CN102519594B - 用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法，测量系统包括标准平行光源、辅助光学系统、扫描镜、光阑及探测系统。测量方法为：首先，将口径为d、光谱辐通量为Φ₁(λ)的标准平行光入射到扫描镜上，扫描镜将其反射到辅助光学系统，最后进入探测系统，此时探测到的光谱辐照度为E₁(λ)。其次，旋转扫描镜使得待测平行光通过通光面积为A的光阑并入射到扫描镜上，扫描镜将其反射到辅助光学系统，最后进入探测系统，此时探测到的光谱辐照度为E₂(λ)。最后，由两次探测到的光谱辐照度求出通过光阑的待测平行光的光谱辐通量

得到其光谱辐照度

通过同步移动光阑及扫描镜，该测量系统可以完成对大口径待测平行光束的扫描，从而可测得待测光束不同位置的光谱辐照度。

Description

用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法，可适用于大口径辐射定标光学系统出射平行光的光谱辐照度的测量，属于航天遥感器辐射定标系统定标技术领域。

背景技术

在遥感器地面定标及在轨定标过程中，辐射定标光学系统为遥感器定标提供辐射基准。由于辐射定标光学系统处于模拟空间环境或真实空间环境中，辐射标准源、光学器件及机械结构性能都会受环境影响而偏离设计值，使得待定标仪器入瞳处辐照基准偏离设计值，最终影响遥感器的定标精度。因此开展空间环境下辐射定标光学系统辐照度的测试具有重要意义，它主要为检验由于辐射源、光学系统、机械系统性能的综合变化引起待定标遥感器入瞳处辐照度的变化，从而可以分析待定标仪器入瞳辐照度的变化规律，提高遥感器定标精度。

目前，辐射定标光学系统光谱辐照度的监测方法有两种：一是直接法；二是间接法。直接法是建立光谱辐照度测量装置对待测辐射源进行辐照度测量。美国NASA建立的初级定标系统和阿诺德空军基地的7V容器的系统辐照度监测都采用直接测量法，通过采用光谱响应特性已知的探测器完成辐照度测量。由于测量对象是平行光束且口径通常很大，测量装置中需要引入聚光装置，对待测平行光进行会聚。因此，在进行辐照度测量前，首先要对引入的聚光装置的光谱参数进行标定。间接测量法是对定标光学系统中各光学元件的光谱参数，如光源的光谱辐亮度、反射镜的光谱反射率进行监测，然后根据辐射度的原理计算出定标光学系统的辐照度。直接测量法和间接法都需要测量多个参量来实现定标系统光谱辐照度测量，过程复杂。本发明针对此提出了一种基于比对测量原理的用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法，测试系统结构简单、试验方便，并具有较高测量精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法，解决大口径平行光束的光谱辐照度测量的问题；并克服了直接法测量过程中需要对引入的辅助光学系统参数进行定标的不足，从而实现一种测量环节简单、方便的光谱辐照度测量方法。

本发明的技术解决方案是：该测量系统包括标准平行光源、光束扫描装置、辅助光学系统、探测系统；其中光束扫描装置由光阑、扫描镜、电控旋转台和电控平移台组成，光阑底板固定在电控平移台之上，电控旋转台固定在光阑底板之上，扫描镜固定在电控旋转台之上；其中辅助光学系统包括抛物镜和折叠镜；探测系统包括积分球、光谱仪和计算机。

其中，标准平行光源采用氙灯，出射平行光口径小于积分球入口直径；光阑由一块硬铝板弯折90°而成，其中一面有一个面积为A的圆孔，用于限制待测光束口径，另一面用于光阑固定；扫描镜为一块圆形平面反射镜，与光阑圆孔所在的面成45°夹角；抛物镜和折叠镜构成辅助光学系统，其中，抛物镜为一块离轴抛物面镜，有效通光面积要大于A，其光轴竖直，折叠镜为一块圆形平面反射镜，其与竖直方向成α夹角，使得其中心光线水平出射；积分球、光谱仪和计算机构成探测系统，其中，光谱仪的光谱范围覆盖了标准平行光源的光谱范围；电控旋转台用于控制扫描镜反射面的朝向；电控平移台用于控制光阑和扫描镜的位置，其行程取决于扫描的路径长度，即待测光束的口径；

