CN107607194B - 高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性标定系统及方法，可实现多点连续的光电探测器的标定。该标定系统中，转臂一端与测试平台铰接固定，转臂另一端固定所述待标定探测器，转臂的转动平面与测试平台的承载面平行；激光器出射的光经分光片分光后,一路反射后进入功率计,一路折射后经BRDF测试样片散射，待标定探测器收集经BRDF测试样片散射后的激光器能量；转臂能够带动待标定探测器以激光器在BRDF测试样片的入射点所在轴线为中心轴转动，使待标定探测器获得不同散射角度下的散射能量；数据采集控制系统同步采集功率计和待标定探测器获得的能量信号。

Description

高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性标定系统及方法

技术领域：

本发明属于光电测试领域，涉及一种光电探测器能量响应特性标定的方法和装置，其中能量响应特性包含增益系数、线性范围。

背景技术：

高动态线性范围的光电探测器是点源透过率(PST)测试、杂散光测试等应用中的核心器件，在该类测试中需要在弱光条件下有10⁶～10¹⁰以上的线性范围；而现有的光电探测器的线性范围只有10³～10⁴；故需使探测器工作于不同的增益，通过标定增益系数，从而得到高动态能量线性响应的探测器。

该类光电探测器的增益系数、线性范围的精确标定是影响PST测试精度的关键技术。

光电探测器的线性范围的标定方法主要有：平方反比律法、滤光片法(衰减片法)等。平方反比律法利用光源能量随距离的衰减规律,通过距离的变化反推能量的变化,因而需要较长的作业距离,同时也需要对环境杂光严格控制。滤光片法是利用吸收型衰减片的衰减作用，实现光源能量的改变，故需要对滤光片的衰减率进行精确标定,而对于衰减率大于95％的吸收型滤光片的测试误差较大；衰减率小的衰减片成组使用实现大衰减率,鉴于相互之间的反射使得实际效果不理想。

目前,较为有效可行的标定方法是利用折射、衍射原理的分光器件的分光比为恒定值,但该方法只是得到分离的孤立的点,对于不同工作电压下探测器的响应倍率的标定结果不稳定。

发明内容：

本发明提出了一种高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性标定系统及方法，可实现多点连续的光电探测器的标定。

本发明的方案如下：

一种高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性的标定系统，包括激光器、分光片、功率计、BRDF测试样片、测试平台、转臂、待标定探测器和数据采集控制系统；所述BRDF测试样片承载于测试平台，转臂一端与测试平台铰接固定，转臂另一端固定所述待标定探测器，转臂的转动平面与测试平台的承载面平行；激光器出射的光经分光片分光后,一路反射后进入功率计,一路折射后经BRDF测试样片散射，待标定探测器收集经BRDF测试样片散射后的激光器能量；转臂能够带动待标定探测器以激光器在BRDF测试样片的入射点所在轴线为中心轴转动，使待标定探测器获得不同散射角度下的散射能量；所述数据采集控制系统同步采集功率计和待标定探测器获得的能量信号。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

激光器和待标定探测器分别位于测试平台及BRDF测试样片的两侧。

该标定系统还包括主要由斩波器和锁相放大器组成的信号调制解调系统，用以减少背景光的影响、提高系统对微弱信号的提取能力。

所述测试平台为转台；BRDF测试样片设置于转台的旋转中心，转台的旋转中心与转臂一端所述的中心轴同轴但相互独立。

所述待标定探测器在转臂另一端的安装位置高于BRDF测试样片所在位置，从而避免因测试平台边缘遮挡对散射光的探测带来影响。

在待标定探测器的前端还同轴固定设置有光学镜头，作为散射光收集的入口。

所述测试平台的中心对应于激光器在BRDF测试样片的入射点。

采用上述标定系统对光电探测器能量响应特性进行标定的方法，包括以下步骤：

1)将平面反射镜置于测试平台并调整位置，使得激光器在平面反射镜的入射点与转臂的转动中心重合；

2)根据BRDF测试样片的散射特性，确定平面反射镜与入射激光的角度；

3)转动转臂至平面反射镜反射后的激光出射方向，调整待标定探测器，使经平面反射镜反射后的激光正入射于待标定探测器；

4)将平面反射镜换成BRDF测试样片，将激光器能量设置为固定值W₀输出，开启功率计、数据采集控制系统、待标定探测器；转动转臂，得到不同散射角θ_s下、同步时刻t_s的待标定探测器响应值

