CN108180999A - 基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置及方法，包括绝对光谱功率响应度、绝对光谱辐照度（辐亮度）响应度，绝对光谱功率响应度装置可以实现对标准传递探测器绝对功率响应度进行定标，通过设计辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器的孔径几何和辐射定标方法，实现绝对测量辐照度（辐亮度）的功能，搭建绝对光谱辐照度（辐亮度）响应度定标装置，将溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器的绝对量值传递至用户传感器，在中长波红外对用户传感器进行超精细的光谱扫描，获得绝对光谱辐照度（辐亮度）响应度，使得到达用户传感器的定标精度优于2%，对于提高红外光学遥感器的定量化反演水平将起到非常关键作用。

Description

基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置及方法

技术领域

本发明涉及遥感科学和光辐射测量技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置及方法。

背景技术

红外波段的光电遥感器是我国新一代对地观测使命、国家重大科技专项“高分辨对地观测系统”、气象和气候预报、天文目标探测等领域的主要探测手段之一，其观测数据的质量直接影响全球辐射能平衡、温室气体时空分布以及长期气候监测等重大科学问题的实现程度。

相对于可见光～短波红外波段，我国中长波红外波段(3μm-5μm，8μm-14μm)的定标技术长期相对滞后，先导技术的研发和储备已越来越难以满足应用需求。以长期气候观测要求为例，红外波段光电遥感器应当具备优于0.1K的绝对定标不确定度，而目前我国业务定标能够达到的最优不确定度约为1.5K(如风云气象卫星)，落后1个量级以上。

在中长波红外波段，目前能够业务应用的仍然是一个世纪以前发展起来的基于黑体辐射的绝对定标技术，在这一波段国家标准实验室能够达到的最高辐射不确定度在10^-3～10^-2量级，如图1所示。

黑体辐射器的光谱辐射随温度和波长的改变而变化，其变化规律符合普朗克黑体辐射定律，因此黑体的光谱辐照度和光谱辐亮度标准可以由其温度标准推得。这种实现方法最大的不确定度来源于温度的测量，实际操作中由于温度难以精确控制和测量，黑体内部温度的分布难以保证高度均匀性，因而其测量不确定度较大，经标准传递，到工作标准上的不确定度为1％－7％，经过多次标准传递，最终实际传递到光谱辐射测量仪器的不确定度已经达到了5％－15％。

为满足我国近期和未来基础物理量的计量、对地观测、全球气候监测等重大科学计划的应用需求，保障遥感观测数据定量化应用水平，中长波红外波段定标精度应达到优于2％，迫切需要提高我国现有的红外定标设备水平，建立具有我国自主知识产权的技术系统和关键定标装置。低温绝对辐射计是目前解决红外波段定标精度的唯一有效技术途径，它集成了低温、真空和超导技术，利用电替代方法测量光辐射功率，初级标准辐射测量精度达到优于0.01％的水平，通过性能优越的标准传递探测器进行光辐射测量和高精度量值传递，使得到达用户传感器的定标精度优于2％，对于提高红外光学遥感器的定量化反演水平将起到非常关键作用，如图2所示。

建立基于低温绝对辐射计的标准传递链路，将实现光学传感器向低温绝对辐射计高精度标准的直接溯源，发展基于可调谐激光导入积分球的系统级定标方法，将是提高我国卫星遥感器红外波段定标精度的必要技术途径，缩小与国外发达国家的先进定标技术的差距，以满足基础物理量计量、空间辐射基准载荷定标、对地观测、气候观测等重大科学需求。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，包括有可调谐激光器一、激光波长计一、激光功率稳定器一、斩波器一、镀金积分球、辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器，将可调谐激光器一发出的可调激光入射到分束镜，反射部分入射进入到激光波长计一，透射部分依次经过偏振棱镜、激光功率稳定器一控制后入射到斩波器一，经斩波器一调制后的交流信号入射到镀金积分球内，经镀金积分球多次反射和消相干后，在积分球的出口位置形成均匀、稳定性的单色辐照度和辐亮度光源，将辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器分别置于电控平移台上，辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器中心轴线分别与镀金积分球的法线方向对准，利用辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器测量积分球出口一定距离位置的绝对光谱辐照度和积分球出口的辐亮度，被测探测器切换到定标光路中，获得电压值，联合辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器的测量结果，得到被测探测器的绝对光谱响应定标系数。

所述的镀金积分球是在壳体上采用电镀金漫反射涂层，在积分球球壳上安装电机转动的旋转漫射片和监视探测器。

所述的辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器是光谱辐射照度和光谱辐射亮度的绝对测量设备，内置光电探测器、光阑以及视场限制模块，所述的光阑选用膨胀系数小的铜材料作为光阑的材料，视场限制模块采用铝材料，光阑和视场限制模块用液氮进行制冷，辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器是利用基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置进行定标，光阑以及视场限制模块通过几何校准设备进行绝对校准，获得高精度的绝对光谱辐照度响应度和绝对光谱辐亮度响应度定标系数，利用辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器，可以对积分球的出口光谱辐亮度以及到达探测器的光谱辐照度进行绝对测量。

