光谱辐射计量及其应用

作者：代彩红
单位：中国计量科学研究院

一、光谱辐射度计量简介

物体发出辐射主要有两种形式:一种是热辐射;另一种是光辐射。任何物体都会发射热辐射。温度低的物体，发出看不见的红外辐射，随着温度的升高，物体发出的辐射在短波方向加强，逐渐主现暗红、偏黄和白色。光辐射是依靠非热激发方式来维持辐射的，如电致发光、光致发光和化学发光等。

光谱辐射度学是有关光辐射的测量理论和技术的一门学科。光辐射度计量则是提供辐射测量的计量标准、测量技术，并进行量值传递。光辐射度计量所涉及的波长范围从X 射线、真空紫外、紫外、可见至红外辐射。

光谱辐射度量分为两类: 一是描述复合辐射的量，称为辐射亮度和辐射照度。由于黑体又称为全辐射体，故黑体的亮度又称为全辐辐射体，故黑体的亮度又称为全辐射亮度。黑体辐射建立的照皮又称为全辐射照度。另一类是描述光谱辐射的量如辐射亮度的光谱密集度(对于具有连续光谱的复合辐射)和单色辐射亮度(对于具有线光谱的辐射) ，测量结果往往表示为辐射亮度的光谱密集度按波长的分布，简称或总称为光谱辐射亮度。

光谱辐射度计量标准有两种类型:一种是基标准辐射源(如不同温度的黑体辐射源、同步加速器辐射、壁稳气体电弧辐射等多种标准辐射源) 。主要用于标定同类辐射源的辐射亮度、辐射照度、黑体炉和材料的发射率，校准辐射温度计、辐射亮度计和辐射照度计。另一种是基标准辐射计，如常温和低温电校准辐射计、自校准硅二极管等。

我国的光谱辐射度计量基准体系有两个分支: 光谱辐射亮度和光谱辐射照度，分别是辐射亮度和辐射照度的光谱密集度随波长分布的总称，是光学领域的两个重要参量，是光学计量领域独立复观的重要基准之一。光谱辐射照度是因际计量委员会光度辐射度咨询委员会(CCPR) 确定的国际关键比对项目之一。我国的光谱辐射亮度和光谱辐射照度国家基准装直建于1975 年。1989 年完成基准装直第一次技术改造，参加了1990 年光谱辐射照度国际关键比对。可见波段与国际参考值的一致性很好，符合在0.80% 以内，紫外波段和近红外波段的发散分别为12.69% 和6.14% 。针对存在的问题， 2000 年对基准进行第二次技术改造，参加2004 年光谱辐射照度国际关键比对，在紫外和可见波段与国际参考值的最大发散分别改善为1.2% 和2.1% ，达到国际先进水平，同时取得光谱辐射度的国际等效(即国际公认) 。2011 年完成基准装直的第二次能力提升，基于新的黑体辐射源、BB3500M 和温度反馈控制系统，研究并建立第四代光谱辐射度国家基准装直。将光谱辐射亮度和光谱辐射照度的波长测量范围分别扩展至(230~2550) 纳米和(220~2550) 纳米，提升了基准装直的各项性能指标，测量不确定度得到较大改善。

紫外辐射度计量是光辐射度计量的一个重要分支。紫外辐射是指波长范围在(100~400) 纳米的光辐射，一般把(100~280) 纳米称做UVC ，把(280-315) 纳米称做UVB ，把(315-400) 纳米称做UVA 。

我国的紫外辐射照度工作基准建立于1989 年，是一切紫外辐射度量值溯源的最高标准。2006年进行技术改造和能力升级，建立高准确度、宽波段、多元化紫外辐射度计量标准和量传体系，满足了更多应用领域的计量需求。2005年参加紫外辐射照度亚太比对，取得两项参数第一的好成绩。紫外辐射度量值取得国际等效性。

紫外辐射照度计是最常用的测量紫外辐射强弱的仪器， 操作简单、成本低廉， 一般由余弦浸射器、紫外带通滤光片、紫敏探测器和显示仪表组成。由于工艺水平的限制，导致该类仪器存在光谱依赖性缺陷，在使用时应注意。

