CN106525239B - 光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法 - Google Patents

Abstract

该发明提出一种光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法，属于光学测试与计量领域。该方法采用光谱辐射亮度分布已知的标准源对光栅式成像光谱仪进行辐射亮度响应度标定，根据该方法搭建的标定装置由大口径积分球光源系统、大口径光学准直系统及计算机测量软件等组成，通过计算机软件分别对x，y方向的光谱辐射亮度响应度定标，实现了光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度的定标。同时结合调节积分球光源上的狭缝可以实现对光栅式成像光谱仪光谱辐射亮度响应度动态范围的测试。本发明结构简单，测量速度快，通用性强，也可为其他类型成像光谱仪辐射亮度响应度定标提供参考。

Description

光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及成像光谱仪的辐射定标装置及方法，尤其涉及一种光栅式成像光谱仪的空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法。

背景技术

成像光谱仪按照其分光原理主要有光栅型成像光谱仪、干涉型成像光谱仪、AOTF可调谐声光型成像光谱仪等；按照其应用领域目前主要有星载成像光谱仪和机载成像光谱仪等；按照波段可分为可见、近红外和远红外型成像光谱仪。目前可见到近红外光栅型成像光谱仪已经在卫星遥感、空间探测、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得到了广泛的应用。

目前，对于光栅型成像光谱仪的辐射定标还主要是停留在一维方向的光谱响应度辐射定标，但是光栅型成像光谱仪是集图像与光谱于一体的新一代“图谱合一”的先进军用光学侦察系统，其输出是x,y二维图谱，因此，仅仅对一维方向光谱响应度的辐射定标是远远不够的，不能完整的反映成像光谱仪面探测器响应特性。

发明内容

本发明的目的是为光栅型成像光谱仪提供了一种x,y两维方向的空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法，以完整的反映出光栅型成像光谱仪面探测响应特性。

本发明的技术方案为：

所述一种光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置，其特征在于：包括口径不小于300mm的大口径积分球光源系统、口径不小于300mm的大口径光学准直系统及计算机测量设备；

所述大口径积分球光源系统的输出光谱范围覆盖被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围；所述大口径积分球光源系统在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内的光谱辐射亮度可测；所述大口径积分球光源系统的出光口亮度均匀性优于2％；所述大口径积分球光源系统的稳定性优于1％；

所述大口径光学准直系统将大口径积分球光源系统的输出光准直为均匀平面光，且在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内光谱选择性小于1.5％，反射率高于90％；

所述计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪的输出数据，根据所述输出数据计算被测光栅型成像光谱仪x,y两维方向的空间光谱辐射亮度响应度，并存储和输出计算结果；所述计算机测量设备还对大口径积分球光源系统进行监控。

所述一种光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将积分球光源系统，大口径光学准直系统摆放在隔震光学平台上，调节积分球光源系统和大口径光学准直系统的高度和位置，确保积分球光源系统和光学准直系统光轴中心重合，光学准直系统输出光为平行光，且方向与地面平行；

步骤2：将积分球光源系统信号线与计算机测量设备连接，将被测光栅型成像光谱仪移入光路，并采用计算机测量设备连接被测光栅型成像光谱仪，实时记录显示被测光栅型成像光谱仪响应数据；

步骤3：根据计算机测量设备实时显示的响应数据，调节被测光栅型成像光谱仪位置，使入射光斑充满被测光栅型成像光谱仪的视场，调节被测光栅型成像光谱仪俯仰角度，确保入射光垂直入射；

步骤4：调节被测光栅型成像光谱仪镜头焦距，使积分球光源系统出光口准确成像在被测光栅式成像光谱仪入射狭缝处；

步骤5：调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和，并且调节积分球光源系统输出功率时，确保积分球光源系统输出光谱分布不改变；

步骤6：根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，并且实时根据计算机测量设备的记录结果，调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和；

步骤7、根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪积分时间，并且配合调节积分球光源系统输出功率，以及被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD信号强度在最大值的20％到80％之间；

步骤8：计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪响应数据，并对数据进行如下处理：

对x方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第i行的光谱辐射亮度响应度R(x_i,λ)，其中V(x_i,λ)为第i行CCD光谱响应输出电信号值，L(λ)为输入光源相对光谱辐射亮度值；对得到的R(x_i,λ)进行归一化后，完成对x方向光谱辐射亮度响应度标定；

