CN102393212B

CN102393212B - 一种弱目标紫外星等标定系统

Info

Publication number: CN102393212B
Application number: CN201110361519.9A
Authority: CN
Inventors: 徐亮; 赵建科; 赛建刚; 周艳; 胡丹丹; 刘峰
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: CN102393212A

Abstract

本发明涉及一种在空间仿真试验中用于对紫外星模拟器模拟弱目标星等精度标定的系统，该系统包括星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜、滤光片以及光子计数器；星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜以及滤光片依次设置于同一光路上；子计数器设置于经滤光片后的出射光路上。本发明提供了一种能够有效的在实验室内对星模拟器星等模拟精度进行校准、具有大动态范围的模拟星等等级校准能力以及星等校准精度高的弱目标紫外星等标定系统。

Description

一种弱目标紫外星等标定系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种光学标定系统，尤其涉及一种在空间仿真试验中用于对紫外星模拟器模拟弱目标星等精度标定的系统。

背景技术

在深空探测及天文观测中，所研制的各种弱目标探测及观测各种天体亮度变化的航天相机，需要在上天前对其弱目标探测能力进行严格的科学标定，以确保其上天后具有良好的工作状态。而这类探测相机的探测能力都在+8Mv以上，但+8Mv的照度很低，常用的星等模拟器由于缺乏精确的标定设备，则很难准确模拟实际星等发光的辐照度，即星等；一般对于弱目标的星等模拟，只能通过推算、仿真分析的方法来完成，此类方法在高亮度的星体模拟虽然比较精确，然而在低亮度的星体模拟其准确度大大下降。因此，高灵敏度星等模拟标定设备的研究，成为研制弱光星模拟器乃至弱光探测相机的关键技术。

目前国内对于弱光星模拟器的标定通常采用两种方法结合来保证，一种是通过理论计算分析的方法来模拟星等，另一种是通过间接标定的方法来模拟星等，即将有些探测相机放在远离城区的深山中，对国际公认的已知星等的恒星进行野外拍摄，并采集有关星等数据带回实验室，再通过图像处理对星模拟器进行调整和校准，用调整校准过的星模拟器对其他星体探测相机进行校准。在这个过程中，用探测相机在外场采集星等数据时，受自然条件的影响非常大，有时因天气原因，在外场采集数据需要连续等待几十天也不一定能获得理想的满足采集星等数据的天文条件，这样则受到种种不确定因素影响而难以获得令人信服的参数测量结果。同时，通过理论计算分析的方法，在弱光星等模拟也存在着较大的模拟误差。因此，此类方法急需进一步改进。

目前研究的弱目标紫外星等标定系统是以某航天型号项目为背景，展开对微弱光目标的探测能力标定进行研究的。该航天项目中所研制的探测相机为了探测深空+23Mv，目标发光谱段为200nm～400nm，其辐照度为2.52×10^-17W/m²。由于大气层对紫外光谱的吸收很严重，对于该谱段的航天相机通过室外观星来验证其探测能力，则无法进行。因此需要研制一种可用于室内精确模拟星等发光特性及星等等级的星模拟器，来对紫外航天相机的星等探测能力进行标定。这种星模拟器已经通过理论仿真分析、计算，研制了一套可用于模拟星等发光特性及星等等级的设备。然而，该设备的星等模拟精度至今无法直接标定，只能通过反演计算来推导，其星等模拟不确定度在+16Mv时为25％，+23Mv时为45％左右，很难满足星等等级精确模拟的目的，因此，需要研制一套可用于星等模拟精度精确标定的设备。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够有效的在实验室内对星模拟器星等模拟精度进行校准、具有大动态范围的模拟星等等级校准能力以及星等校准精度高的弱目标紫外星等标定系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种弱目标紫外星等标定系统，其特殊之处在于：所述弱目标紫外星等标定系统包括星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜、滤光片以及光子计数器；所述星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜以及滤光片依次设置于同一光路上；所述光子计数器设置于经滤光片后的出射光路上。

上述弱目标紫外星等标定系统还包括设置于消杂散光遮光罩和探测物镜之间的衰减片；所述星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、衰减片以及探测物镜依次设置于同一光路上。