一种用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统及方法，包括如下步骤：

步骤1、调整测量系统中组件的位置，构成第一测量光路：

将积分球置于标准平行光源正前方，标准光源发出的小口径平行光束直接入射到积分球内，计算机控制光谱仪探测进入积分球的光谱辐通量为Φ₁(λ)；

步骤2、调整测量系统中组件的位置，构成第二测量光路：

将光阑底板固定在电控平移台之上，电控旋转台固定在光阑底板之上，扫描镜固定在电控旋转台之上，构成光束扫描装置，其中，光阑其中一面有一个面积为A的圆孔；光束扫描装置置于待测平行光正前方，调整光束扫描装置使得待测平行光束的中心光线垂直光阑且穿过光阑中心；标准平行光源置于扫描镜的另一侧，其中心光线也垂直光阑且穿过光阑中心；调整电控旋转台将扫描镜反射面转向标准平行光源，且反射面与光源中心光线成45°夹角，使得标准平行光源发出的平行光束经扫描镜反射到抛物镜和折叠镜构成辅助光学系统；将积分球入口置于辅助光学系统的像点处，辅助光学系统使得标准平行光源光束会聚并全部进入积分球，此时计算机控制光谱仪在积分球出口处探测到的光谱辐照度为E₁(λ)；

步骤3、调整测量系统中组件的位置，构成第三测量光路：

调节电控旋转台将扫描镜反射面朝向待测平行光束，使得通过光阑的待测平行光束经扫描镜反射到辅助光学系统；待测平行光束经辅助光学系统反射会聚，全部进入积分球，此时计算机控制光谱仪探测到积分球出口处的光谱辐照度为E₂(λ)。

步骤4、计算出待测平行光束不同位置处的光谱辐照度：

待测平行光束中心区域的光谱辐照度即为

步骤5、调整测量系统中组件的位置，对其他位置处的待测平行光束进行光谱福照度的测量：

调整电控平移台，使得光阑和扫描镜对准其他位置处待测平行光束，此时计算机控制光谱仪探测到积分球出口处的光谱辐照度为E′₂(λ)。将E′₂(λ)替换上式中的E₂(λ)，即可计算待测平行光束其他位置处的光谱辐照度。

本发明的原理是：首先，利用光阑限制待测平行光束的面积；其次，将待测平行光束与光谱辐通量已知的标准平行光源交替入射到辅助测量系统进行比对，获得待测平行光束的光谱辐通量；最后，根据辐照度定义即可求出通过光阑的待测光束的光谱辐照度。

本发明与现有技术相比的优点在于：测量方法简单、试验方便，可实现大型定标光学系统光谱辐照度的测量。采用比对法测量，测量中引入的辅助光学系统对辐射传输的影响可以自动消除，从而不必对辅助光学系统光谱反射率进行测量，减少了测量中间环节，提高测量精度。