对y方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第j列的光谱辐射亮度响应度R(x_j,λ)，其中V(x_j,λ)为第j列CCD光谱响应输出电信号值，然后由下式求出y方向的标定系数u(x_j,λ)

其中R_j0(x_j,λ)是第j列光谱辐射亮度响应度的平均值，完成对y方向光谱辐射亮度响应度的标定。

有益效果

该发明的有益效果主要有以下几个方面：

一、该发明采用已知光谱辐射亮度分布的标准积分球光源作为标准源对光栅式成像光谱仪进行光谱辐射亮度响应度进行标定，该方法属于溯源至标准源的方法，相较于溯源到探测器的方法，避免了需要考虑标准探测器和被测成像光谱仪视场匹配的问题；

二、该发明提出了对光栅式成像光谱仪x，y方向分别进行定标的方法，该方法相较于其他方法，更能完整准确的体现光栅式成像光谱仪焦平面CCD光谱辐射亮度响应特性；

三、该发明通过调节积分球光源出光口处狭缝，可以同时实现对成像光谱仪光谱辐射亮度响应度动态范围的测试。

四、该发明系统结构简单，较以往单色仪方法，易于实现，配合计算机测量设备，定标速度快，测试结果可实时可视化，可实现对数据的自动处理和保存。

附图说明

图1：光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置原理图。

具体实施方式

下面结合句实施例描述本发明：

本发明的目的是为光栅型成像光谱仪提供了一种x,y两维方向的空间光谱辐射亮度响应度定标装置及方法，以完整的反映出光栅型成像光谱仪面探测响应特性。

如图1所示，本实施例中的光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标装置，其特征在于：包括口径不小于300mm的大口径积分球光源系统、口径不小于300mm的大口径光学准直系统及计算机测量设备。

所述大口径积分球光源系统的输出光谱范围覆盖被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围；所述大口径积分球光源系统在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内的光谱辐射亮度可测；所述大口径积分球光源系统的出光口亮度均匀性为2％。本实施例中大口径积分球光源系统为波长范围为300nm～2500nm的光谱辐射亮度已知标准光源，其输出口径可达到300mm，均匀性达到2％，整个系统的稳定性达到1％。

所述大口径光学准直系统将大口径积分球光源系统的输出光准直为均匀平面光，且在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内，光谱选择性为1.5％，反射率为90％。本实施例中大口径光学准直系统用于准直光路，采用离轴抛物镜，表面镀铝膜层，其反射光谱在300nm～2500nm整个波长范围内光谱选择性达到1.5％，反射率达到90％。

所述计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪的输出数据，根据所述输出数据计算被测光栅型成像光谱仪x,y两维方向的空间光谱辐射亮度响应度，并存储以及分别以图形和表格形式输出计算结果；同时所述计算机测量设备还对大口径积分球光源系统进行监控。

利用上述装置，进行光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标的方法，包括以下步骤：

步骤1：将积分球光源系统，大口径光学准直系统摆放在隔震光学平台上，调节积分球光源系统和大口径光学准直系统的高度和位置，确保积分球光源系统和光学准直系统光轴中心重合，光学准直系统输出光为平行光，且方向与地面平行；

步骤2：将积分球光源系统信号线与计算机测量设备连接，将被测光栅型成像光谱仪移入光路，并采用计算机测量设备连接被测光栅型成像光谱仪，实时记录显示被测光栅型成像光谱仪响应数据；

步骤3：根据计算机测量设备实时显示的响应数据，调节被测光栅型成像光谱仪位置，使入射光斑充满被测光栅型成像光谱仪的视场，调节被测光栅型成像光谱仪俯仰角度，确保入射光垂直入射；

步骤4：调节被测光栅型成像光谱仪镜头焦距，使积分球光源系统出光口准确成像在被测光栅式成像光谱仪入射狭缝处；

步骤5：调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和，并且调节积分球光源系统输出功率时，确保积分球光源系统输出光谱分布不改变；

步骤6：根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，并且实时根据计算机测量设备的记录结果，调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和；

步骤7、根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪积分时间，并且配合调节积分球光源系统输出功率，以及被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD信号强度在最大值的20％到80％之间；

