一种大口径辐射计的光谱响应度测量装置及方法

摘要

本发明涉及光学计量测试领域，具体涉及一种大口径辐射计的光谱响应度测量装置及方法，采用单色仪产生单色光，再入射到小口径积分球，最后由准直系统进行扩束后产生大口径均匀单色平行光，利用小口径光束扫描探测法，实现大口径辐射计的光谱响应度测量。与现有技术相比，采用小口径光束扫描探测法，可以实现大口径辐射计的绝对光谱响应度测量，同时基于建立的标准大口径辐射计，利用比对法实现被测大口径辐射计光谱响应度的测量，使得测量过程简单，实验方便，大大减少测量时间。

说明书

技术领域

本发明涉及光学计量测试领域，具体涉及一种大口径辐射计的光谱响应度测量装置及方法。

背景技术

光谱响应测量主要用于测量光电探测器或光电仪器的某个波段的光谱响应曲线，判断光谱响应曲线是否满足用户要求，并在将实际光谱响应曲线用于数据反演和目标判别。整机系统光谱响应特征是光电仪器最重要的特性之一，综合反映仪器的探测能力。

空间光学相机是空间光学遥感技术领域重要的光电载荷之一，它可以搭载在各种飞行器上，在可见光到短波红外不受疆域的限制从空中对军事设施、战略武器的发展、冲突和危机地区的军事态势变化进行拍照监测。空间光学相机也可广泛应用于精确制图、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测和地理信息服务等民用领域，促进国民经济的发展。空间光学定标装置中采用与相机口径匹配的大口径辐射计实现对相机光谱响应度的定标，而目前国内的空间光学相机研制单位采用分项溯源的办法解决大口径光谱辐射计的量值溯源，即通过对探测器光谱响应度校准和光学系统反射率(或透过率)分别进行校准来计算大口径的光谱辐射计的光谱响应度，这种分项溯源的方法增加了大口径辐射计光谱响应度的测量不确定度。

光电仪器系统的相对光谱响应有两种方法获得，分项测量计算法和实测法。分项测量计算法指按照波长将系统中信号光经过的各光学零件(含反射镜、透镜、窗口)和探测器的光谱响应进行独立测量，再逐个相乘，然后归一化得到系统的相对光谱响应。它的优点是理论性强，算法简便。但无论是反射镜还是透镜，计算时输入的数据大多采用正入射时的数据。这种方法未考虑全口径实际情况下，由于入射角度不同，带来不同波长在实际透过率和实际反射率上的差异，也未考虑光学系统偏振、杂散光等因素的实际影响。而实测系统的光谱响应恰恰能弥补这个不足，得到光谱响应的真实值。但是，目前在大口径辐射计光谱响应度测量方法中，主要采用分项测量计算的办法得到大口径光谱辐射计的光谱响应度。虽然现有技术给出了一种整机光谱响应测试方法，但是没有解决辅助光学系统的影响问题，同时只能测量相对光谱响应度。

发明内容

目前在大口径辐射计光谱响应度测量方法中，主要采用分项测量计算的办法得到大口径光谱辐射计的光谱响应度。这种方法未考虑实际全口径情况下，由于入射角度不同，带来不同波长在实际透过率和实际反射率上的差异，也未考虑光学系统偏振、装调、杂散光等因素的实际影响。根据现有技术的不足，本发明提供了一种大口径辐射计的光谱响应度测量装置，用于测量待测大口径辐射计(6)，包括大口径单色平行光源(1)、光束扫描探测装置(2)、标准大口径辐射计(3)、电动平移台(4)、处理计算机(5)；

所述的大口径单色平行光源(1)用于输出大口径单色平行光束，大口径单色平行光束通过光束扫描探测装置(2)后，再通过平行安装在电动平移台(4)上的标准大口径辐射计(3)或待测大口径辐射计(6)；

所述的光束扫描探测装置(2)用于测量所述大口径单色平行光束的光功率；

所述的光束扫描探测装置(2)、标准大口径辐射计(3)、待测大口径辐射计(6)的输出端与所述处理计算机(5)的输入端相连，所述处理计算机(5)用于计算所述标准大口径辐射计(3)和所述待测大口径辐射计(6)的光谱响应度；