上述光子计数器包括PMT探测器(PMT就是光电倍增管)以及与PMT探测器相连的用于对光子脉冲信号进行提取的数据采集及处理系统；所述PMT探测器设置于经滤光片后的出射光路上。

上述探测物镜的口径不小于200mm。

本发明的优点是：

本发明所提供的弱目标紫外星等标定系统利用现有比较成熟的光子计数原理，结合光学探测及杂散光抑制技术，首次突破性的研制了一套可用于紫外弱光星等标定及校准的系统；第二，本发明可对航天探测相机用的星模拟器实时校准，突破了以往星模拟器星等校准范围小的缺陷，具有大动态范围的模拟星等等级校准能力，其星等校准范围为+3Mv～+23Mv；第三，本发明突破了以往星模拟器星等校准精度低的缺陷，其星等校准精度可优于0.1等星；第四，本发明根据实际需要，设计了一种可有效抑制镜筒内壁反射杂散光的光学结构，其在很大程度上减少了杂散光对星模拟器模拟星等精度的影响，解决了以往星模拟器标定时杂散光影响其标定精度的难题；第五，本发明首次利用探测物镜(设置口径大于Φ200mm)，可大大提高弱光星等模拟的探测及标定能力，解决了探测器仅局限于单光子极限探测的瓶颈问题；第六，本发明利用紫外探测器日盲的原理，突破性的将其应用于紫外微弱光的标定系统中，该方法的实施，具有不受环境杂散光对其标定精度影响的作用。

附图说明

图1是本发明所提供的弱目标紫外星等标定系统的原理图；

其中：

1-星模拟器星点目标；2-星模拟器光学系统；3-消杂散光遮光罩；4-衰减片；5-探测物镜；6-滤光片；7-PMT探测器；8-数据采集及处理系统；9-光子计数器。

具体实施方式

弱光星等模拟器星等模拟精度标定困难的问题，结合光子计数原理，本发明提出了一种弱目标紫外星等标定系统装置，能够有效的在实验室内对星模拟器星等模拟精度进行校准，其星等校准范围为+3Mv～+23Mv，校准精度优于0.1等星，满足星模拟器模拟精度0.2等星的要求。该弱目标紫外星等标定系统突破以往的星等校准系统，在其PMT探测器前设置滤光片、各种衰减片及探测镜头，可使其星等校准动态范围大大提高，由以前的+7Mv～+13Mv的校准范围，扩展到+3Mv～+23Mv。

在星模拟器模拟不同星体发光时，一般通过理论计算，改变星点目标尺寸大小来模拟不同星等的发光特性，然而这种计算模拟方式受星点目标尺寸测试误差、平行光管焦距测试误差、积分球出口辐亮度测试误差、平行光管反射率测试误差、杂光及其他环境因素等影响，往往模拟精度很低，不能满足高精度星等模拟的需求。图1中采用的弱目标紫外星等标定系统，能对其星模拟器的出射光辐照度精确标定。该弱目标紫外星等标定系统主要由：消杂散光遮光罩3、衰减片4、探测物镜5、滤光片6、PMT探测器7、数据采集及处理系统8组成，其中PMT探测器7与数据采集及处理系统8构成光子计数器9。

本发明的工作原理是：如图1所示，由星模拟器星点目标1发出的光线经过星模拟器光学系统2后经过消杂散光遮光罩3的杂光抑制后，到达衰减片4，将其入射光能进行不同倍率衰减；透过衰减片4的光能经过探测物镜5的汇聚及孔径压缩，并配合滤光片6将此入射光的光谱特性进行修正，最后将其入射光汇聚到PMT探测器7的靶面上，此时将完成入射光的接收；然后将采集到的微弱光信号经过PMT探测器7倍增后，输出自然离散的电信号；最后通过数据采集及处理系统8的脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来，完成最终的光信号转换成电子信号，最终通过计算机输出采集到的光子数。计算机输出的光子计数率，利用量子效率转换关系，可通过软件将其转换成星模拟器出射光的辐照度，即完成星模拟器弱光星等模拟的精确标定。其中各部分的功能如下介绍：

