CN102829868B - 成像光谱仪绝对辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光谱仪绝对辐射定标的方法，属于光学计量测试领域。该方法利用高稳定辐射源结合成像系统、分光系统和积分球产生均匀的单色辐射经过大口径平行光管形成准直辐射后分别由带有精密光阑的标准辐射计和被测成像光谱仪接收，由标准辐射计标定出被测成像光谱仪的入瞳面上的光谱辐射照度，从而实现成像光谱仪全波段绝对辐射定标。该方法解决了目前成像光谱仪绝对辐射定标的难题，同时还可实现成像光谱仪响应度均匀性的测量，具有定标准确度高，应用前景广的特点。

Description

成像光谱仪绝对辐射定标方法

技术领域

本发明属于光学计量测试领域，涉及一种绝对辐射定标的方法，尤其涉及一种成像光谱仪高准确度绝对辐射定标的方法。 

背景技术

成像光谱仪包括从近紫外到远红外各类多光谱、超光谱成像光谱仪，用来探测、识别和分辨目标及背景，是新一代“图谱合一”的先进军用光学侦察系统。成像光谱仪具有获取地球目标详细光谱景象和快速全球覆盖的能力，广泛应用于卫星遥感、空间探测等领域。此外，由于全彩色图像很难分辨伪装和假目标，利用成像光谱仪通过对目标和伪装材料不同光谱特性的探测，可以顺利地从伪装的物体中发现目标，具有很强的军用目标识别能力，因此成像光谱仪还广泛应用于伪装车辆探测、水下潜艇探测、生化战剂微粒识别以及探雷等领域。 

成像光谱仪必须进行辐射定标，否则就不能对摄取的信息给出合理的解释，不能得到定量的信息。成像光谱仪的辐射定标就是将目标源的辐射特性和成像光谱仪探测到的特性一一对应起来，辐射定标分为相对辐射定标和绝对辐射定标，其中绝对辐射定标包括辐射亮度定标和辐射照度定标。目前，俄罗斯、英国、美国、日本、加拿大等国家都相继开展成像光谱仪辐射定标研究，以俄罗斯全俄物理光学研究院和英国国家物理实验室为代表，俄罗斯全俄物理光学研究院在紫外、可见及近红外波段采用积分球光源与单色仪相结合的方法、在中远红外波段采用面源黑体与滤光片相结合的方法等开展了波长范围为250nm～14μm的各类成像光谱仪的辐射亮度定标，英国国家物理 实验室采用连续可调谐的激光器与积分球相结合的方法在紫外、可见及近红外波段进行成像光谱仪的辐射照度定标。 

探月二期工程在我国掀起了空间探测技术的攻关和竞争，如中科院在国家“863”计划及国家攻关项目的支持下，陆续研制了多种原理的成像光谱仪，并对成像光谱仪的辐射定标开展了研究，安徽光机所以低温辐射计为最高标准，建立光学遥感仪器辐射定标传递链。国内绝对辐射定标采用的是基于光谱辐照度灯的方法，该方法是利用光谱辐照度标准灯照射一定距离上的标准白板获得标准辐亮度源，用来标定小视场光谱辐射计，再用这种光谱辐射计来标定大面积均匀辐亮度源(积分球光源)的光谱辐射亮度或光谱辐射照度，然后用积分球光源标定成像光谱仪的光谱辐亮度响应度或光谱辐照度响应度，从而实现绝对辐射定标，使用这种方法进行辐射定标的传递链过长，从而定标不确定度相对较高。例如，《光学学报》第25卷，第12期上，《空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标方法研究》一文中，采用的方法就是用光谱辐射计标定积分球光源的光谱辐射亮度，再由积分球光源实现成像光谱仪绝对辐射定标，定标不确定度为5.74％。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前成像光谱仪绝对辐射定标的难题，提供一种成像光谱仪高准确度绝对辐射定标的方法，利用该方法还可实现成像光谱仪响应度均匀性测量。 