所述标准大口径辐射计(3)的光谱响应度测量结果用于为所述待测大口径辐射计(6)的光谱响应度测量结果提供比对标准；

所述的电动平移台(4)用于移动所述标准大口径辐射计(3)和所述待测大口径辐射计(6)的位置。

作为优选，所述大口径单色平行光源(1)由卤钨灯光源(11)、聚焦系统(12)、滤光系统(13)、单色仪(14)、积分球(15)和准直系统(16)组成；卤钨灯光源(11)出射光束经聚焦系统(12)会聚后，进入单色仪(14)入缝，所述聚焦系统(12)的F数与所述单色仪(14)光学系统的F数匹配；入射光束经过单色仪(14)分光后，经过单色仪(14)出缝入射到一个小口径积分球(15)；所述积分球(15)的出口位于准直系统(16)的焦点处，经准直系统(16)进行扩束后转换为大口径平行光，所述准直系统(16)的F数与所述单色仪(14)光学系统的F数匹配。

作为优选，所述单色仪(14)入缝前设置有滤光系统(13)。

作为优选，所述光束扫描探测装置(2)由光阑(21)、标准探测器(22)及电控三维位移台(23)组成；所述光阑(21)位于标准探测器(22)前，用于限制测试光束的大小；所述标准探测器探测得到经过光阑后的小口径平行光束的光功率；所述电控三维位移台(23)用于控制光阑(21)和标准探测器(22)的位置，其行程取决于扫描的路径长度，即大口径平行光源(1)出射光束的口径。

作为优选，所述标准探测器(22)可单独移出光路。

作为优选，所述光阑(21)根据待测大口径辐射计(6)的通光口径大小选择。

一种大口径辐射计的光谱响应度测量方法，使用上述大口径辐射计的光谱响应度测量装置进行测量，包括如下步骤：

S1:测量大口径单色平行光源(1)出射光束的光功率；

S2：测量标准大口径辐射计(3)输出信号；

S3：测量计算得到标准大口径辐射计(3)的小口径平行光束照明下的光谱响应度；

S4：调整光束扫描探测装置(2)的位置，测量标准大口径辐射计(3)通光口径范围内其它位置处的光谱响应度；

S5：计算得到标准大口径辐射计(3)的全口径光谱响应度；

S6：测量计算待测大口径辐射计(6)光谱响应度。

作为优选，上述步骤S2、S3、S4和S5在首次使用后可省略，在使用一段时间后需再次进行。

本发明的大口径辐射计的光谱响应度测量装置及方法，具有如下优点：

(1)采用小口径光束扫描探测法，可以实现大口径辐射计的绝对光谱响应度测量；

(2)克服了分项测量计算法难以评价光学系统装调、杂散光等影响；

(3)通过建立一套标准大口径辐射计，利用比对法实现被测大口径辐射计的测量，实现一种测量简单、方便的大口径辐射计光谱响应度测量方法。

附图说明

图1为本发明的对标准大口径辐射计进行测量的装置结构示意图；

图2为本发明的对待测大口径辐射计进行测量的装置结构示意图；

图3为本发明的大口径单色平行光源的结构示意图；

图4为本发明的光束扫描探测装置的结构示意图；

图5为本发明的光束扫描探测装置进行光束扫描时的扫描过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

实施例1：

如图1、2所示，本实施例的大口径辐射计的光谱响应度测量装置，用于测量待测大口径辐射计6，包括大口径单色平行光源1、光束扫描探测装置2、标准大口径辐射计3、电动平移台4、处理计算机5。

大口径单色平行光源1用于输出大口径单色平行光束，大口径单色平行光束通过光束扫描探测装置2后，再通过平行安装在电动平移台4上的标准大口径辐射计3或待测大口径辐射计6。

光束扫描探测装置2用于测量所述大口径单色平行光束的光功率。

光束扫描探测装置2、标准大口径辐射计3、待测大口径辐射计6的输出端与处理计算机5的输入端相连，处理计算机5用于计算标准大口径辐射计3和待测大口径辐射计6的光谱响应度。