消杂散光遮光罩3主要为了在探测微弱光时，消除环境杂散光的影响。衰减片4的作用是对强光辐照进行衰减；由于PMT探测器7是弱光探测器，在对辐射强光测试时，其会发生饱和及无法将光信号分离成离散的光脉冲信号，因此，需要设置衰减片来对其强光辐照进行衰减，以满足PMT探测器7的弱光探测需求。探测物镜5的作用是将极其微弱的光信号通过增大探测面积来增加有效光子数，使PMT探测器7的探测能力增强，提高其信噪比；由于+16Mv的辐照度为10^-15W/m²，PMT探测器7的靶面尺寸为1.92×10^-4mm²，接收到靶面上的光子数为2.4个光子/s；而对于+23Mv，其辐照度为10^-17W/m²，则每秒在PMT探测器7的靶面上接收到的光子数远远小于1个光子，这么微弱的光信号往往会被甄别电路当作噪声处理掉，因此，需在PMT探测器7前设置探测物镜5来提高其探测能力，根据计算，该探测物镜5的口径不小于Φ200mm。滤光片6的作用是将接收到的光谱经滤波后，变成与被测相机响应一致的光谱曲线。PMT探测器7的主要作用是将接收到的微弱光信号，倍增放大后转换成电子脉冲信号，传输至数据采集及处理系统8。数据采集及处理系统8的主要作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连同其他噪声脉冲)线性地放大，利用甄别电路阈电平提取一个有一定幅度和形状的标准脉冲，即光子脉冲。光子计数器9是由PMT探测器7与数据采集及处理系统8构成，其主要作用是完成微弱光的光子计数。

该弱目标紫外星等标定系统的发明难度在于微弱光信号的提取及杂散光的抑制。图1为该弱目标紫外星等标定系统的设计结果，其解决了空间探测相机仿真试验中，星模拟器星等标定难的问题。设计了一种可用于大动态范围、高精度星等标定的装置，并利用探测物镜5及衰减片4，使其星等测试范围提高到+3～+23Mv，测试精度优于0.1等星，远远优于以往的弱光校准系统。另外，图1中设置的消杂散光遮光罩3，其可大大消除周围环境杂散光及镜筒内壁反射光对模拟信号光的影响，有效的起到了杂散光抑制的目的，具有突破性的创新。考虑到本装置是用于对紫外星等模拟器的标定，PMT探测器7的工作波段是一种日盲波段，即对环境产生的杂光响应很低(环境杂散光以可见光及红外光为主)，因此，该装置的环境杂光对其星等标定的影响很小，满足微弱光标定的要求。

为了研究该紫外弱光星等标定技术，将光子计数原理引用到本发明中。由于光子计数原理是检测弱光信号的一种新技术，它在天文测光、大气测污、分子生物学、光时域反射、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域有着广泛的应用。现代光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点，在高技术领域占有重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

综上所述，考虑到本发明是用于对紫外弱光星等模拟器的星等模拟精度标定及校准的关键技术，该项技术的研究成功，将预示着国内弱光探测及标定技术进入一个新的台阶。因此，引用光子计数原理对弱光星等标定及校准系统的研究，将对弱光探测技术的发展起着推动性作用，也为卫星探测相机用检测设备的研究起着重要的技术保障。

Claims

1.一种弱目标紫外星等标定系统，其特征在于：所述弱目标紫外星等标定系统包括星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜、滤光片以及光子计数器；所述星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、探测物镜以及滤光片依次设置于同一光路上；所述光子计数器设置于经滤光片后的出射光路上；

所述弱目标紫外星等标定系统还包括设置于消杂散光遮光罩和探测物镜之间的衰减片；所述星模拟器光学系统、消杂散光遮光罩、衰减片以及探测物镜依次设置于同一光路上；

所述光子计数器包括PMT探测器以及与PMT探测器相连的数据采集及处理系统；所述PMT探测器设置于经滤光片后的出射光路上；

所述探测物镜的口径不小于200mm。