光栅式成像光谱仪相对光谱响应度测试方法

摘要

本发明公开了一种成像光谱仪光谱响应度测试方法，属于光学计量与测试领域。由于光栅式成像光谱仪集成了光学成像系统和光谱分光系统的特征，因此光栅式成像光谱仪光学系统的成像质量及畸变等对成像光谱仪光谱响应度的影响也至关重要，因此只测试CCD光电探测器的光谱响应度远远不能满足成像光谱仪的测试要求。本发明实现了光栅式成像光谱仪光谱响应度的准确测试。该测试方法解决了目前光栅式成像光谱仪的光谱响应度无法准确测试的难题，填补了光栅式成像光谱仪光谱响应度测量领域的空白，其主要优点是操作简单、易于实现。

说明书

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种成像光谱仪光谱响应度 的测试方法，尤其涉及一种光栅式成像光谱仪相对光谱响应度的测试方法。

背景技术

光电探测器在现代光学技术和光学工程中发挥着重要作用。光电探测器 把光辐射转换成电量，其作用是发现信号、测量信号，并为应用提取必须的 信号。光电探测器是成像光谱仪实现光电转换的关键部件，其性能的优劣将 影响整个成像光谱仪的性能。

实际探测器对光辐射的反应都会存在波长选择性，光谱响应度就是指不 同波长处的响应度。探测器的相对光谱响应度有两种基本测量方法：1)比较 法，该方法是把被测探测器与已知光谱响应度的基准探测器比较。该方法需 要一个辐射源、一台单色仪和一个基准探测器；2)滤光器法，该方法是利用 已知光谱功率分布的标准光源和一组已知光谱透射比函数的滤光器进行测 量。

成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感技术的基础上发展起来 的新一代光学遥感器，它能够以高光谱分辨率获取景物和目标的超多谱段图 象，在大气、海洋和陆地观测中正在得到广泛的应用。

由于成像光谱仪是成像技术和光谱技术的有机结合，因此成像光谱仪的校 准和测试，从技术上讲主要包括两大部分：光谱辐射量标定和成像参数标定。 其中，光谱辐射量标定的参数主要有：波长范围、光谱分辨率、相对光谱响 应度及空间均匀性等。国内在90年代初以西安光机所和上海技术物理研究所 为代表开始成像光谱仪的研究和测试，投入了大量的人力和物力开展各类成 像光谱仪的研究和开发工作，但校准测试只涉及辐射度参数几个波长点的测 试。

成像光谱仪根据其分光原理不同，主要有光栅成像光谱仪、渐变滤光成像 光谱仪和声光可调谐成像光谱仪等。从目前的技术发展来看，光栅成像光谱 仪由于技术成熟度高仍然占据着主导地位。

目前光栅式成像光谱仪的相对光谱响应度普遍认为是成像光谱仪内部 CCD光电探测器的光谱响应度，但是由于光栅式成像光谱仪整机系统结合了光 学成像系统和光谱分光系统的特征，光学系统的成像质量及畸变以及分光情 况等对光栅式成像光谱仪相对光谱响应度的影响不可忽略，仅仅以CCD光电 探测器的相对光谱响应度来表示光栅式成像光谱仪整机系统的光谱响应度远 远不能满足成像光谱仪实际测量精度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前光栅式成像光谱仪相对光谱响应 度测试存在的问题，提供了一种能够真实反映光栅式成像光谱仪相对光谱响 应度的测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的光栅式成像光谱仪光谱响应度测试 方法包括以下步骤：

第1步，将积分球标准光源系统、含有一个平面反射镜和一个离轴抛物 面镜的光学准直系统、被测光栅式成像光谱仪放置在光学平台上，其中，平 面反射镜和离轴抛物面镜通过各自的三维可调支架支撑，光栅式成像光谱仪 的输出端通过电缆与内置了测量软件包的计算机相连，所述测量软件包分为 界面模块、存储模块、采集模块和测试模块，界面模块上设置有开始按钮、 结果显示按钮和参数设置栏，存储模块中保存了标准光谱辐射功率表，该表 是在积分球标准光源波长范围内以Δλ为步长所对应的一组标准光谱辐射功 率Ф(λ_t)；

第2步，打开光栅式成像光谱仪和计算机的电源开关，光栅式成像光谱 仪和计算机初始化后，打开积分球标准光源系统的电源开关，按压相应的电 压值调节按钮，使积分球标准光源发出的光辐射信号强度满足测试要求，调 节平面反射镜的三维可调支架，使积分球标准光源发出的光辐射信号均匀地 照射在平面反射镜的中心区域；调节离轴抛物面镜的三维可调支架，使离轴 抛物面镜的焦点与积分球光源系统的中心重合，当积分球光源发出的均匀光 辐射信号经过平面反射镜反射后，通过离轴抛物面镜的准直和扩束，形成大 口径平行出射光束并充满光栅式成像光谱仪的入口；

