CN104280119B - 一种双列对消红外光谱仪的定标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双列对消红外光谱仪的定标系统，用于对口径大于300mm的双列对消红外光谱仪进行定标；所述定标系统包括：作为定标源的腔式黑体、设置有若干个孔径不同的光阑孔的光阑盘、口径小于双列对消红外光谱仪的口径的平行光管、设置有开孔的背景参考板、以及采集光阑盘温度的第一测温装置和采集背景参考板温度的第二测温装置；平行光管包括：第一曲面反射镜、第二曲面反射镜以及平面反射镜。本发明的定标系统适用于对大口径的双列对消红外光谱仪的定标，并且定标系统成本较低、易于实现。

Description

一种双列对消红外光谱仪的定标系统

技术领域

本发明涉及信号特征控制技术领域，尤其涉及一种双列对消红外光谱仪定标系统。

背景技术

红外光谱仪利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，对物质进行分子结构和化学组成分析。红外光谱仪通常由光源、单色器、探测器和计算机处理信息系统组成。

红外辐射特性是对弱小目标进行探测与识别的重要依据。因此，红外光谱仪广泛用于对空间目标进行探测和识别。通常，为了获取空间目标的红外光谱信息，需要使用大口径的双列对消红外光谱仪。为使得双列对消红外光谱仪的测量数据有效，需要采用相适应的辐射定标技术对双列对消红外光谱仪进行定标。双列对消红外光谱仪的定标不仅关系到测量的成败，也直接影响到对辐射测量结果的解释。

传统的双列对消红外光谱仪定标方法是在室内使用黑体或平行光管进行全孔径照射标校，但这种方法仅适用于口径较小的双列对消红外光谱仪的标校，而对于大口径的双列对消红外光谱仪往往需要大口径面源黑体或大口径平行光管来进行标校。然而，大口径面源黑体或大口径平行光管的设备造价成本高，实现难度大，当口径大到一定程度时甚至无法实现。

因此，有必要提供一种能够适用于大口径的双列对消红外光谱仪的定标，并且成本较低、较易实现的定标系统。

发明内容

本发明提供了一种双列对消红外光谱仪的定标系统，适用于对大口径的双列对消红外光谱仪的定标，并且定标系统成本较低、易于实现。

本发明提供的双列对消红外光谱仪的定标系统，用于对口径大于300mm的双列对消红外光谱仪进行定标；以及

所述定标系统包括：作为定标源的腔式黑体、设置有若干个孔径不同的光阑孔的光阑盘、口径小于所述双列对消红外光谱仪的口径的平行光管、设置有开孔的背景参考板、以及采集所述光阑盘温度的第一测温装置和采集所述背景参考板温度的第二测温装置；所述平行光管包括：第一曲面反射镜、第二曲面反射镜以及平面反射镜；

其中，所述腔式黑体发出的辐射光线，透过所述光阑盘的光阑孔射入所述平行光管；所述平面反射镜将入射到所述平行光管的辐射光线反射到第一曲面反射镜；第一曲面反射镜将入射到本反射镜的辐射光线反射到第二曲面反射镜；第二曲面反射镜将入射到本反射镜的辐射光线转化为平行光后射出所述平行光管；所述背景参考板将所述平行光管射出的平行光经本参考板的开孔射入所述双列对消红外光谱仪。

本发明适用于大口径(口径大于300mm)的双列对消红外光谱测量系统的定标，由腔式黑体、光阑盘、小口径的平行光管、以及背景参考板组合提供红外全谱段的标准辐射，可以满足大口径红外光谱仪各个波段的定标需求，解决了大口径的双列对消红外光谱仪光谱辐射定标问题。而且，本发明的定标系统易于实现，设备成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的双列对消红外光谱仪的定标系统的内部结构示意图；

图2为本发明实施例的光线入射到对准目标探测器和对准背景探测器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的技术方案中，利用腔式黑体、光阑盘、小口径的平行光管、背景参考板组成定标系统以提供标准红外辐射，将双列对消红外光谱仪的测量系统的原始测量信号转换为用于定量描述辐射源光谱信息的辐射照度值，使标校后的大口径的双列对消红外光谱仪具备定量测量的能力，从而实现对大口径的双列对消红外光谱仪的定标。而且，本发明的定标系统结构简单，成本较低，易于实现。