为解决上述技术问题，本发明提供的成像光谱仪高准确度绝对辐射定标和响应度均匀性测量的方法包括以下步骤： 

第一步：搭建成像光谱仪绝对辐射定标系统 

在辐射源出射方向安装成像系统对辐射源成像，在成像的位置安装分光系统中的单色仪，使得成像位置刚好处于单色仪的入射狭缝上；紧贴单色仪入口处依次安装滤光片组、斩波器和电动快门且电动快门、斩波器、滤光片 组和单色仪的控制器的控制线与计算机相连；在紧贴单色仪出口的位置安装积分球，使积分球的出口刚好处于大口径平行光管的焦面上，在垂直于大口径平行光管出射面且离大口径平行光管一定距离的位置处安装一维移动平台且一维移动平台的控制线与计算机相连；在一维移动平台上通过支架安装标准辐射计和被测成像光谱仪且标准辐射计和被测成像光谱仪的信号输出线与计算机相连；其中，所述标准辐射计上安装有精密光阑，标准辐射计的光谱功率响应度直接溯源到光辐射基准低温辐射计，而精密光阑的直径采用精密测量显微镜进行标定； 

第二步：调节光路 

打开辐射源的电源并将电流设置在规定值，分别打开电动快门、斩波器、滤光片组和单色仪的控制器开关，调节成像系统球面反射镜的位置，使辐射源经过成像系统成像于分光系统中单色仪的入射狭缝上；调节分光系统中的电动快门、斩波器、滤光片组和单色仪的位置，使入射辐射通过分光系统的中心；调节积分球的位置，使分光系统形成的单色辐射通过积分球入口中心；调节大口径平行光管中离轴抛物面反射镜的位置，使积分球出口出射的均匀单色辐射入射到大口径平行光管中离轴抛物面反射镜的中心，从而形成定标所需的准直辐射；分别调节标准辐射计的支架和被测成像光谱仪的支架，使得标准辐射计和被测成像光谱仪的中心高度与准直辐射的中心高度一致； 

第三步：计算机控制测量 

3.1在计算机的控制下，将标准辐射计和带有I×J个像元的被测成像光谱仪分别移入测量光路，使大口径平行光管出射的准直辐射分别充满照射标准辐射计和被测成像光谱仪的入瞳；计算机将此时标准辐射计和被测成像光谱仪所对应的一维移动平台位置分别记录为x1和x2； 

3.2计算机将分光系统中的单色仪调整到第一波长点并控制一维移动平台移动到位置x1处，计算机控制电动快门关闭、打开，分别获得标准辐射计输出的背景信号和测量信号将测量信号扣除背景信号获得 标准辐射计在第一波长处的实测信号值

3.3计算机控制一维移动平台移动到位置x2处，计算机控制电动快门关闭、打开，分别获得被测成像光谱仪各像元的背景信号和测量信号 代表成像光谱仪像元的行数且I，代表成像光谱仪像元的列数且J，将各像元的测量信号扣除背景信号，获得被测成像光谱仪各像元在第一波长点处的实测信号值

3.4计算机根据公式(1)计算被测成像光谱仪各像元的光谱辐照度响应度并保存该组数据： 

$S(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\×S\left({\mathrm{\λ}}_1\right)---\left(1\right)$

式中，表示标准辐射计在第一波长点处的光谱辐照度响应度，由标准辐射计的光谱功率响应度乘以精密光阑的面积得到； 

3.5计算机根据公式(2)计算被测成像光谱仪在第一波长点处响应度均匀性并保存该组计算数据： 

$U(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V(i^{\′}.j^{\′}.{\mathrm{\λ}}_1)}---\left(2\right)$

式中，表示成像光谱仪在第一波长点处所有像元中实测信号值的最大值； 

3.6计算机控制单色仪调整到波长点且m＝2、3……、M，并根据第3.2步和第3.3步的测量步骤，依次获得标准辐射计在其它波长点的实测信号值 和被测成像光谱仪各个像元在其它波长点的实测信号值

3.7计算机根据第3.4步和第3.5步计算被测成像光谱仪各像元在其它波长点处的光谱辐照度响应度和被测成像光谱仪在其它波长点处的响应度均匀性并保存该组数据。 

本发明的整体技术效果体现为： 

(一)本发明利用高稳定辐射源结合成像系统、分光系统、积分球和大口径平行光管产生成像光谱仪绝对辐射定标所需的波长可调的均匀的单色准直辐射，该准直辐射分别充满照射带有精密光阑的标准辐射计和被测成像光 谱仪的入瞳，标准辐射计可标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度，通过获得被测成像光谱仪相应波长下各像元扣除背景的实测信号，从而实现成像光谱仪全波段绝对辐射定标，解决了成像光谱仪绝对辐射定标的难题。同时，本发明在完成成像光谱仪绝对辐射定标的过程中，对成像光谱仪的均匀性也进行了测试，提高了测量的效率。 