第3步，通过计算机界面模块的参数设置栏，输入测试所需的波长范围、 波长间隔，然后点击开始测试按钮，计算机采集模块自动采集被测光栅式成 像光谱仪输出的一组电压信号V(x_i，λ_j)并将该组信号存放到存储模块中，其 中i＝1，2，......，n；j＝1，2，......，m，n、m分别对应光栅式成像光谱仪中面阵CCD 探测器n×m像元的行数和列数；

第4步，计算机的测试模块调用存储模块中的测量数据和已知数据并对 测量数据进行以下处理：

4.1根据以下公式计算所述电压信号V(x_i，λ_j)中每个信号所对应的光谱 响应度S(x_i，λ_j)：

$S(x_i,{\lambda }_j)=q·\frac{\Phi (x_i,{\lambda }_j)}{V(x_i,{\lambda }_j)}$

Ф(x_i，λ_j)＝kФ(λ_j)

式中，Ф(λ_j)是积分球标准光源在j点波长上的光谱辐射功率，通过调用标准 光谱辐射功率表获得；Ф(x_i，λ_j)是第i行第j列CCD像元的光谱功率，k为 一个常数，q为测试系统的固定修正因子；

4.2计算机的测试模块按下式对所述光谱响应度S(x_i，λ_j)进行归一化处 理，得到光栅式成像光谱仪的相对光谱响应度R(x_i，λ_j)：

$R(x_i,{\lambda }_j)=\frac{S(x_i,{\lambda }_j)}{S(x_0,{\lambda }_0)}$

上式中，S(x₀，λ₀)为光谱响应度S(x_i，λ_j)中的最大光谱响应度；

第5步，点击计算机界面模块的结果显示按钮，存储模块将所述相对光 谱响应度R(x_i，λ_j)以电子表格形式保存在计算机的存储器中，并根据这组 数据绘制出所述相对光谱响应度R(x_i，λ_j)以x，λ，R为坐标轴的立方体图形。

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。

1)本发明采用光谱辐射功率已知的均匀积分球标准光源，经过光学准直 系统的准直和放大，为光栅式成像光谱仪提供了满足要求的光辐射信号；该 光辐射信号经过光栅式成像光谱仪内部的望远光学系统后，在狭缝上成像， 再通过光栅分光系统将狭缝像成在光栅式成像光谱仪内部的面阵CCD探测器 上，因此，光栅式成像光谱仪内部的面阵CCD探测器接收到的是经过了成像 光谱仪内部的光学成像系统和光栅分光系统后的光辐射信号，结合了光栅式 成像光谱仪的分光特点，该光辐射信号含有光学系统的成像质量和畸变以及 分光情况等对光栅式成像光谱仪相对光谱响应度影响的因素，该方法能够真 实地反映光栅式成像光谱仪实际的相对光谱响应度，能够满足光栅式成像光 谱仪整机系统实际测量精度的要求。

2)本发明主要用于光栅式成像光谱仪相对光谱响应度的准确测试，对于 其他色散型成像光谱仪，由于其原理与光栅式成像光谱仪类似，因此，本发 明还可以对其他色散型成像光谱仪的相对光谱响应度进行测试；本发明操作 简单，通用性强，易于实现。

附图说明

图1是典型的光栅式成像光谱仪结构示意图。

图2是光栅式成像光谱仪相对光谱响应度测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

为了实现光栅式成像光谱仪相对光谱响应度的准确测试，本发明的总体 构思是，选用光谱辐射功率已知的积分球标准光源，该标准光源发出的均匀 光信号经光学准直系统后进入光栅式成像光谱仪，再结合光栅式成像光谱仪 的成像及分光特点，由计算机信号采集与数据处理系统采集光栅式成像光谱 仪的输出信号，进行相应的处理和计算，从而实现光栅式成像光谱仪相对光 谱响应度的准确测试。

根据图1所示，光栅式成像光谱仪一般依次由望远光学系统1′、狭缝2 ′、光栅分光系统3′和面阵CCD探测器4′等组成。进入光栅式成像光谱仪 3的光辐射信号，经内部的望远光学系统1′在狭缝2′上成像，再通过光栅 分光系统3′将狭缝像成在光栅式成像光谱仪内部的面阵CCD探测器4′上， 面阵CCD探测器4′含有n*m个像元，n是面阵CCD探测器4′的行数，m是 面阵CCD探测器4′的列数。狭缝像经光栅分光系统3′色散后，产生n组波 长为λ₁～λ_m的光谱信号，该光谱信号被面阵CCD探测器4′接收，依次转 换为n*m个电压信号V(x_i，λ_j)输出，其中i＝1，2，......，n；j＝1，2，......，m。

本发明光栅式成像光谱仪相对光谱响应度测试方法的具体测试步骤如 下：

第1步：根据图2搭建测试系统。

将积分球标准光源系统1、含有一个平面反射镜和一个离轴抛物面镜的光 学准直系统2和被测光栅式成像光谱仪3放置在光学平台上，其中，平面反 射镜和离轴抛物面镜通过各自的三维可调支架支撑，光栅式成像光谱仪的输 出端通过电缆与计算机信号采集与数据处理系统4相连。