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。本发明实施例提供的双列对消红外光谱仪可用于对口径大于300mm的双列对消红外光谱仪进行定标，其内部结构示意图如图1所示，包括：腔式黑体10、光阑盘20、平行光管30和背景参考板40、以及第一测温装置(图中未标)和第二测温装置(图中未标)。

其中，腔式黑体10作为定标源。

光阑盘20设置有若干个孔径不同的光阑孔，光阑孔的孔径为0.1mm～50mm。在使用定标系统对大口径的双列对消红外光谱仪进行定标时，可以根据待定标的双列对消红外光谱仪的光学传感器的尺寸以及光学结构选取合适的针孔光阑，使得目标在双列对消红外光谱仪的探测器上成像小于该探测器的尺寸。而且，光阑盘20位于平行光管30的焦面处。这样，腔式黑体10和光阑盘20可以实现对辐射源的模拟。

平行光管30的口径小于双列对消红外光谱仪的口径。平行光管30具体包括：第一曲面反射镜32、第二曲面反射镜33以及平面反射镜31。

背景参考板40设置有开孔，开孔的孔径与平行光管30的口径相适应，也就是平行光管30出射的光线可以完全通过背景参考板40而不被遮挡。较佳地，背景参考板40的开孔的孔径与平行光管30的口径相同。

第一测温装置用于采集光阑盘20的温度；第二测温装置用于采集背景参考版40的温度。第一测温装置和第二测温装置具体可以是测温传感器。

在进行双列对消红外光谱仪的定标时，腔式黑体10发出的辐射光线，透过光阑盘20的光阑孔射入平行光管30；平面反射镜31将入射到平行光管30的辐射光线反射到第一曲面反射镜32；第一曲面反射镜32将入射到本反射镜的辐射光线反射到第二曲面反射镜33；第二曲面反射镜33将入射到本反射镜的辐射光线转化为平行光后射出平行光管30；背景参考板40将平行光管30射出的平行光经本参考板的开孔射入双列对消红外光谱仪。

由于双列对消红外光谱仪内置振镜进行目标背景对消，由双列对消红外光谱仪的测量系统的两列探测器(对准目标的探测器和对准背景的探测器)差分得到输出信号。因此如图2所示，在定标过程中，对准目标的探测器接收到的能量由三部分构成：腔式黑体辐射、光阑盘辐射和背景参考板辐射，对准背景的探测器接收到的能量包括光阑盘辐射和背景参考板辐射。

设第i个探测器单元面积为A_di，它经过双列对消红外光谱仪的光学系统和平行光管后在腔式黑体上的投影面积为A_dti，双列对消红外光谱仪的入瞳面积为A_o，焦距为F；平行光管30出射面积为A_c，焦距为f，全口径立体角为Ω_c，平行光管30对光谱仪n个通道的透过率分别为τ_i(i＝1,2,3...,n)；腔式黑体10温度为T_bb，腔式黑体10发射率为ε_bb，背景参考板40温度为T_bkg，背景参考板40发射率为ε_bkg，光阑盘20温度为T_dph，光阑盘20发射率为ε_dph，腔式黑体在测量设备波段范围的积分辐亮度为L_bb(T_bb)，背景参考板40在测量设备波段范围的积分辐亮度为L_bkg(T_bkg)，光阑盘20在测量设备波段范围的积分辐射亮度为L_dph(T_dph)。

根据几何成像关系，可知：

$A_{\mathrm{dti}}=\frac{f^2}{F^2}{A}_{\mathrm{di}}$ (公式1)

腔式黑体10通过光阑孔能被探测器接收到的辐射通量为：

${\mathrm{\Φ}}_1=L_{\mathrm{bb}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)A_{\mathrm{bb}}\frac{A_c}{f^2}{\mathrm{\τ}}_i$ (公式2)

光阑孔附近的部分光阑盘能被探测器接收到的辐射通量为：

${\mathrm{\Φ}}_2=L_{\mathrm{dph}}\left(T_{\mathrm{dph}}\right)(A_{\mathrm{dti}}-A_{\mathrm{bb}})\frac{A_c}{f^2}{\mathrm{\τ}}_i$ (公式3)

背景参考板40产生能被探测器接收到的辐射通量为：

${\mathrm{\Φ}}_3=L_{\mathrm{bkg}}\left(T_{\mathrm{bkg}}\right)(A_o-A_c)\frac{A_{\mathrm{di}}}{F^2}$ (公式4)

