1 100 0.155 0.200 0.092 0.025 0.029 0.050 0.015 0.020 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.30 0.60 1 300 0.150 0.200 0.078 0.021 0.025 0.050 0.015 0.020 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.29 0.59 1 500 0.200 0.200 0.068 0.018 0.021 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.32 0.64 1 700 0.200 0.200 0.060 0.016 0.019 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.32 0.63 2 000 0.200 0.200 0.051 0.014 0.016 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.31 0.63 2 200 0.300 0.200 0.046 0.012 0.015 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.39 0.77 2 300 0.300 0.300 0.044 0.012 0.014 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.45 0.89 2 400 0.500 0.600 0.042 0.011 0.013 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 0.79 1.6 2 500 0.800 0.900 0.041 0.011 0.013 0.050 0.015 0.010 0.100 0.005 0.000 0.045 0.030 1.21 2.4

表1 光谱辐射照度测量不确定度评定(%) Table 1 Measurement uncertainty analysis of spectral irradiance

2017年开始的光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a采用星型比对方式, 比对顺序为: 参比实验室第一次标定, 主导实验室标定, 参比实验室第二次标定。每个参比实验室需从Gigahertz-Optik公司购置3支1 000 W BN-9101型卤钨灯作为传递标准灯, 照片见图4。比对技术草案规定了光谱辐射照度的测量条件: 电流8.100 A, 灯距500 mm(从灯架前挡板计算, 图5)。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 传递标准灯的照片和距离测量位置Fig.5 Photographs and the position of distance measurement of the transfer standard lamp

比对的波长范围为250~2 500 nm, 共测量28个波长点。比对的实验时间为2017年2月至2019年11月。2020年11月进行相对数据确认, 2022年9月发布比对结果的Draft-A报告, 2023年2月发布Draft-B报告, 2023年8月发布Final报告。

表2为光谱辐射照度国际关键比对结果, 列出了各参比实验室与国际比对参考值KCRV的相对偏差, 最后一行“ 平均偏差” 是将每个波长测量结果与国际参考值KCRV之间的相对偏差取绝对值后再平均, 反映了在250~2 500 nm 共28个波长数据点, 各参比实验室与KCRV的平均相对偏差。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 光谱辐射照度国际关键比对结果CCPR-K1.a (%) Table 2 The result of international key comparison of spectral irradiance CCPR-K1.a (%) 波长 /nm 西班牙 CSIC 韩国 KRISS 法国 LNE 中国 NIM 美国 NIST 新加坡 A* STAR 澳大利亚 NMIA 日本 NMIJ 英国 NPL 加拿大 NRC 德国 PTB 俄罗斯 VNIIOFI 250 3.78 0.30 4.64 0.55 0.10 1.12 1.61 0.19 1.29 0.25 1.14 0.42 260 4.77 0.41 1.2 0.27 0.00 1.01 2.32 0.34 2.05 0.54 1.32 0.29 270 5.42 0.42 0.42 0.03 0.40 0.47 2.37 0.6 2.08 0.67 1.30 0.25 280 4.89 0.11 0.45 0.16 0.07 0.76 1.93 0.61 2.15 0.48 1.05 0.12 290 3.83 0.02 0.34 0.14 0.10 0.79 2.09 0.44 1.58 0.55 1.11 0.24 300 0.88 0.11 0.39 0.01 0.24 0.72 2.21 0.56 1.42 0.48 0.95 0.36 320 0.51 0.32 0.84 0.07 0.19 0.82 2.42 0.42 1.88 0.27 0.81 0.19 340 0.75 0.30 0.75 0.08 0.01 0.64 2.50 0.35 1.69 0.4 0.86 0.32 360 0.86 0.23 0.79 0.00 0.18 0.57 2.34 0.29 1.50 0.48 0.88 0.35 380 0.79 0.27 0.99 0.02 0.24 0.64 2.31 0.34 1.37 0.42 0.84 0.37 400 0.91 0.20 0.94 0.08 0.10 0.51 2.2 1.02 1.29 0.23 0.84 0.20 450 0.98 0.22 0.50 0.32 0.30 0.62 1.48 0.85 0.79 0.15 0.54 0.03 500 0.84 0.17 0.42 0.29 0.33 0.65 1.00 0.83 0.58 0.05 0.48 0.01 555 0.76 0.15 0.44 0.33 0.24 0.49 0.63 0.75 0.57 0.09 0.33 0.01 600 0.83 0.11 0.40 0.33 0.27 0.47 0.44 0.66 0.58 0.08 0.23 0.04 700 1.65 0.03 0.07 0.36 0.17 0.37 0.08 0.52 0.54 0.14 0.13 0.06 800 0.68 0.27 0.44 0.27 0.20 0.51 0.23 0.49 0.63 0.27 0.08 0.07 900 0.26 0.19 0.54 0.27 0.12 0.68 0.63 0.68 0.62 0.41 0.09 0.02 1 000 0.57 0.21 0.61 0.18 0.04 0.61 0.77 0.19 0.58 0.34 0.15 0.05 1 100 0.60 0.15 0.69 0.09 0.18 0.73 1.12 0.18 0.46 0.17 0.22 0.04 1 300 0.10 0.22 1.03 0.06 0.35 0.75 1.18 0.32 0.57 0.49 0.29 0.10 1 500 0.94 0.2 1.01 0.05 0.43 0.82 1.42 0.64 0.58 0.37 0.08 0.06 1 700 7.26 0.38 1.63 0.16 0.33 0.99 1.76 0.74 0.71 0.86 0.18 0.07 2 000 / 0.28 2.46 0.10 0.22 0.95 2.41 1.47 0.52 0.52 0.12 0.03 2 200 / 0.93 3.31 0.24 0.10 1.06 3.11 2.04 0.45 1.81 0.16 0.12 2 300 / 0.41 4.38 0.08 0.07 0.86 4.57 1.71 0.42 0.82 0.08 0.17 2 400 / 0.03 6.84 0.16 0.74 0.84 5.49 2.09 0.41 2.67 0.07 0.10 2 500 / 0.27 7.71 0.16 0.00 1.04 8.62 1.98 1.09 3.43 0.04 0.07 平均偏差/% 1.86 0.25 1.58 0.17 0.20 0.73 2.12 0.76 1.01 0.62 0.51 0.15