步骤8：计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪响应数据，并对数据进行如下处理：

对x方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第i行的光谱辐射亮度响应度R(x_i,λ)，其中V(x_i,λ)为第i行CCD光谱响应输出电信号值，L(λ)为输入光源相对光谱辐射亮度值；对得到的R(x_i,λ)进行归一化后，完成对x方向光谱辐射亮度响应度标定；

对y方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第j列的光谱辐射亮度响应度R(x_j,λ)，其中V(x_j,λ)为第j列CCD光谱响应输出电信号值，然后由下式求出y方向的标定系数u(x_j,λ)

其中R_j0(x_j,λ)是第j列光谱辐射亮度响应度的平均值，完成对y方向光谱辐射亮度响应度的标定。

本实施方案中，大口径光学准直系统的结构可以是任意一种结构，其核心作用是产生已知光谱分布的平行光斑，其结构可以是离轴抛物镜，凹面镜或着在光学系统中加入平面反射镜改变光路等光学结构。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解。在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (1)

1.一种光栅式成像光谱仪空间光谱辐射亮度响应度定标的方法，其特征在于：采用的定标装置包括口径不小于300mm的大口径积分球光源系统、口径不小于300mm的大口径光学准直系统及计算机测量设备；

所述大口径积分球光源系统的输出光谱范围覆盖被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围；所述大口径积分球光源系统在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内的光谱辐射亮度可测；所述大口径积分球光源系统的出光口亮度均匀性优于2％；所述大口径积分球光源系统的稳定性优于1％；

所述大口径光学准直系统将大口径积分球光源系统的输出光准直为均匀平面光，且在被测光栅型成像光谱仪响应光谱范围内光谱选择性小于1.5％，反射率高于90％；

所述计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪的输出数据，根据所述输出数据计算被测光栅型成像光谱仪x,y两维方向的空间光谱辐射亮度响应度，并存储和输出计算结果；所述计算机测量设备还对大口径积分球光源系统进行监控；

定标方法包括以下步骤：

步骤1：将积分球光源系统，大口径光学准直系统摆放在隔震光学平台上，调节积分球光源系统和大口径光学准直系统的高度和位置，确保积分球光源系统和光学准直系统光轴中心重合，光学准直系统输出光为平行光，且方向与地面平行；

步骤2：将积分球光源系统信号线与计算机测量设备连接，将被测光栅型成像光谱仪移入光路，并采用计算机测量设备连接被测光栅型成像光谱仪，实时记录显示被测光栅型成像光谱仪响应数据；

步骤3：根据计算机测量设备实时显示的响应数据，调节被测光栅型成像光谱仪位置，使入射光斑充满被测光栅型成像光谱仪的视场，调节被测光栅型成像光谱仪俯仰角度，确保入射光垂直入射；

步骤4：调节被测光栅型成像光谱仪镜头焦距，使积分球光源系统出光口准确成像在被测光栅式成像光谱仪入射狭缝处；

步骤5：调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和，并且调节积分球光源系统输出功率时，确保积分球光源系统输出光谱分布不改变；

步骤6：根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，并且实时根据计算机测量设备的记录结果，调节积分球光源系统输出功率，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD器件不会饱和；

步骤7、根据测试要求调节被测光栅型成像光谱仪积分时间，并且配合调节积分球光源系统输出功率，以及被测光栅型成像光谱仪入射狭缝宽度，确保被测光栅型成像光谱仪的CCD信号强度在最大值的20％到80％之间；

步骤8：计算机测量设备记录被测光栅型成像光谱仪响应数据，并对数据进行如下处理：

对x方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第i行的光谱辐射亮度响应度R(x_i,λ)，其中V(x_i,λ)为第i行CCD光谱响应输出电信号值，L(λ)为输入光源相对光谱辐射亮度值；对得到的R(x_i,λ)进行归一化后，完成对x方向光谱辐射亮度响应度标定；

对y方向，利用公式

得到被测光栅型成像光谱仪CCD有效像面第j列的光谱辐射亮度响应度R(x_j,λ)，其中V(x_j,λ)为第j列CCD光谱响应输出电信号值，然后由下式求出y方向的标定系数u(x_j,λ)

其中R_j0(x_j,λ)是第j列光谱辐射亮度响应度的平均值，完成对y方向光谱辐射亮度响应度的标定。