所述的基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置包括有可调谐激光器二、激光功率稳定器二、激光波长计二、空间滤波器、斩波器二、标准探测器、低温辐射计，可调谐激光器二发出的激光依次经带通滤光片和分束器后，反射部分入射到激光波长计二，透射部分依次经偏振片、激光功率稳定器二、空间滤波器和斩波器二后入射到低温绝对辐射计，利用低温绝对辐射计测量入射到内部的激光绝对功率，标准传递探测器采集斩波器二输出信号的输出电压值，获得标准传递探测器在各个波长点的绝对功率响应度值，利用小孔光阑面积测量标准装置以及长度几何标准设备对辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器的孔径面积和几何因子进行校准，获得辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器的光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数。

一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标方法，具体步骤如下：

(1)按照基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置调节定标光路，将可调谐激光导入到低温绝对辐射计，将标准传递探测器在中长波红外波段相对于低温绝对辐射计进行绝对功率响应度定标；

(2)对标准传递探测器定标的辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器的有效孔径和几何参量进行校准，获得光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数；

(3)按照所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置调节定标光路；

(4)打开可调谐激光器一、激光波长计一、激光功率稳定器一、标准传递探测器测量设备的电源，预热30分钟以上；

(5)将辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器分别切换到光谱辐照度和光谱辐亮度响应度测量的主光路中，调节可调谐激光器一到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下标准传递探测器的采样的信号值；

(6)将被测探测器切换到主光路中，调节可调谐激光器一到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下被测探测器的采样的信号值；

(7)计算被测探测器在该波长位置的绝对光谱响应度；

(8)调节可调谐激光器的输出波长值，重复步骤(5)、(6)、(7)，可以得到被测探测器在所有工作波段的绝对光谱响应度。

本发明的优点是：本发明通过建立中长波红外传感器的绝对光谱响应度定标系统，保障我国目前多种型号卫星在红外波段的数据观测精度和产品质量，将目前的红外辐射基准从源头上进行改进，利用直接溯源于最高精度的低温绝对辐射计的定标方法，减小温度和发射率测量过程诸多误差环节，提高红外辐射基础物理量测量的精度水平。另外本发明介绍的基于中长波红外传感器的绝对光谱响应度的定标方法是系统级定标方法，在载荷研制完成后，对整机进行定标的过程，这个过程更接近仪器实际工作状态，避免仪器装调过程中几何位置、角度变化等对定标结果的影响，能更进一步提高仪器系统的定标精度。

附图说明

图1为基于黑体辐射源的标准传递链路图。

图2为基于标准传递探测器的标准传递链路图。

图3为基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标示意图。

图4为中长波红外传感器的绝对光谱响应度定标装置示意图。

具体实施方式

如图4所示，一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，包括有可调谐激光器一1、激光波长计一2、激光功率稳定器一3、斩波器一4、镀金积分球5、辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20和被测探测器7，将可调谐激光器一1发出的可调激光入射到分束镜8，反射部分入射进入到激光波长计一2，透射部分依次经过偏振棱镜9、激光功率稳定器一3控制后入射到斩波器一4，经斩波器一4调制后的交流信号入射到镀金积分球5内，经镀金积分球5多次反射和消相干后，在积分球5的出口位置形成均匀、稳定性的单色辐照度和辐亮度光源，将辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20和被测探测器7分别置于电控平移台10上，辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20和被测探测器7中心轴线分别与镀金积分球5的法线方向对准，利用辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20测量积分球出口一定距离位置的绝对光谱辐照度和积分球出口的辐亮度，被测探测器7切换到定标光路中，获得电压值，联合辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20和被测探测器7的测量结果，得到被测探测器7的绝对光谱响应定标系数。

所述的镀金积分球5是在壳体上采用电镀金漫反射涂层，在积分球球壳上安装电机转动的旋转漫射片和监视探测器。

所述的辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20是光谱辐射照度和光谱辐射亮度的绝对测量设备，内置光电探测器、光阑以及视场限制模块，所述的光阑选用膨胀系数小的铜材料作为光阑的材料，视场限制模块采用铝材料，光阑和视场限制模块用液氮进行制冷，辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20利用基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置进行定标，光阑以及视场限制模块通过几何校准设备进行绝对校准，获得高精度的绝对光谱辐照度响应度和绝对光谱辐亮度响应度定标系数，利用辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20，可以对积分球的出口光谱辐亮度以及到达探测器的光谱辐照度进行绝对测量。

如图3所示，所述的基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置包括有可调谐激光器二11、激光功率稳定器二12、激光波长计二13、空间滤波器14、斩波器二15、低温辐射计16，可调谐激光器二11发出的激光依次经带通滤光片17和分束器18后，反射部分入射到激光波长计二13，透射部分依次经偏振片19、激光功率稳定器二12、空间滤波器14和斩波器二15后入射到低温绝对辐射计16，利用低温绝对辐射计16测量入射到内部的激光绝对功率，辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20采集斩波器二15输出信号的输出电压值，获得在各个波长点的绝对功率响应度值，利用小孔光阑面积测量标准装置以及长度几何标准设备对辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20的孔径面积和几何因子进行校准，获得光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数。