二、光谱辐射度计量的应用

光谱辐射度计量为应对气候变化、气象、航空航天、遥感、海洋水色测量、材料老化、照明、LED 、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准确可靠的光谱辐射度计量溯源标准。典型应用如下:

1.应对气候变化、气象研究应用：为太阳光谱辐射度的研究与长期监测仪器提供光谱辐射照度、紫外辐射照度量值的溯源标准。

2.航空航天领域：为资源卫星和多光谱成像系统提供光谱辐射度标定服务。

3.太阳能光伏领域：为太阳模拟器的光谱匹配、模拟器分级提供光谱辐射度量值溯源标准; 为光伏器件的老化测量提供紫外辐射度的计量标准。

4.LED 照明应用：光谱辐射度的准确测量、光辐射安全的测量与评估。

5.海洋水色研究领域：为海洋水色测量仪器一一高光谱辐射亮度和光谱辐射照度定标服务， 分析实际测量与遥感监测的等效性。

6.地物遥感：为地物遥感用光谱辐射亮度计提供光谱辐射亮度的准确定标服务。

7.材料老化：为人工气候老化试验箱体的光谱辐射度测量提供量值溯源服务。

8.医疗卫生：准确测量紫外消毒与保健光源的辐射照度，确保消毒杀菌的效果。

9.光辐射安全评价:目前各种光源类产品和仪器的光辐射安全重要性已被广泛认知。2009 年年初， 欧盟通过WTO 向中国等国家通报了欧盟32 号新的环保指令要求， 其中对LED 、CFL 节能灯等产品提出了明确的光辐射安全要求， 并且要求执行IEC62471 标准。与光辐射安全相关的国际国内标准己颁布并被广泛采用。光谱辐射度计量是确保光辐射安全测量结果的正确与国际等效性的重要保障。

10.光污染测量：建立环境光污染的计量标准和量值溯源休系，研究光污染的产生原因，准确测量和评价方法、光污染测量仪器的性能指标对测量结果的影响， 仪器的量值溯源等问题。光谱辐射度计量是进行光污染测量和评价的基础。光污染是继水污染、大气污染、噪声污染、团体废物污染之后的第五大污染，是2 1 世纪直接影响人类健康的又一环境杀手。光污染问题逐渐受到我国照明产品的科研与设计人员、政府管理部门和广大消费者的重视。

11.防晒化妆品检测:紫外线目光模拟仪的光谱辐射度匹配COLIPA 测试以及UVA 、UVA+B辐射照度的量值溯源。

年来，紫外辐射的应用呈急速上升趋势。在气候变化、太阳能光伏、饮用水的紫外处理、材料老化、医疗卫生、无损探伤、紫外因化、光刻、光辐射安全等领域中应用广泛。紫外辐射是一把双刃剑，在造福人类的同时， 如果使用不当，会威胁人类的生命健康。紫外辐射可直接破坏生物DNA 结构，诱发突变而形成皮肤癌，紫外辐射还可以损坏人类免疫系统，诱发一系列光敏感性皮肤病，诱导皮肤光老化等。
目前，紫外辐射度计量的主要应用如下:

1.医疗卫生、公共场所、药物消毒杀菌:紫外杀茵的辐射度测量与溯源(UVC 波段) 。

2.饮用水净化处理: 紫外消毒杀茵是目前饮用水处理的安全有效方法， 如TOC 总有机碳的含量降解、臭氧和氯接分解、脱氯处理等应用中的紫外辐射度测量与量值溯源(UVC 波段) 。

3 . 无损检测:大型设备(如飞机、火车)裂痕的无损检测与量值溯源(UVA 波段) 。

4. 光刻、印刷等紫外因化领域:采用高强紫外光源进行紫外固化，紫外辐射的监测与量值溯源(UVA 、UVB 波段) 。

5 . 紫外辐射治疗与保健: 紫外照射补钙、保健、治疗皮肤病等的准确测量与量值溯源(UVB 波段) 。

6. 太阳紫外的防护: 太阳紫外UVA 、UVB 辐射照度的测量与量值溯源(UVA 、UVB 波段) 。

7. 紫外灭虫:餐厅、饭店等紫外灭蚊灯(UVA 波段) 。