光也有自己的特性！带你了解光谱辐射度国家标准

我国的光谱辐射度国家基准体系分为两个分支：光谱辐射亮度和光谱辐射照度，是光学领域的重要基础量值，也是世界各国计量院独立复现并保存量值的重要基准之一。

其中，光谱辐射照度被国际咨询委员会确定为六项光辐射关键性量值比对参数之一，定期进行国际比对以确保量值的准确可靠。光谱辐射度国家基准为应对气候变化、气象、航空航天、海洋水色测量、材料老化、LED照明、太阳能光伏、光辐射安全、防晒化妆品检测与民众健康、医疗卫生、光电子等领域，提供了最高的光谱辐射度量值溯源标准。

一、光谱辐射亮度、光谱辐射照度国家基准发展史

1975年，中国计量科学研究院建立第一代光谱辐射度国家基准（见图1），波长范围（250~2500）nm，测量不确定度为4.8%~12.4%（k=2）。

1988年进行能力提升，建立第二代基准装置（见图1），采用我国自行设计和研制的倒锥柱型高温黑体作为基准辐射源，最高温度3000K，在2273K时，温度测量不确定度为8.4K（k=2）。采用棱镜光栅单色仪作为分光仪器，波长范围（250~2500）nm，测量不确定度为3.2%~7.8%（k=2）。

2002年进行能力提升，建立第三代基准装置（见图1），采用俄罗斯BB3200pg高温黑体辐射源，倒锥环型石墨腔结构，无窗口工作，最高温度3200K。温度测量溯源至银固定点，在2473K时，温度测量不确定度为1.62K（k=2）。采用焦距为500mm的GDS50-2双光栅单色仪作为分光仪器，波长范围（250~2500）nm，测量不确定度为1.0%~4.2%（k=2）。

图1 第一代、第二代、第三代光谱辐射度国家基准装置

2011年，在中国计量院昌平基地自主研制了第四代基准装置，系统更新率大于95%。采用俄罗斯BB3500M高温黑体辐射源，锯齿型腔底石墨环结构，无窗口工作，最高温度3500K。基准装置的温度测量溯源至Pt-C、Re-C和WC-C高温固定点黑体，在3021 K时， 温度测量不确定度为1.28K（k=2）。采用焦距为667mm的M207D双光栅单色仪作为分光仪器。波长范围从（250~2500） nm扩展至（220~2550）nm，提升了基准装置的各项性能指标， 测量不确定度得到较大改善。在（250~2500）nm波长范围内，测量不确定度改善为0.92%~3.2%（k=2）。

2017年，第四代光谱辐射度系列国家基准及新技术指标第一批通过考核，颁发新基准证书，包括（220~2550）nm光谱辐射亮度和光谱辐射照度基准、（220~2550）nm光谱辐射亮度副基准、（230~2550）nm光谱辐射照度副基准。副基准用于保存和传递基准的量值。

二、第四代光谱辐射度国家基准

第四代光谱辐射度国家基准装置主要由高温黑体辐射源BB3500M、黑体温度反馈系统和供电电源、辐射亮度和辐射照度入射光学系统、温度测量系统、光谱比较测量系统、信号采集与控制系统、标准灯调节和定位系统、传递副基准灯组等组成。基准装置如图2所示。

图2 第四代光谱辐射度国家基准装置

高温黑体辐射源BB3500M的最高工作温度为3500K，发射率优于0.999，采用温度反馈控制系统，30分钟内黑体温度变化小于0.2K。在2748K和2922K时，腔底的最大温差分别为0.10K和0.17K。黑体辐射源的温度测量采用光电高温计，量值直接溯源至中国计量院Pt-C(1737.90℃，U=0.25K，k=1)、Re-C(2473.82℃，U=0.475K，k=1)高温共晶点黑体。采用WC-C高温共晶点测温技术对温度进行验证，在3021K时温度测量不确定度为0.64K（k=1）。使用焦距为667mm的M207D双光栅单色仪作为分光仪器，在220nm~2550nm，采用光电倍增管、Si探测器、InGaAs三个探测器和三块110mm×110mm光栅。在紫外、可见和近红外波段，单色仪的波长误差分别为0.05nm、0.03nm和0.09nm。第四代光谱辐射度国家基准装置的测量不确定度如下表所示：

三、国际比对与互认

1990年，第二代光谱辐射度基准参加了由国际计量局组织的第一次光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a。美国NIST为主导实验室，共有12个实验室参加比对。在紫外、可见和近红外波段，与国际参考值的平均偏离分别为4.9%、0.3%、4.0%。全波段与国际参考值的平均偏离为3.6%，排名国际第9。

