CN100567916C - 星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于空间光谱仪器星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，包括一水平放置的准直光源；第一转台安装在试验平台上，第二转台固定在第一转台上，第三转台安装在第二转台上；样品架由支撑杆和样品安装板组成，支撑杆一端固定在第三转台上，另一端固定样品安装板；镜筒内固定有聚光透镜；光纤束的一端放置在聚光透镜焦点处，另一端放置在单色仪入射狭缝处；单色仪放置在试验平台上，由计算机控制；测量信号由光电探测器接收。通过单色仪的波长扫描，即可获得某一入射角漫反射板反射光的光谱曲线。通过第一转台和第二转台的有序转动完成对漫反射板不同入射角反射光谱强度的测量，经处理后即为漫反射板的角反射特性值。

Description

星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统

技术领域

本发明涉及光谱仪器辐射定标领域，特别是涉及应用于空间光谱仪器星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统。

背景技术

漫反射板是光谱仪器辐射定标中的重要光学元件。特别是在卫星上的紫外和可见波段多采用漫反射板将稳定的光源，如太阳光，引入光谱仪器的光路中对光谱仪器进行辐射定标，监测光谱仪器的变化情况，用来校准测量结果。考虑到一年四季太阳在黄道上的运动，太阳光对星上漫反射板的照射角度在不断变化，因此，漫反射板光谱角反射特性的测量是对紫外和可见波段星载仪器定标的重要方面。

目前的漫反射板光谱角反射特性测量装置可分为两类：

一类是将光源变成平行光后直接照射在安装于两维转台上的漫反射板上，利用带有干涉滤光片的探测器测量漫反射板的反射光，转动两维转台，即可获得干涉滤光片透射波长的漫反射板角反射率特性。该装置的优点是结构简单，杂散光影响较小；缺点是测量波长受干涉滤光片透射中心波长的限制，每次只能进行单一光谱波长漫反射板角反射特性的测量。即使采用多个探测器也只能进行少数几个分离波长的测量，而且这也加重了转动部件的重量，使测量系统变得复杂。

为克服上述缺点，使测量系统可获得较宽光谱范围内，漫反射板的角反射特性，目前采用的另一类漫反射板光谱角反射特性测量装置是将连续光源发出的光经聚光镜聚焦到单色仪的入射狭缝上，单色仪将连续光源发出的光分光，从单色仪出射狭缝的输出即为所要求光谱分辨率的单色光，此单色光经准直光学部件准直后变成平行光照射在安装于两维转台上的待测漫反射板上，同样由两维转台的转动，即可获得单色仪输出波长漫反射板的角反射特性。扫描单色仪的色散元件，可改变单色仪输出波长，从而可获得设计光谱范围内漫反射板的光谱角反射特性。(参考文献：E.Renotte，A.Novi，D.Labate，M.Melozzi，C.Giunti，R.Meynart，“Solar diffuser pre-flight calibration set-up”SPIE 1997，vol.2957，355-372的Fig.3)该装置的优点是克服了上述滤光片装置只能进行单波长测量的缺点，可以获得较宽光谱范围内不同波长的角反射特性。缺点是光源经过分光、多次反射和折射变成平行光照射在漫反射板上，已经变得很微弱，必须对照射在漫反射板上的杂散光严格控制。这增加了系统的复杂性；否则由于外部杂散光的干扰，将会大大降低测量精度。

发明内容

本发明的目的在于：为解决已有技术中测量漫反射板光谱角反射特性，利用干涉滤光片的方法仅能进行单波长测量的缺陷，并解决利用单色仪分光方法的杂散光干扰的问题，从而提供一种利用光纤传输的、由准直光源、样品架、转动部件、聚光部件、单色仪和光电探测器组成的应用于空间光谱仪器星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的应用于空间光谱仪器星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，包括一用于产生平行光束的准直光源、样品架、转动部件、用于接收反射光的聚光部件6、单色仪8和光电探测器9；其特征在于，还包括支撑杆4、样品安装板5、光纤束7和安装板10；其中，