标准大口径辐射计3的光谱响应度测量结果用于为所述待测大口径辐射计6的光谱响应度测量结果提供比对标准。

电动平移台4用于移动标准大口径辐射计3和待测大口径辐射计6的位置。

实施例2：

如图3所示，在实施例1的基础上，本实施例中的大口径单色平行光源1由卤钨灯光源11、聚焦系统12、滤光系统13、单色仪14、积分球15和准直系统16组成。

卤钨灯光源11出射光束经聚焦系统12会聚后，进入单色仪14入缝，聚焦系统12的F数与所述单色仪14光学系统的F数匹配，使单色仪性能最佳。

入射光束经过单色仪14分光后，经过单色仪14出缝入射到一个小口径积分球15，可以提高出射光束的均匀性。

积分球15的出口位于准直系统16的焦点处，经准直系统16进行扩束后转换为大口径平行光，所述准直系统16的F数与所述单色仪14光学系统的F数匹配。

单色仪14入缝前设置有滤光系统13，可以控制透过光束的波段范围减少单色仪多级衍射的影响。

其中，单色仪采用C-T结构设计，光谱范围为400nm～1000nm，光谱分辨率为0.2nm，波长精度为2nm，光学系统F数为4，积分球内径为50mm，开口直径最大为10mm，后置准直系统焦距为1200mm，有效口径为300mm。

实施例3：

如图4所示，在实施例1或2的基础上，本实施例中的光束扫描探测装置2由光阑21、标准探测器22及电控三维位移台23组成。

光阑21位于标准探测器22前，用于限制测试光束的大小；标准探测器探测得到经过光阑后的小口径平行光束的光功率。

电控三维位移台23用于控制光阑21和标准探测器22的位置，其行程取决于扫描的路径长度，即大口径平行光源1出射光束的口径。

其中，标准探测器22可单独移出光路，光阑21根据待测大口径辐射计6的通光口径大小选择。光阑通光口径为D＝10mm，标准探测器采用滨松光电二极管，型号为S2281，电控三维位移台的水平和垂直方向量程范围为400mm，分辨率为5μm。

实施例4：

在实施例1或2或3的基础上，本实施例中的标准大口径辐射计设计，采用卡式结构设计，光谱范围为400nm～1100nm，有效通光口径大于300mm，焦距为1500mm，视场为0.4°。

实施例5：

本实施例为大口径辐射计的光谱响应度测量方法，使用实施例1-4中任一项所述的大口径辐射计的光谱响应度测量装置进行测量，包括如下步骤：

步骤一：测量大口径单色平行光源1出射光束的光功率；

如图1所示，调整光路，打开卤钨灯光源电源11，设置单色仪14的输出波长及光谱分辨率，将光束扫描探测装置2置于出射平行光束的正前方；如图4所示，调整光束扫描探测装置2，使平行光束垂直通过光阑21，处理计算机5控制标准探测器22探测得到经过光阑21后的小口径平行光束的光功率为

步骤二：测量标准大口径辐射计3输出信号；

调整光束扫描探测装置2中标准探测器22使其移出光路，此时经过光阑21后的小口径平行光束入射到标准大口径辐射计3，保证同步骤一中的光束口径和位置相同，处理计算机5控制记录标准大口径辐射计3的输出信号S₂(λ)。

步骤三：测量计算得到标准大口径辐射计3的小口径平行光束照明下的光谱响应度；

根据步骤一和步骤二，可以计算得到小口径平行光束照明情况下的标准大口径辐射计3的光谱响应度为

步骤四：调整光束扫描探测装置2的位置，测量标准大口径辐射计3通光口径范围内其它位置处的光谱响应度。

扫描过程如图5所示：光束扫描探测装置2中电控三维平移台23的位置的调整路径为，使测试光束的投影从光束扫描探测装置2的左上角开始，按照水平向右移动至最右、下移一行、再水平向左移动至最左、再下移一行的顺序重复，直至测试光束的投影移动至光束扫描探测装置2的右下角。

调整光束扫描探测装置2中电控三维平移台23的位置，重复步骤一、步骤二、步骤三，得到标准大口径辐射计3通光口径范围内其它位置处的光谱响应度

步骤五：计算得到标准大口径辐射计3的全口径光谱响应度；

公式中ρ为权重因子，N为总的测量点数。

步骤六：测量并计算待测大口径辐射计6光谱响应度；

按图2所示重新调整测试光路，根据待测大口径辐射计6的工作波段范围及测试要求，设置单色仪14的输出波长及光谱分辨率，将标准大口径辐射计3置于出射平行光束正前方，调整标准大口径辐射计3，使其光轴与大口径单色光源1的出射平行光束一致，处理计算机5控制记录标准大口径辐射计3的输出信号S_t(λ)。

电动平移台4控制待测大口径辐射计6移入光路，调整后记录待测大口径辐射计6的输出信号S_m(λ)。

则待测大口径辐射计6的光谱响应度为

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。

应当理解的是，本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。