功率计的响应值

采集后向散射的数据；计算待标定探测器响应值与功率计的响应值的比值

5)依次调整激光器能量为不同的固定值W₁、W₂、W₃、…，重复步骤4)，相应得到

6)若待标定探测器在线性区响应，则

将高度吻合，由

之间对应θ_s的不一致程度，得到待标定探测器的响应特性；

7)在待标定探测器响应的线性区内，同一激光器能量固定值W_i下，改变待标定探测器的增益，由对应θ_s的待标定探测器不同增益条件下的比值

即得到增益系数(即响应倍率)。

其中，步骤1)具体可按照以下方式实现：将激光器开启，使入射激光穿过转台中心；将平面反射镜置于转台，转动转台，调整平面反射镜，使入射激光在平面反射镜的入射点不随转台转动发生横向移动，即将平面反射镜固定于转台中心。

本发明的技术效果如下：

利用某些涂层材料的双向反射特性(BRDF)、大角度散射、散射分光中散射比随角度的连续性，实现了高动态、多点连续的光电探测器的线性范围、增益系数的标定。

通过光路设计，利用分光片、功率计，同步采集功率计和待标定探测器响应值，消除光源波动对标定结果的影响。

附图说明：

图1为本发明的标定系统的示意图。

图2为图1中BRDF测试样片、测试转台、转臂、光学镜头以及待标定探测器的空间位置示意图；BRDF测试样片垂直于纸面放置,激光平行于纸面方向、与BRDF测试样片的法线成一定的角度入射，转臂在激光与BRDF测试样片的法线决定的平面内转动。

图3为不同入射激光能量下待标定探测器的响应曲线(理想状态下，该族曲线应完全重合)。

附图标号说明：

1-激光器，其输出能量可调；

2-分光片,其分光比已精确标定；

3-激光功率计,可监控激光能量的波动；

4-斩波器，用于入射激光的调制；

5-锁相放大器，用于探测器信号的解调；

6-光学镜头，用于能量收集；

7-待标定探测器，与光学镜头组成能量接收系统；

8-转臂，带动能量收集系统转动，获得不同散射角度下的散射能量；

9-BRDF测试样片，标准物质，其表面属性具有较长的时间稳定性；

10-测试转台，用于测试样片的安装、调整；

11-数据采集控制系统，同步采集激光功率计、探测器的信号。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，激光器1出射的光经分光片2分光后,一路反射后进入激光功率计3,一路折射后经BRDF测试样片9散射；光学镜头6和其焦面处的待标定探测器7组成能量收集系统，收集经BRDF测试样片9散射后的激光器能量。转臂8带动能量收集系统收集以激光器在BRDF测试样片的入射点为中心转动、得到不同散射角度下的散射能量。数据采集控制系统11同步采集激光功率计、探测器的信号，可以消除因激光器输出能量不稳定对测试的影响。斩波器4和锁相放大器5组成的信号调制、解调系统可减少背景光的影响，提高系统对微弱信号的提取能力。

如图2所示，转臂8位于测试转台10下方，测试转台10的旋转中心与转臂8一端的旋转中心轴同轴但相互独立，转臂8另一端设置待标定探测器7(以及光学镜头6)的安装支架/凸台，使得待标定探测器的安装位置高于BRDF测试样片所在位置。

具体测试方法如下：

(1)将激光器开启，使入射激光穿过测试转台中心；将平面反射镜置于测试转台，转动测试转台，调整平面反射镜，使入射激光在平面反射镜的入射点不随测试转台转动发生横向移动，即将平面反射镜固定于测试转台中心；