所述的准直光源由准直镜2-1、氘灯2-2和氘灯电源2-3组成，所述的氘灯2-2设置在样品架上的待测漫反射板的对面；其中所述的氘灯2-2和所述的氘灯电源2-3电连接，所述的准直镜2-1设置在所述的氘灯2-2输出的光路上；准直光源水平放置在试验平台11上、其中心高度与待测漫反射板中心高度一致，保证待测漫反射板处于准直光源发出的平行光束的中心；准直光源的光轴垂直于第一转台1转轴和第二转台2转轴形成的平面；在测量过程中，准直光源输出光的方向保持固定不变；

所述的样品架由支撑杆4和样品安装板5组成，其中支撑杆4为一根圆柱，一端固定在第三转台3中心转轴处，且第三转台3的转轴通过支撑杆4的中心线；支撑杆4的另一端上固定一用于安装待测漫反射板的样品安装板5；样品架的设计应保证第三转台的转轴通过待测漫反射板的前表面、且第一转台转轴和第二转台转轴的交点处于待测漫反射板前表面的中心位置；

所述的转动部件是由一用于实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的一维转动的第一转台1、一用于实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的另一维转动的第二转台2，和一用于设定待测漫反射板的反射角度的第三转台3组成；其中，所述的第一转台1采用TS160A手动转台，安装在试验平台11上；所述的第二转台2采用RSA100型电动转台，由步进电机驱动，该第二转台2通过安装板10固定在第一转台1上，且第二转台2的转轴垂直于第一转台1的转轴；所述的第三转台3安装在第二转台2上，其转轴与第二转台2的转轴同轴；

所述的聚光部件6由聚光透镜和镜筒组成，所述的镜筒为圆筒形，镜筒内部靠样品安装板5的一端固定有聚光透镜，聚光透镜为JGS1石英透镜；所述的聚光部件6固定在第二转台2上，由第二转台2带动转动，聚光部件6的光轴通过待测漫反射板前表面的中心、且与第二转台2的转轴垂直；

所述的光纤束7由50-60条石英光纤组成，该光纤束7圆形的一端放置在聚光部件6镜筒内，聚光透镜的焦点处，光纤束7长方形的另一端放置在单色仪8的入射狭缝处、紧贴单色仪8的入射狭缝；

所述的单色仪8由计算机控制，放置在试验平台11上，所述的光电探测器9采用R928光电倍增管，放置在单色仪8的出射狭缝后、紧贴出射狭缝处，且固定在单色仪8上；所述的光纤束7将接收的待测漫反射板反射光辐射传送到单色仪8的入射狭缝，到达入射狭缝的光辐射经单色仪8分光后，由光电探测器9接收、转换成电信号，通过单色仪的波长扫描，即可获得某一入射角漫反射板反射光的光谱曲线。通过第一转台和第二转台的有序转动完成对漫反射板不同入射角的光谱反射光强度的测量。这些测量值经处理后即为漫反射板的角反射特性值。

在上述的技术方案中，为减轻转动部件的重量，聚光透镜口径应选取尽量小、但又使光电探测器能接收适当的信号强度，保证探测信号有适当的信噪比。所述的聚光透镜为JGS1石英透镜，并且聚光透镜的焦距一般选取使待测漫反射板反射光的测量视场小于1°，保证测量系统有足够的角分辨率或根据使用的实际情况选取。

在上述的技术方案中，所述的光纤束(7)中每一根光纤的直径为φ0.2mm；所述的光纤束7一端为直径φ1.7mm的圆形；另一端为0.76mm×3mm的长方形。

在上述的技术方案中，所述的单色仪8采用法国JY公司生产的TRAIX320型单色仪，焦距为320mm，光栅刻线为1200g/mm，单色仪的工作波长范围200-1500nm。

在上述的技术方案中，所述的准直镜2-1采用JGS1石英透镜，最大口径为100mm，焦距250mm.