附图说明

图1a为依据本发明实施的测量系统原理图(一)，即第一测量光路；

图1b为依据本发明实施的测量系统原理图(二)，即第二测量光路；

图1c为依据本发明实施的测量系统原理图(三)，即第三测量光路；

图2为本发明的测量装置示意图；

图3为本发明的扫描装置局部示意图；

图中具体标号如下：

T、待测平行光束

1、标准平行光源  2、光阑        3、扫描镜        4、抛物镜

5、折叠镜        6、积分球      7、光谱仪        8、电控旋转台

9、电控平移台    10、计算机

L1：抛物镜4与折叠镜5中心的竖直距离

L2：抛物镜4与折叠镜5中心的水平距离

L3：折叠镜5与积分球6入口中心的水平距离

L4：光阑2与扫描镜3中心的水平距离

L5：扫描镜3与抛物镜4中心的竖直距离

L6：扫描镜3与标准平行光源1中心的水平距离

L7：标准平行光源1与积分球6入口中心的水平距离

α：折叠镜5与竖直方向所成夹角

β：抛物镜4中心出射光线与竖直方向所成夹角

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

参见图1～图3，待测平行光束口径为D，发散角为θ。一种用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统由标准平行光源1、光阑2、扫描镜3、抛物镜4、折叠镜5、积分球6、光谱仪7、电控旋转台8、电控平移台9及计算机10组成。其中，标准平行光源1出射平行光口径为d，发散角为θ₁；光阑2通光口径为d₁；扫描镜3通光口径为d₂；抛物镜4为离轴抛物面镜，通光口径为d₃，焦距为f，离轴角为β；折叠镜5通光口径为d₄；积分球6入口直径为d₅；光阑2通光面积

光谱仪7的光谱范围覆盖了标准平行光源的光谱范围。

各组件之间的相对位置为：抛物镜4中心与折叠镜5中心的竖直距离为L₁，水平距离为L₂；折叠镜5中心与积分球6入口中心的水平距离为L₃，竖直距离为0；折叠镜5与竖直方向成α°夹角；光阑2中心与扫描镜3中心水平距离为L₄，竖直距离为0；扫描镜3中心与抛物镜4中心的竖直距离为L₅，随电控平移台9移动而变化，水平距离为0；扫描镜3中心与标准平行光源中心的竖直距离为0，水平距离为L₆。

按照图1a所示的第一测量光路，对光路进行装调。标准平行光源口径标准平行光源(1)的出口到积分球(6)的入口距离L₇小于(d₅-d)/(2·tan(θ₁/2))，使得标准光源(1)发出的小口径平行光束直接入射到积分球(6)内，计算机(10)控制光谱仪(7)探测进入积分球(6)的光谱辐通量为Φ₁(λ)。

按照图1b所示的第二测量光路，对光路进行装调。光阑(2)中心到扫描镜(3)中心水平距离为L₄，要大于d₂/2；折叠镜(5)与竖直方向成夹角α要等于(90°+β)/2；抛物镜(4)中心与折叠镜(5)中心的竖直距离L₁要大于(d₃+d₄cosα)/(2tanβ)。上述距离保证测量过程待测光束能无遮挡地全部进入积分球(6)。调整电控旋转台(8)将扫描镜(3)反射面转向标准平行光源(1)，使得标准平行光源发出的光束无遮挡地进入积分球(6)，此时计算机(10)控制光谱仪(7)在积分球(6)出口处探测到的光谱辐照度为E₁(λ)。

如图1c所示的第三测量光路，调节电控旋转台(8)将扫描镜(3)反射面朝向待测平行光束，使得通过光阑(2)的待测平行光束无遮挡地全部进入积分球(6)，此时计算机(10)控制光谱仪(7)在积分球(6)出口处探测到的光谱辐照度为E₂(λ)。控制电控平移台(9)移动光阑(2)和扫描镜(3)，以x步进对待测平行光束进行扫描，经[D/x]步完成对全口径待测平行光束扫描，计算机(10)控制光谱仪(7)在积分球出口获得相应的光谱辐照度值E_2i(λ)(i＝1…[D/x])。

根据上述测量数据，即可计算出待测平行光束不同位置处的光谱辐照度为 $E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{E_{2i}\left(\mathrm{\λ}\right)}\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·\frac{1}{A}.$

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种用于大口径平行光束光谱辐照度的测量系统，其特征在于：该测量系统由标准平行光源（1）、光阑（2）、扫描镜（3）、抛物镜（4）、折叠镜（5）、积分球（6）、光谱仪（7）、电控旋转台（8）、电控平移台（9）及计算机（10）组成；其中，标准平行光源（1）出射平行光口径为d，发散角为θ₁；光阑（2）通光口径为d₁；扫描镜（3）通光口径为d₂；抛物镜（4）为离轴抛物面镜，通光口径为d₃，焦距为f，离轴角为β；折叠镜（5）通光口径为d₄；积分球（6）入口直径为d₅；光阑（2）通光面积