一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标方法，具体步骤如下：

(1)按照基于低温绝对辐射计16绝对功率响应度定标装置调节定标光路，将可调谐激光导入到低温绝对辐射计16，将辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20在中长波红外波段相对于低温绝对辐射计16进行绝对功率响应度定标；

(2)对辐照度标准探测器6、辐亮度标准探测器20的有效孔径和几何参量进行校准，获得光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数；

(3)按照所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置调节定标光路；

(4)打开可调谐激光器一1、激光波长计一2、激光功率稳定器一3、辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20测量设备的电源，预热30分钟以上；

(5)将辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20分别切换到光谱辐照度响应度和光谱辐亮度测量的主光路中，调节可调谐激光器一到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下辐照度标准探测器6和辐亮度标准探测器20的采样的信号值；

(6)将被测探测器7切换到主光路中，调节可调谐激光器一1到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下被测探测器的采样的信号值；

(7)计算被测探测器7在该波长位置的绝对光谱响应度；

(8)调节可调谐激光器的输出波长值，重复步骤(5)、(6)、(7)，可以得到被测探测器在所有工作波段的绝对光谱响应度。

所述的镀金积分球5，主要是采用镀金的涂层，对入射到积分球内部的激光进行多次反射，从而在积分球出口位置出现均匀、稳定的辐照度和辐亮度光源。

Claims (5)

1.一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，其特征在于：包括有可调谐激光器一、激光波长计一、激光功率稳定器一、斩波器一、镀金积分球、辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器，将可调谐激光器一发出的可调激光入射到分束镜，反射部分入射进入到激光波长计一，透射部分依次经过偏振棱镜、激光功率稳定器一控制后入射到斩波器一，经斩波器一调制后的交流信号入射到镀金积分球内，经镀金积分球多次反射和消相干后，在积分球的出口位置形成单色辐照度和辐亮度光源，将辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器分别置于电控平移台上，辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器中心轴线分别与镀金积分球的法线方向对准，利用辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器分别测量积分球出口一定距离位置的绝对光谱辐照度和积分球出口的辐亮度，再通过电控平移台将被测探测器切换到光路中，获得电压值，联合辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器和被测探测器的测量结果，得到被测探测器的绝对光谱响应定标系数。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，其特征在于：所述的镀金积分球是在壳体上采用电镀金漫反射涂层，在积分球球壳上安装电机转动的旋转漫射片和监视探测器。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，其特征在于：所述的辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器分别是光谱辐射照度和光谱辐射亮度的绝对测量设备，辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器均内置光电探测器、光阑以及视场限制模块，所述的光阑选用铜材料，视场限制模块采用铝材料，光阑和视场限制模块用液氮进行制冷，辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器利用基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置进行定标，光阑以及视场限制模块通过几何校准设备进行绝对校准，获得绝对光谱辐照度响应度和绝对光谱辐亮度响应度定标系数，利用辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器，分别对积分球的出口光谱辐亮度以及到达探测器的光谱辐照度进行绝对测量。

4.根据权利要求3所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置，其特征在于：所述的基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置包括有可调谐激光器二、激光功率稳定器二、激光波长计二、空间滤波器、斩波器二、低温绝对辐射计，可调谐激光器二发出的激光依次经带通滤光片和分束器后，反射部分入射到激光波长计二，透射部分依次经偏振片、激光功率稳定器二、空间滤波器和斩波器二后入射到低温绝对辐射计，利用低温绝对辐射计测量入射到内部的激光绝对功率，辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器内的光电探测器采集斩波器二输出信号的输出电压值，获得在各个波长点的绝对功率响应度值，利用小孔光阑面积测量标准装置以及长度几何标准设备对光电探测器的孔径面积和几何因子进行校准，获得辐照度标准探测器和辐亮度标准探测器的光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数。

5.一种基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）按照基于低温绝对辐射计绝对功率响应度定标装置调节定标光路，将可调谐激光导入到低温绝对辐射计，将辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器在中长波红外波段相对于低温绝对辐射计进行绝对功率响应度定标；

（2）对辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器的有效孔径和几何参量进行校准，获得光谱辐照度响应度和光谱辐亮度响应度系数；

（3）按照所述的基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置调节定标光路；

（4）打开可调谐激光器一、激光波长计一、激光功率稳定器一、辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器测量设备的电源，预热30分钟以上；

（5）将辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器分别切换到基于激光扫描的红外探测器绝对响应度定标装置的主光路中，调节可调谐激光器一到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下辐照度标准探测器、辐亮度标准探测器的采样的信号值；

（6）再将被测探测器切换到主光路中，调节可调谐激光器一到某一个波长点位置，记录有激光入射和无激光入射两种情况下被测探测器的采样的信号值；

（7）计算被测探测器在该波长位置的绝对光谱响应度；

（8）调节可调谐激光器的输出波长值，重复步骤（5）、（6）、（7），可以得到被测探测器在所有工作波段的绝对光谱响应度。