在上述的技术方案中，所述的氘灯2-2采用日本滨凇公司生产的LD2000型氘灯。

在上述的技术方案中，所述的氘灯电源2-3采用日本滨凇公司生产的LD2000氘灯配套电源。

在上述的技术方案中，所述的光电探测器9采用R928光电倍增管。

本发明的积极效果：本发明由于用未分光的准直光源直接照射漫反射板，照射在漫反射板的光辐射未经单色仪衰减，照射在漫反射板的光辐射较强，减小了杂散光对测量结果的影响；而采用光纤耦合，使在测试过程中单色仪和探测器放置在试验台上不动，只有光纤束的一端随转台转动，减轻了转动部件的重量，使转动装置小型、轻便。该系统不但实现了光谱角反射特性的测量、减小了杂散光对测量结果的影响，而且由于光电探测器也不需要转动，与只能进行单波长测量的干涉滤光片式测量系统相比，该系统也更轻便。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1本发明测量系统的组成示意图

图2本发明测量系统中的准直光源部分组成示意图

1----第一转台    2----第二转台      3----第三转台

4----支撑杆      5----样品安装板    6----聚光部件

7----光纤束      8----单色仪        9----光电探测器

10---安装板      11----试验平台     2-1----准直镜

2-2----氘灯      2-3氘灯电源

具体实施方式

本发明如图1和图2所示。本系统由两维转动部件、样品架、聚光部件6、光纤束7、单色仪8、光电探测器9、安装板10和准直光源组成。两维转动系统包括第一转台1，第二转台2，第三转台3。样品架由支撑杆4和样品安装板5组成。准直光源位于图1的垂直图面方向，在图1中未划出；其组成如图2所示，包括准直镜2-1，氘灯2-2和氘灯电源2-3。

两维转动部件用于实现待测漫反射板相对于来自准直光源平行照射光束的两维转动和待测漫反射板反射角的设定。其中，第一转台1采用TS160A手动转台，分度误差优于2′，安装在试验平台11上，用于实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的一维转动，即入射角在α角方向的变化。

第二转台2采用RSA100型电动转台，由细分的步进电机驱动，分度误差优于5′。第二转台2通过安装板固定在第一转台1上，使第二转台2可绕第一转台1转轴转动、且第二转台2的转轴垂直于第一转台1的转轴。通过第二转台2的转动实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的另一维转动，即入射角在β角方向的变化。

第三转台3安装在第二转台2上，其转轴与第二转台2的转轴同轴，由第二转台2带动转动，用于设定待测漫反射板的反射角度。第三转台在测量过程中不转动，保持待测漫反射板反射角在测量过程中固定不变。

支撑杆4为一根圆柱形的杆，其一端固定在第三转台3上，且支撑杆4的轴线通过第三转台3的转轴；支撑杆4的另一端用于固定样品安装板5，样品安装板5用于安装待测漫反射板。支撑杆4和样品安装板5的设计保证第三转台3的转轴位于待测漫反射板的前表面、且第一转台1转轴和第二转台2转轴的交点处于待测漫反射板前表面的中心位置。

用于接收散射光的聚光部件6固定在第二转台2上，由第二转台2带动转动。聚光部件6由聚光透镜和镜筒组成，聚光透镜的光轴通过待测漫反射板前表面的中心、且与第二转台2的转轴垂直。聚光部件6的镜筒为圆筒，镜筒内部靠样品安装板5的一端固定有聚光透镜，聚光透镜为JGS1石英透镜。聚光透镜用于会聚待测漫反射板的反射光，为减轻转动部件的重量，透镜的口径应选取尽量小、但又使光电探测器9能接收适当的信号强度，保证探测信号有适当的信噪比，在本例中透镜的的口径取为φ25mm。透镜的焦距一般选取使待测漫反射板反射光的测量视场小于1°，保证测量系统有足够的角分辨率，也可根据实际使用情况选取。在本例中取透镜焦距为100mm。