(二)本发明中的标准辐射计上安装有精密光阑，通过精确测量精密光阑的面积，用标准辐射计的光谱功率响应度乘以精密光阑的面积得到成像光谱仪绝对辐射定标所需的标准辐射计光谱辐照度响应度。其中，标准辐射计的光谱功率响应度已经在单元探测器光谱响应度校准装置上进行标定，该标定值可直接溯源到光辐射基准低温辐射计，而精密光阑的直径采用精密测量显微镜进行标定，因此实现了标准辐射计光谱辐照度响应度的高准确度标定，从而提高了成像光谱仪绝对辐射定标的准确度。 

(三)本发明为了减小辐射源的不稳定对测量结果的影响，采用在同一波长点分别测量标准辐射计和被测成像光谱仪的实测信号实现该波长点成像光谱仪光谱辐照度响应度的标定，然后再进行下一个波长点成像光谱仪光谱辐照度响应度的标定。而不是通常的在整个波长范围内先逐个波长点测量标准辐射计的实测信号，然后在整个波长范围内再逐个波长点测量成像光谱仪的实测信号，通过计算得到全波段成像光谱仪光谱辐照度响应度，因此进一步提高了定标的准确度。 

附图说明

图1是成像光谱仪绝对辐射定标系统组成示意图。 

图2是分光系统组成示意图。 

图3是标准辐射计组成示意图。 

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。 

成像光谱仪绝对辐射定标的具体步骤如下： 

第一步：搭建成像光谱仪绝对辐射定标系统 

本发明成像光谱仪绝对辐射定标方法是通过一套定标系统实现的，正如图1所示，成像光谱仪绝对辐射定标系统由辐射源1、成像系统2、分光系统3、积分球4、大口径平行光管5、标准辐射计6、一维移动平台8和计算机9组成。根据图2所示，分光系统3包括电动快门3-1、斩波器3-2、滤光片组3-3和单色仪3-4。根据图3所示，标准辐射计6含有精密光阑6-1、光电探测器6-2和前置放大器6-3。本实施例中，辐射源1选用英国NPL的钨带灯和硅碳棒，其光谱范围覆盖400nm～14μm。成像系统2的球面反射镜的口径为200mm且表面镀制铝膜。分光系统3中的电动快门3-1选用美国NEWPORT公司的VS35S2ZMO型电动快门，斩波器3-2选用美国NEWPORT公司的10Hz～200Hz的斩波器，滤光片组3-3由多个滤光片组成来用于滤除次级辐射，单色仪3-4选用美国ACTON公司的400nm～14μm的光栅分光式单色仪。积分球4选用北京卓立汉光仪器有限公司的直径为100mm的积分球，积分球开口总面积小于球内部反射面积的10％，积分球内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末，喷涂聚四氟乙烯粉末的厚度为2.5mm。大口径平行光管5的离轴抛物面反射镜的口径为200mm且表面镀制铝膜。标准辐射计6的精密光阑6-1的开口为圆形，表面涂有黑漆，光电探测器6-2根据定标波长范围的需要选用日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二极管和美国Judson公司的1μm～14μm的碲镉汞探测器，前置放大器6-3设计在1pA～1mA的大范围内进行线性电流一电压变换，并放置于金属屏蔽体内，防止空间电磁或其他干扰，前置放大器6-3的不稳定性为0.001％，标准辐射计6的光谱功率响应度在单元探测器光谱响应度校准装置上采用替代法由溯源于低温辐射计的标准探测器对标准辐射计6进行光谱功率响应度标定，标准辐射计6的精密光阑6-1的直径采用精密测量显微镜进行标定，根据公式计算精密光阑6-1的面积，用标准辐射计6的光 谱功率响应度乘以精密光阑6-1的面积得到标准辐射计6光谱辐照度响应度。一维移动平台8选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动移动平台，其定位精度为50μm。计算机9装有数据采集卡和测量软件包，并配有鼠标和键盘。 

成像光谱仪绝对辐射定标系统搭建过程：在辐射源1的入射方向上安装成像系统2，使辐射源1经过成像系统2成1∶1的实像，在成像系统2的成像位置安装分光系统3中的单色仪3-4，使得成像位置刚好处于单色仪3-4的入射狭缝上，紧贴单色仪3-4并在靠近单色仪3-4入口处依次安装滤光片组3-3、斩波器3-2和电动快门3-1，分别将电动快门3-1、斩波器3-2、滤光片组3-3和单色仪3-4的控制器的控制线连接至计算机9。在紧贴单色仪3-4出口的位置安装积分球4，安装大口径平行光管5使得积分球4的出口刚好处于大口径平行光管5的焦面上，在垂直于大口径平行光管5出射面且离大口径平行光管5一定距离的位置处安装一维移动平台8，将一维移动平台8的控制线连接至计算机9。将标准辐射计6和带有I×J个像元的被测成像光谱仪7通过相应支架安装在一维移动平台8上，将标准辐射计6和被测成像光谱仪7的信号输出线连接至计算机9。 