积分球标准光源系统1主要由积分球标准光源及其供电系统组成，积分 球标准光源为高稳定性的卤素灯，并能够在积分球的出口处获得非常均匀的 光斑，提供波长范围为(380nm～2400nm)的连续标准信号；积分球供电系统 带有电压值调节按钮和电压显示窗口和电流显示窗口，当按压电压值调节按 钮时，电压显示窗口和电流显示窗口分别显示与该按钮相对应的电压值和电 流值，并通过选择按压不同的电压值调节按钮，来实现控制和调节积分球输 出信号的强度。

计算机信号采集与数据处理系统4为内置了测量软件包的计算机，测量 软件包分为界面模块、存储模块、采集模块和测试模块。界面模块的功能是 提供测试用界面，该界面上设置有开始按钮、结果显示按钮、退出按钮和参 数设置栏。其中，参数设置栏包括波长范围、波长间隔，波长范围是指被测 光栅式成像光谱仪的初始波长和截止波长，波长间隔是为了减少测试计算量 而设置的且通常取整数，该整数既要满足被测光栅式成像光谱仪的精度要求， 又要不小于被测光栅式成像光谱仪的光谱分辨率；存储模块中保存了标准光 谱辐射功率表，该表是在积分球标准光源波长范围内以Δλ为步长所对应的 一组标准光谱辐射功率Ф(λt)，其中，λ₁＝380nm，λ_t＝2400nm，Δλ＝1nm； 采集模块的功能是采集被测光栅式成像光谱仪的输出信号并保存在存储模块 中；测试模块是对被测光栅式成像光谱仪的输出信号进行相应的处理，得到 光栅式成像光谱仪的相对光谱响应度测试结果。

第2步：调整测量光路。

打开光栅式成像光谱仪3和计算机，光栅式成像光谱仪3和计算机自动 进行初始化，打开积分球标准光源系统1中供电电源的on/off开关，按下相 应电压值调节按钮，该电压值既要保证积分球标准光源输出的光辐射信号有 足够的亮度，又要避免积分球标准光源输出的光辐射信号造成光栅式成像光 谱仪的输出信号发生饱和。调节平面反射镜的三维可调支架，使积分球标准 光源发出的光辐射信号均匀地照射在平面反射镜的中心区域；调节离轴抛物 面镜的三维可调支架，使离轴抛物面镜的焦点与积分球光源系统的中心重合， 当积分球光源发出的均匀光辐射信号经过平面反射镜反射后，通过离轴抛物 面镜的准直和扩束，形成大口径平行出射光束并充满光栅式成像光谱仪的λ 口，该光路构成实际测量光路，此时测量光路调整完成。

第3步：采集测试数据。

首先，通过计算机的界面模块，输入测试所需的测量参数，这些参数包 括波长范围、波长间隔，然后点击开始测试按钮，则计算机的采集模块采集 被测光栅式成像光谱仪输出的一组电压信号V(x_i，λ_j)并将该组信号存放到存 储模块中，其中i＝1，2，......，n；j＝1，2，......，m。

第4步：计算测试结果。

计算机中的测试模块调用存储模块中的测量数据并对测量数据进行以下 处理：

4.1根据以下公式计算一组电压信号V(x_i，λ_j)中每个信号所对应的光谱 响应度S(x_i，λ_j)：

$S(x_i,{\lambda }_j)=q·\frac{\Phi (x_i,{\lambda }_j)}{V(x_i,{\lambda }_j)}$

Ф(x_i，λ_j)＝kФ(λ_j)

式中，Ф(λ_j)是积分球标准光源在j点波长上的光谱辐射功率，可通过标准光 谱辐射功率表获得；Ф(x_i，λ_j)是第i行第j列CCD像元的光谱功率，由于积 分球标准光源是均匀漫射光源，因此每个CCD像元上的光谱功率Ф(x_i，λ_j) 是相等的；k为一个常数，在测试过程中固定不变；q为本发明所用测试系统 的固定修正因子；q和k在计算过程中可以抵消掉而不参与实际运算。

4.2计算机的测试模块按下式对这组光谱响应度S(x_i，λ_j)进行归一化处 理，从而得到光栅式成像光谱仪的相对光谱响应度R(x_i，λ_j)：

$R(x_i,{\lambda }_j)=\frac{S(x_i,{\lambda }_j)}{S(x_0,{\lambda }_0)}$

上式中，S(x₀，λ₀)为光谱响应度S(x_i，λ_j)中的最大光谱响应度。

第5步：显示测试结果。

点击计算机界面模块中的结果显示按钮，计算机将相对光谱响应度测试 结果以电子表格的形式保存在计算机存储器中，并根据这组数据绘制出光栅 式成像光谱仪相对光谱响应度以x，λ，R为坐标轴的立方体图形。