(2)使平面反射镜与入射激光角度为θ_i，其中θ_i可根据BRDF测试样片的散射特性确定；锁定测试转台；

(3)安装光学镜头与待标定探测器组成的能量收集系统，转动转臂至平面镜反射后的激光出射方向，调整能量收集系统，使经平面镜反射后的激光正入射于能量收集系统；

(4)将平面镜换成BRDF测试样片，将激光器能量设置为固定值W₀输出，开启斩波器、锁相放大器、功率计、数据采集控制系统、待标定探测器；转动转臂，得到不同散射角θ_s下、同步时刻t_s的待标定探测器响应值

功率计的响应值

因前向散射，散射能量分布随散射角变化剧烈，故最好采集θ_s≥θ_f后向散射的数据。

前向散射是指散射发生在镜面反射角θ_f内，后向散射是指散射发生在镜面反射角θ_f外。

(5)将激光器能量设置于固定值W₁、W₂、W₃、…，从而得到

如图3所示。

(6)若待标定探测器在线性区响应，则

将高度吻合，由

间，对应θ_s下的不一致程度，可得到探测器的响应特性；

(7)在探测器响应的线性区内，同一W_i下，改变探测器的增益，由对应θ_s下，待标定探测器不同工作下的比值

可得到响应倍率。

Claims (9)

1.高动态、多点连续的光电探测器能量响应特性标定系统，其特征在于：包括激光器、分光片、功率计、BRDF测试样片、测试平台、转臂、待标定探测器和数据采集控制系统；所述BRDF测试样片承载于测试平台，转臂一端与测试平台铰接固定，转臂另一端固定所述待标定探测器，转臂的转动平面与测试平台的承载面平行；激光器出射的光经分光片分光后,一路反射后进入功率计,一路折射后经BRDF测试样片散射，待标定探测器收集经BRDF测试样片散射后的激光器能量；转臂能够带动待标定探测器以激光器在BRDF测试样片的入射点所在轴线为中心轴转动，使待标定探测器获得不同散射角度下的散射能量；所述数据采集控制系统同步采集功率计和待标定探测器获得的能量信号。

2.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：激光器和待标定探测器分别位于测试平台及BRDF测试样片的两侧。

3.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：该标定系统还包括主要由斩波器和锁相放大器组成的信号调制解调系统，用以减少背景光的影响、提高系统对微弱信号的提取能力。

4.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：所述测试平台为转台；BRDF测试样片设置于转台的旋转中心，转台的旋转中心与转臂一端所述的中心轴同轴但相互独立。

5.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：所述待标定探测器在转臂另一端的安装位置高于BRDF测试样片所在位置。

6.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：在待标定探测器的前端还同轴固定设置有光学镜头，作为散射光收集的入口。

7.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于：所述测试平台的中心对应于激光器在BRDF测试样片的入射点。

8.一种采用权利要求1所述标定系统对光电探测器能量响应特性进行标定的方法，包括以下步骤：

1)将平面反射镜置于测试平台并调整位置，使得激光器在平面反射镜的入射点与转臂的转动中心重合；

2)根据BRDF测试样片的散射特性，确定平面反射镜与入射激光的角度；

3)转动转臂至平面反射镜反射后的激光出射方向，调整待标定探测器，使经平面反射镜反射后的激光正入射于待标定探测器；

4)将平面反射镜换成BRDF测试样片，将激光器能量设置为固定值W₀输出，开启功率计、数据采集控制系统、待标定探测器；转动转臂，得到不同散射角θ_s下、同步时刻t_s的待标定探测器响应值

功率计的响应值

采集后向散射的数据；计算待标定探测器响应值与功率计的响应值的比值

5)依次调整激光器能量为不同的固定值W₁、W₂、W₃、…，重复步骤4)，相应得到

…；

6)若待标定探测器在线性区响应，则

…将高度吻合，由

…之间对应θ_s的不一致程度，得到待标定探测器的响应特性；

7)在待标定探测器响应的线性区内，同一激光器能量固定值W_i下，改变待标定探测器的增益，由对应θ_s的待标定探测器不同增益条件下的比值

即得到增益系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述测试平台为转台；步骤1)具体按照以下方式实现：将激光器开启，使入射激光穿过转台中心；将平面反射镜置于转台，转动转台，调整平面反射镜，使入射激光在平面反射镜的入射点不随转台转动发生横向移动，即将平面反射镜固定于转台中心。

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