本实施例的光纤束7，例如由每一根光纤的直径为φ0.2mm，共60条、55条或50条石英光纤合成一束组成，该光纤束7的一端为直径φ1.7mm的圆形，另一端为0.76mm×3mm的长方形。光纤束7圆形的一端放置在聚光部件6镜筒内、聚光透镜的焦点处，用于接收经聚光透镜聚焦的待测漫反射板的反射光。光纤束7长方形的另一端放置在单色仪8的入射狭缝处、紧贴单色仪8的入射狭缝。光纤束7将接收的待测漫反射板反射光辐射传送到单色仪8的入射狭缝，到达入射狭缝的光辐射经单色仪8分光后，由光电探测器9接收、转换成电信号。

单色仪8采用法国JY公司生产的TRAIX320型单色仪，焦距为320mm，光栅刻线为1200g/mm，单色仪的工作波长范围200-1500nm。单色仪由计算机控制进行自动测量，放置在试验平台11上。测量选用的光谱分辨率约为2nm。

光电探测器9放置在单色仪8的出射狭缝后、紧贴出射狭缝处，且固定在单色仪8上；光电探测器9采用R928光电倍增管，采用光子计数的方法进行测量。

一用于产生平行光束的准直光源水平放置在试验平台11上、其中心高度与待测漫反射板中心高度一致，保证待测漫反射板处于准直光源发出的平行光束的中心；准直光源的光轴垂直于第一转台1转轴和第二转台2转轴的平面。在测量过程中，准直光源保持固定不变；准直光源包括准直镜2-1，氘灯2-2和氘灯电源2-3。氘灯2-2由氘灯电源2-3点燃，氘灯2-2的发射光束经准直镜2-1准直后变成平行光束。准直镜2-1采用JGS1石英透镜，最大口径为100mm，焦距250mm；氘灯2-2采用日本滨凇公司生产的LD2000型氘灯，该光源有很好的稳定性，其辐射强度的漂移小于0.5％/小时；氘灯电源2-3采用日本滨凇公司生产的LD2000氘灯配套电源。

测量时，首先将待测漫反射板安装在样品安装板5上。转动第三转台3调节反射角使其达到所要求的反射角度(如40°)，调好后将第三转台3锁定，确保在测量过程中反射角不变。将图2所示的准直光源垂直于图1的纸面方向放置，对准待测漫反射板。转动第一转台1和第二转台2使入射角为0°。

打开氘灯电源2-3，点燃氘灯2-2。氘灯2-2的光辐射经准直镜2-1准直后变成平行光束，照射在安装于样品安装板5上的待测漫反射板上。待测漫反射板的反射光束经聚光部件6的聚光透镜聚焦到光纤束7的一个端面上，光纤束7将待测漫反射板的反射光束传送到单色仪8的入射狭缝，经单色仪分光后由光电探测器9接收，光电探测器9将光信号转换成电信号进行测量，通过单色仪8的波长扫描，即可获得入射角为0°(α＝0°，β＝0°)的一条待测漫反射板反射光的光谱曲线。转动第一转台1和第二转台2，可以获得不同入射角(α，β)待测漫反射板反射光光谱反射光强度的曲线。这些测量值经归一化后即可给出待测漫反射板的光谱角反射特性。

经过试验验证，该系统能满足应用于空间光谱仪器星上定标用漫反射板光谱角反射特性测量的设计要求。另外的一个实施例采用150W的氙灯光源后，测量波长范围可扩展到可见和近红外波段。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，包括准直光源、样品架、转动部件、聚光部件(6)、单色仪(8)和光电探测器(9)；其特征在于，还包括支撑杆(4)、样品安装板(5)、光纤束(7)和安装板(10)；