第二步：调节光路 

将辐射源1通过支架安装在光学平台上，打开辐射源1的电源并将电流设置在规定值，分别打开电动快门3-1、斩波器3-2、滤光片组3-3和单色仪3-4的控制器开关，调节成像系统2的球面反射镜位置，使辐射源1经过成像系统2成1∶1的实像于分光系统3中的单色仪3-4的入射狭缝所处的平面，调节单色仪3-4的位置使得成像位置刚好处于单色仪3-4的入射狭缝上，经过调节分光系统3中的电动快门3-1、斩波器3-2、滤光片组3-3和单色仪3-4的位置，使入射辐射通过分光系统3的中心而不拦截光路，调节积分球4的高低位置，使分光系统3形成的单色辐射通过积分球4入口中心，然后调节大口径平行光管5中离轴抛物面反射镜的位置及高低，使积分球4出口出射 的均匀单色辐射入射到大口径平行光管5中离轴抛物面反射镜的中心，从而形成定标所需的准直辐射。分别调节标准辐射计6的支架和被测成像光谱仪7的支架，使得标准辐射计6和被测成像光谱仪7的中心高度与准直辐射的中心高度一致。 

第三步：计算机控制测量 

3.1在计算机9的控制下，将标准辐射计6和带有I×J个像元的被测成像光谱仪7分别移入测量光路，使大口径平行光管5出射的准直辐射分别充满照射标准辐射计6和被测成像光谱仪7的入瞳，计算机9将标准辐射计6位于上述测量光路时一维移动平台8的位置记录为x1，将被测成像光谱仪7位于上述测量光路时一维移动平台8的位置记录为x2； 

3.2计算机9将分光系统3中的单色仪3-4调整到第一波长点并控制一维移动平台8移动到位置x1处，使标准辐射计6位于测量光路中，计算机9控制电动快门3-1关闭，获得标准辐射计6输出的背景信号计算机9控制电动快门3-1打开，获得标准辐射计6输出的测量信号将测量信号扣除背景信号，根据公式获得标准辐射计6在第一波长处的实测信号值

3.3计算机9控制一维移动平台8移动到位置x2处，使被测成像光谱仪7位于测量光路中，计算机9控制电动快门3-1关闭，获得被测成像光谱仪7的各像元的背景信号计算机9控制电动快门3-1打开，获得被测成像光谱仪7的各像元的测量信号 代表成像光谱仪7像元的行数且 I，代表成像光谱仪7像元的列数且J，将各像元的测量信号扣除背景信号，根据公式获得被测成像光谱仪7的各像元在第一波长点处的实测信号值

3.4计算机9根据公式(1)计算被测成像光谱仪7各像元的光谱辐照度响应度并保存该组数据： 

$S(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\×S\left({\mathrm{\λ}}_1\right)---\left(1\right)$

式中，表示标准辐射计6在第一波长点处的光谱辐照度响应度，由标准辐射计6的光谱功率响应度乘以精密光阑6-1的面积得到； 

3.5计算机9根据公式(2)计算被测成像光谱仪7在第一波长点处响应度均匀性并保存该组计算数据： 

$U(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V(i^{\′}.j^{\′}.{\mathrm{\λ}}_1)}---\left(2\right)$

式中，表示成像光谱仪7在第一波长点处所有像元中实测信号值的最大值； 

3.6计算机9控制将分光系统3中的单色仪3-4调整到波长点且m＝2、3……、M，并根据第3.2步和第3.3步的测量步骤，依次获得标准辐射计6在其它波长点的实测信号值和被测成像光谱仪7各个像元在其它波长点的实测信号值

3.7计算机9根据第3.4步和第3.5步计算被测成像光谱仪7各像元在其它波长点处的光谱辐照度响应度和被测成像光谱仪7在其它波长点处的响应度均匀性并保存该组数据。 

本发明的定标方法是通过成像光谱仪绝对辐射定标系统产生定标所需的波长可调的均匀的单色的准直辐射分别充满照射带有精密光阑的标准辐射计和被测成像光谱仪，由于带有精密光阑的标准辐射计的光谱辐照度响应度已经准确标定，从而实现了成像光谱仪绝对辐射定标，同时还可实现成像光谱仪响应度均匀性的测量，能够为成像光谱仪的设计、研制和使用提供可靠依据。 