对准目标探测器上接收到的入瞳处的辐射照度表示为：

$E_A=L_{\mathrm{bb}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)A_{\mathrm{bb}}\frac{A_c{\mathrm{\τ}}_i}{f^2{A}_o}+L_{\mathrm{dph}}\left(T_{\mathrm{dph}}\right)(A_{\mathrm{dti}}-A_{\mathrm{bb}})\frac{A_c{\mathrm{\τ}}_i}{f^2{A}_o}+L_{\mathrm{bkg}}\left(T_{\mathrm{bkg}}\right)(A_o-A_c)\frac{A_{\mathrm{di}}}{F^2{A}_o}$ (公式5)

公式5中，i＝1,2,...,n。

对准背景探测器上接收到的入瞳处辐射照度表示为：

$E_B=L_{\mathrm{dph}}\left(T_{\mathrm{dph}}\right)(A_{\mathrm{dti}}-A_{\mathrm{bb}})\frac{A_c{\mathrm{\τ}}_i}{f^2{A}_o}+L_{\mathrm{bkg}}\left(T_{\mathrm{bkg}}\right)(A_o-A_c)\frac{A_{\mathrm{di}}}{F^2{A}_o}$ (公式6)

公式6中，i＝1,2,...,n。

对消后决定双列对消红外光谱仪输出信号的有效辐射照度表示为：

$E=E_A-E_B=(L_{\mathrm{bb}}\left(T_{\mathrm{bb}}\right)-L_{\mathrm{dph}}\left(T_{\mathrm{dph}}\right))A_{\mathrm{bb}}\frac{A_c}{f^2}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{A_o},(i=\mathrm{1,2},...,45)$ (公式7)

由上式即可确定光谱测量系统入瞳处的辐射照度，再根据系统输出的响应信号，生成双列对消红外光谱仪每个通道的标定曲线，就可以实现对双列对消红外光谱仪的光谱辐射标校。

具体地，双列对消红外光谱仪的标校工作的具体方法可以包括：设定本次标校所采用的腔式黑体的温度点，并使腔式黑体进入变温稳定过程；待腔式黑体温度稳定后，双列对消红外光谱仪接收采集指令采集数据，同时采集背景参考板及光阑盘温度数据，待采集完成后黑体继续变温，采集下一个温度点，循环采集完所有温度点后，计算每个温度点双列对消红外光谱仪入瞳处的等效辐射，调取双列对消红外光谱仪的响应数据，生成双列对消红外光谱仪每个通道的标校曲线，标校完成。

本发明适用于大口径(口径大于300mm)的双列对消红外光谱测量系统的定标，由腔式黑体、光阑盘、小口径的平行光管、以及背景参考板组合提供红外全谱段的标准辐射，可以满足大口径红外光谱仪各个波段的定标需求，利用双列对消对消背景辐射，提高了定标及测量的精度，受环境影响小，解决了大口径的双列对消红外光谱仪光谱辐射定标问题。而且，本发明的定标系统易于实现，设备成本较低。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双列对消红外光谱仪的定标系统，其特征在于，用于对口径大于300mm的双列对消红外光谱仪进行定标；以及

所述定标系统包括：作为定标源的腔式黑体、设置有若干个孔径不同的光阑孔的光阑盘、口径小于所述双列对消红外光谱仪的口径的平行光管、设置有开孔的背景参考板、以及采集所述光阑盘温度的第一测温装置和采集所述背景参考板温度的第二测温装置；所述平行光管包括：第一曲面反射镜、第二曲面反射镜以及平面反射镜；

其中，所述腔式黑体发出的辐射光线，透过所述光阑盘的光阑孔射入所述平行光管；所述平面反射镜将入射到所述平行光管的辐射光线反射到第一曲面反射镜；第一曲面反射镜将入射到本反射镜的辐射光线反射到第二曲面反射镜；第二曲面反射镜将入射到本反射镜的辐射光线转化为平行光后射出所述平行光管；所述背景参考板将所述平行光管射出的平行光经本参考板的开孔射入所述双列对消红外光谱仪。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光阑盘位于所述平行光管的焦面处。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述背景参考板的开孔的孔径与所述平行光管的口径相同。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一曲面反射镜位于所述第二曲面反射镜反射的辐射光线的光路之外。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光阑盘上的光阑孔的孔径为0.1mm～50mm。