所述的准直光源由准直镜(2-1)、氘灯(2-2)和氘灯电源(2-3)组成；其中所述的氘灯(2-2)设置在样品架上的待测漫反射板的对面，所述的氘灯(2-2)和所述的氘灯电源(2-3)电连接，所述的准直镜(2-1)设置在所述的氘灯(2-2)输出的光路上；准直光源水平放置在试验平台(11)上、准直光源输出光束的中心高度与待测漫反射板中心高度一致，所述的待测漫反射板处于准直光源发出的平行光束的中心；准直光源的光轴垂直于第一转台(1)转轴和第二转台(2)转轴形成的平面；

所述的样品架由支撑杆(4)和一用于安装待测漫反射板的样品安装板(5)组成，其中支撑杆(4)为一根圆柱，所述的支撑杆(4)的一端固定在第三转台(3)中心转轴处，且第三转台(3)转轴通过支撑杆(4)的中心线；该支撑杆(4)的另一端上固定所述的样品安装板(5)；第一转台(1)的转轴和第二转台(2)的转轴的交点处于待测漫反射板前表面的中心位置；

所述的转动部件是由一用于实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的一维转动的第一转台(1)、一用于实现待测漫反射板相对来自准直光源平行照射光束的另一维转动的第二转台(2)，和一用于设定待测漫反射板的反射角度的第三转台(3)组成；其中，所述的第一转台(1)采用TS160A手动转台，安装在试验平台(11)上；所述的第二转台(2)采用RSA100型电动转台，由步进电机驱动，该第二转台(2)通过安装板(10)固定在第一转台(1)上，使第二转台(2)的转轴垂直于第一转台(1)的转轴，且由第一转台(1)带动转动；所述的第三转台(3)安装在第二转台(2)上，该第三转台(3)转轴与第二转台(2)的转轴同轴，由第二转台(2)带动转动；

所述的聚光部件(6)由聚光透镜和镜筒组成，其中，所述的镜筒为圆筒，镜筒内部靠样品安装板(5)的一端固定有聚光透镜；所述的聚光部件(6)固定在第二转台(2)上，由第二转台(2)带动转动，聚光部件(6)的光轴通过待测漫反射板前表面的中心、且与第二转台(2)的转轴垂直；

所述的聚光透镜为JGS1石英透镜，并且聚光透镜的焦距为选取使待测漫反射板反射光的测量视场小于1°；

所述的光纤束(7)由50-60条石英光纤组成，所述的石英光纤的直径为0.2mm；该光纤束(7)的一端为直径1.7mm的圆形；另一端为0.76mm×3mm的长方形；该光纤束(7)圆形的一端放置在聚光部件(6)镜筒内、聚光透镜的焦点处，用于接收经聚光透镜聚焦的待测漫反射板的反射光；光纤束(7)长方形的另一端放置在单色仪(8)的入射狭缝处、紧贴单色仪(8)的入射狭缝；

所述的单色仪(8)由计算机控制，放置在试验平台(11)上，所述的光电探测器(9)放置在单色仪(8)的出射狭缝后、紧贴出射狭缝处，并固定在单色仪(8)上；所述的光纤束(7)将接收的待测漫反射板反射光辐射传送到单色仪(8)的入射狭缝，到达入射狭缝的光辐射经单色仪(8)分光后，由光电探测器(9)接收、转换成电信号。

2.按权利要求1所述的星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，其特征在于，所述的单色仪(8)采用法国JY公司生产的TRAIX320型单色仪，焦距为320mm，光栅刻线为1200g/mm，单色仪的工作波长范围200-1500nm。

3.按权利要求1所述的星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，其特征在于，所述的准直镜(2-1)采用JGS1石英透镜，最大口径为100mm，焦距250mm。

4.按权利要求1所述的星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，其特征在于，所述的氘灯(2-2)采用日本滨凇公司生产的LD2000型氘灯。

5.按权利要求1所述的星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，其特征在于，所述的氘灯电源(2-3)采用日本滨凇公司生产的LD2000氘灯配套电源。

6.按权利要求1所述的星上定标用漫反射板光谱角反射特性的测量系统，其特征在于，所述的光电探测器(9)采用R928光电倍增管。

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