表2 光谱辐射照度国际关键比对结果CCPR-K1.a (%) Table 2 The result of international key comparison of spectral irradiance CCPR-K1.a (%)

图6为各参比实验室与国际比对参考值KCRV之间的相对偏差。在300~1 300 nm波长范围, 除英国NPL和澳大利亚NMIA外, 其余10个参比实验室的一致性均在(1%以内; 在250~290和1 500~2 500 nm波长范围, 除西班牙CSIC、 法国LNE、 英国NPL、 澳大利亚NMIA外, 其余实验室的一致性在± 2%以内。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 2017年光谱辐射照度国际关键比对结果CCPR-K1.aFig.6 The result of spectral irradiance international key comparison CCPR-K1.a in 2017

光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a结果表明: 在紫外、 可见和近红外波长范围, 中国NIM与国际比对参考值KCRV的平均相对偏差分别为0.13%、 0.28%和0.15%, 最大相对偏差分别为0.55%、 0.36%和0.27%。在250~2 500 nm全部波长范围内, NIM与KCRV的平均相对偏差为0.17%。与2004年的平均相对偏差0.90%相比, 测量能力有了显著提升, 成为国际上测量水平最好的两个实验室之一。

图7中的三条曲线分别表示在1990年、 2004年、 2017年光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a中, NIM比对结果与当年国际比对参考值KCRV之间的相对偏差。可见, 新一代光谱辐射照度国家基准与国际参考值的一致性非常好, 在250~2 500 nm全波段范围, 平均偏差为0.17%, 最大偏差为0.55%(@250 nm)。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 1990年、 2004年、 2017年NIM与国际参考值之间的相对偏差Fig.7 The relative deviations between NIM and KCRV reported in 1990, 2004 and 2017

采用新研制的第四代光谱辐射照度国家基准装置, NIM参加了光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a。比对结果表明: 除少数实验室外, 在250~290、 300~1 300和1 500~2 500 nm, 各参比实验室的一致性为± 2.0%、 ± 1.0%和± 2.0%。在紫外、 可见和近红外波长范围, NIM与国际比对参考值KCRV的平均相对偏差分别为0.13%、 0.28%和0.15%。在250~2 500 nm全部波长范围的平均相对偏差0.17%。与2004年的平均相对偏差0.90%、 排名第6相比, 我国的光谱辐射照度测量能力有了显著提升, 成为国际上测量水平最好的两个实验室之一。

在比对的相对数据确认阶段, 澳大利亚NMIA发现自己的第二轮数据出现问题, 要求剔除该轮数据。分析原因: 实验过程中高温黑体的辐射腔发生横向位移, 导致空腔壁的辐射进入测量系统。但是NMIA在实验过程中采用光度量进行核验, 没能及时发现问题。英国NPL由于基准装置出现故障, 导致无法完成第二轮标定实验, 最终只提交了第一轮比对数据, 不能实现比对的闭环。在比对的数据处理阶段, 各参比实验室对澳大利亚NMIA和英国NPL的数据能否加入国际比对参考值KCRV产生了争议, 最终决定在比对报告中采用三种计算方法: (1)12个参比实验室全部参加KCRV的计算, 结果列入比对正文, (2)在参考值中排除澳大利亚NMIA的数据, 结果列入比对报告的附录B, 3)在参考值中排除澳大利亚NMIA和英国NPL的数据, 结果列入比对报告的附录C。在第二和第三种算法中, 中国NIM与国际参考值之间的平均相对偏差分别为0.16%和0.13%, 均是与国际参考值最为接近的实验室。