Claims (1)

1.一种成像光谱仪高准确度绝对辐射定标的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：搭建成像光谱仪绝对辐射定标系统

在辐射源出射方向安装成像系统对辐射源成像，在成像的位置安装分光系统中的单色仪，使得成像位置刚好处于单色仪的入射狭缝上；紧贴单色仪入口处依次安装滤光片组、斩波器和电动快门且电动快门、斩波器、滤光片组和单色仪的控制器的控制线与计算机相连；在紧贴单色仪出口的位置安装积分球，使积分球的出口刚好处于大口径平行光管的焦面上，在垂直于大口径平行光管出射面且离大口径平行光管一定距离的位置处安装一维移动平台且一维移动平台的控制线与计算机相连；在一维移动平台上通过支架安装标准辐射计和被测成像光谱仪且标准辐射计和被测成像光谱仪的信号输出线与计算机相连；其中，所述标准辐射计上安装有精密光阑，标准辐射计的光谱功率响应度直接溯源到光辐射基准低温辐射计，而精密光阑的直径采用精密测量显微镜进行标定；

第二步：调节光路

打开辐射源的电源并将电流设置在规定值，分别打开电动快门、斩波器、滤光片组和单色仪的控制器开关，调节成像系统球面反射镜的位置，使辐射源经过成像系统成像于分光系统中单色仪的入射狭缝上；调节分光系统中的电动快门、斩波器、滤光片组和单色仪的位置，使入射辐射通过分光系统的中心；调节积分球的位置，使分光系统形成的单色辐射通过积分球入口中心；调节大口径平行光管中离轴抛物面反射镜的位置，使积分球出口出射的均匀单色辐射入射到大口径平行光管中离轴抛物面反射镜的中心，从而形成定标所需的准直辐射；分别调节标准辐射计的支架和被测成像光谱仪的支架，使得标准辐射计和被测成像光谱仪的中心高度与准直辐射的中心高度一致；

第三步：计算机控制测量

3.1在计算机的控制下，将标准辐射计和带有I×J个像元的被测成像光谱仪分别移入测量光路，使大口径平行光管出射的准直辐射分别充满照射标准辐射计和被测成像光谱仪的入瞳；计算机将此时标准辐射计和被测成像光谱仪所对应的一维移动平台位置分别记录为x1和x2；

3.2计算机将分光系统中的单色仪调整到第一波长点并控制一维移动平台移动到位置x1处，计算机控制电动快门关闭、打开，分别获得标准辐射计输出的背景信号和测量信号将测量信号扣除背景信号获得标准辐射计在第一波长处的实测信号值

3.3计算机控制一维移动平台移动到位置x2处，计算机控制电动快门关闭、打开，分别获得被测成像光谱仪各像元的背景信号和测量信号 代表成像光谱仪像元的行数且I，代表成像光谱仪像元的列数且J，将各像元的测量信号扣除背景信号，获得被测成像光谱仪各像元在第一波长点处的实测信号值

3.4计算机根据公式(1)计算被测成像光谱仪各像元的光谱辐照度响应度并保存该组数据：

$S(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\×S\left({\mathrm{\λ}}_1\right)---\left(1\right)$

式中，表示标准辐射计在第一波长点处的光谱辐照度响应度，由标准辐射计的光谱功率响应度乘以精密光阑的面积得到；

3.5计算机根据公式(2)计算被测成像光谱仪在第一波长点处响应度均匀性并保存该组计算数据：

$U(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)=\frac{V(i,j,{\mathrm{\λ}}_1)}{V(i^{\′}.j^{\′}.{\mathrm{\λ}}_1)}---\left(2\right)$

式中，表示成像光谱仪在第一波长点处所有像元中实测信号值的最大值；

3.6计算机控制单色仪调整到波长点且m＝2、3……、M，并根据第3.2步和第3.3步的测量步骤，依次获得标准辐射计在其它波长点的实测信号值和被测成像光谱仪各个像元在其它波长点的实测信号值

3.7计算机根据第3.4步和第3.5步计算被测成像光谱仪各像元在其它波长点处的光谱辐照度响应度和被测成像光谱仪在其它波长点处的响应度均匀性并保存该组数据。