光谱仪（7）的光谱范围覆盖了标准平行光源的光谱范围；

各组件之间的相对位置为：抛物镜（4）中心与折叠镜（5）中心的竖直距离为L₁，水平距离为L₂；折叠镜(5)中心与积分球(6)入口中心的水平距离为L₃，竖直距离为0；折叠镜(5)与竖直方向成α°夹角；光阑(2)中心与扫描镜(3)中心水平距离为L₄，竖直距离为0；扫描镜(3)中心与抛物镜(4)中心的竖直距离为L₅，随电控平移台(9)移动而变化，水平距离为0；扫描镜(3)中心与标准平行光源中心的竖直距离为0，水平距离为L₆；

标准平行光源（1）采用氙灯，出射平行光口径小于积分球（6）入口直径；光阑（2）由一块硬铝板弯折90°而成，其中一面有一个面积为A的圆孔，用于限制待测光束口径，另一面用于光阑（2）固定；扫描镜为一块圆形平面反射镜，与光阑圆孔所在的面成45°夹角；抛物镜(4)和折叠镜(5)构成辅助光学系统，其中，抛物镜(4)为一块离轴抛物面镜，有效通光面积要大于A，其光轴竖直，折叠镜（5）为一块圆形平面反射镜，其与竖直方向成α夹角，使得其中心光线水平出射；积分球（6）、光谱仪（7）和计算机（10）构成探测系统，其中，光谱仪（7）的光谱范围覆盖了标准平行光源的光谱范围；电控旋转台（9）用于控制扫描镜（3）反射面的朝向；电控平移台（9）用于控制光阑（2）和扫描镜（3）的位置，其行程取决于扫描的路径长度，即待测光束的口径。

2.一种利用权利要求1所述的测量系统对大口径平行光束光谱辐照度的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、调整测量系统中组件的位置，构成第一测量光路：

将积分球（6）置于标准平行光源（1）正前方，标准光源（1）发出的小口径平行光束直接入射到积分球（6）内，计算机(10)控制光谱仪（7）探测进入积分球（6）的光谱辐通量为Φ₁(λ)；

步骤2、调整测量系统中组件的位置，构成第二测量光路：

将光阑底板固定在电控平移台之上，电控旋转台固定在光阑底板之上，扫描镜固定在电控旋转台之上，构成光束扫描装置，其中，光阑其中一面有一个面积为A的圆孔；将光束扫描装置置于待测平行光正前方，调整光束扫描装置使得待测平行光束的中心光线垂直光阑（2）且穿过光阑中心；标准平行光源（1）置于扫描镜（3）的另一侧，其中心光线也垂直光阑（2）且穿过光阑中心；调整电控旋转台（8）将扫描镜（3）反射面转向标准平行光源（1），且反射面与光源中心光线成45°夹角，使得标准平行光源（1）发出的平行光束经扫描镜（3）反射到抛物镜（4）和折叠镜（5）构成辅助光学系统；将积分球（6）入口置于辅助光学系统的像点处，辅助光学系统使得标准平行光源光束会聚并全部进入积分球（6），此时计算机(10)控制光谱仪（7）在积分球（6）出口处探测到的光谱辐照度为E₁(λ)；

步骤3、调整测量系统中组件的位置，构成第三测量光路：

调节电控旋转台（8）将扫描镜（3）反射面朝向待测平行光束，使得通过光阑（2）的待测平行光束经扫描镜（3）反射到辅助光学系统；待测平行光束经辅助光学系统反射会聚，全部进入积分球（6），此时计算机(10)控制光谱仪(7)探测到积分球(6)出口处的光谱辐照度为E₂(λ)；

步骤4、计算出待测平行光束不同位置处的光谱辐照度：

待测平行光束中心区域的光谱辐照度为

步骤5、调整测量系统中组件的位置，对其他位置处的待测平行光束进行光谱辐照度的测量：

调整电控平移台（9），使得光阑（2）和扫描镜（3）对准其他位置处待测平行光束，此时计算机(10)控制光谱仪（7）探测到积分球（6）出口处的光谱辐照度为E'₂(λ)；将E'₂(λ)替换上式中的E₂(λ)，即可计算待测平行光束其他位置处的光谱辐照度。

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