2004年，第三代光谱辐射度基准参加了由国际计量局组织的第二次光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a。英国NPL为主导实验室，共有12个实验室参加比对。在紫外、可见和近红外波段与国际参考值的平均偏离分别为0.9%、0.4%、1.1%。全波段与国际参考值的平均偏离为0.9%，排名国际第6。

2013年，第四代光谱辐射度国家基准通过国际同行专家的现场评审，通过光谱辐射亮度、光谱辐射照度共8项国际互认的CMCs测量能力。

2014年，第四代光谱辐射度基准首次参加了光谱辐射亮度亚太比对APMP-PR.S6，韩国KRISS是主导实验室，中国NIM和俄罗斯VNIIOFI参加了比对。在紫外、可见和近红外波段与国际参考值的平均偏离分别为0.59%、0.44%、0.34%。全波段与国际参考值的平均偏离为0.46%。

2015年，组织完成中俄光谱辐射照度双边比对，在紫外、可见和近红外波段与俄罗斯计量院的平均偏离分别为0.28%、0.65%、0.47%。全波段的平均偏离为0.45%。

2017年，参加由国际计量局组织的第三次光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a，俄罗斯VNIIOFI是主导实验室，共有12个实验室参加比对。目前已完成第一轮比对，比对结果尚未发布。

四、应用及服务案例

第四代光谱辐射度国家基准的测量能力大幅提升，扩展了波长范围，改善了测量不确定度，在一定程度上填补了短波紫外光谱辐射度计量基标准的空白，为光生物安全、航空航天等领域提供了溯源标准。通过国际比对，验证了基准的水平，取得国际等效互认，显著提升了我国在光谱辐射度计量领域的国际地位和话语权。

第四代光谱辐射度国家基准广泛应用于对地观测、应对气候变化、航空航天、农业遥感、海洋水色、军事国防、医疗卫生、太阳能光伏、光生物安全、材料光老化、照明显示、化妆品检测等各个领域。协助航天508所、中科院光电院、国家海洋技术中心、中国资源卫星应用中心等建立辐射度行业定标实验室，确保这些领域的溯源需求。

为对地观测领域辐射遥感仪器的实验室、户外和在轨定标提供了直接溯源至黑体的高准确度光谱辐射度量值溯源服务，缩短了量传链，确保定量遥感数据和产品的精准性、可靠性和一致性。

作为中欧龙计划第四期的成员，新基准为全球四大自主定标外场之一的国家高分辨率遥感综合定标场提供了准确可靠的量值溯源，全面提升数据质量，实测数据已代表我国参加NASA全球卫星比对网。协助国家卫星气象中心解决了月球观测仪器高精度定标的迫切需求，大幅改善观测数据与国际的一致性，提升气象遥感在国际上的话语权。为国家气象计量站提供了高精度光谱辐射照度定标服务，测量不确定度减小一半，确保我国紫外和大气臭氧气象观测满足世界气象组织（WMO）规定的S-2类（最高级别）的要求。为国防系统紫外成像增强器辐射灵敏度参数提供计量保障，解决了两个单位测试结果偏离与技术纠纷，最终三套实验方案之间的发散仅为0.78%，为军方项目的顺利执行提供计量支撑，项目组收到了第三方仲裁单位发来的感谢信。

建立SPF人体测试光辐射计量标准，打破了在防晒、美白化妆品的生产和测试中，国外检测实验室的长期技术垄断。国际组织和标准对核心仪器——紫外日光模拟仪提出了严格的光谱匹配上下限要求，需要精准的光辐射计量提供支撑。发现两台新进口的日光模拟仪存在严重的质量问题，协助客户与美国公司进行交涉，最终不合格仪器返厂升级，更新了有缺陷的核心器件，维护了我国用户和消费者的利益。

五、未来基准发展型势

作为光谱辐射度量值溯源的最高源头，基于黑体辐射源的光谱辐射度国家基准的能力提升一直在持续中。2017年研究并建立了短波紫外光谱辐射照度国家基准装置，以氘灯为传递标准，将短波紫外光谱辐射照度的波长扩展至200nm，具备参加国际计量局光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.b的能力。“十三五”期间正在进行的研究包括：研制并建立基于中常温黑体的中远红外光谱辐射亮度国家基准，将基准的波长进一步扩展至（3~14）m；采用国际最前沿的大口径高温共晶点WC-C黑体技术，直接复现光谱辐射照度量值，进一步改善基准的测量不确定度。

作为基于辐射源基准的重要分支，基于探测器的光谱辐射照度国家基准也在研制中，量值直接溯源至低温辐射计和可调谐激光器，实现0.1%的测量不确定度。

本文刊发于《中国计量》杂志2019年第4期

原标题：光谱辐射度国家基准简介及服务案例

作者：中国计量院 代彩红 吴志峰 王彦飞 李玲转载自“计量资讯速递”公众号，如有侵权、立删！