CN109297685A - 一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置，属于光学测试技术领域。所述测试装置包括：标准面元黑体辐射源、第一三维调整台、红外辐射计、第二三维调整台、可调整支撑架，控制计算机；所述标准面元黑体辐射源输出辐射光束，辐射光束进入被测光电参数测量装置大口径平行光管的光学系统后，由所述红外辐射计接收探测平行光管出射辐射度，测量数据由控制计算机进行处理分析得到光谱透过率数据；所述第一三维调整台用于调整所述标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，所述第二三维调整台用于调整红外辐射计与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。

Description

一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测试技术领域，特别涉及一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置及方法。

背景技术

近年来，空间目标探测已成为国内外的重要研究领域，尤其采用红外技术对空间目标进行探测更是受到各国的广泛关注。目标红外辐射测量是获取目标信息，对目标进行识别、跟踪的基础技术之一。红外光学系统要完成对目标红外辐射特性的测量，在研制过程中和外场使用前都必须进行精确的性能测试标定，以保证测量的准确性。

利用黑体辐射源和平行光管的组合系统是红外光学系统测试中非常重要的一类光电参数测量装置，它将黑体放置在平行光管的焦平面上，经准直、扩束后为待定红外光学系统提供具有一定发散角的辐射源，实现对红外光学系统的光电参数定标。光电参数测量装置中的黑体辐射源是用来模拟中远红外辐射目标，对一个实际的黑体来说，其量值可以精确溯源，平行光管的焦距随时间变化量可以忽略不计。但是由于光电参数测量装置的平行光管非密封设计，光学部件直接暴露在实验室环境，从而使光学器件长期受水汽、灰尘等因素的影响，造成光学部件的反射率逐渐发生变化。另一方面，红外光易受到背景辐射和空气等因素的影响，从而使光学系统的透过率在不同的实验室条件下也会产生较大偏差。但是平行光管光学系统体积大、装调精度要求高，无法送到计量机构校准，在红外光学系统检测时，如果仍采用测量装置出厂时的光谱透过率指标，必然会与实际值产生较大偏差。因此必须对测量装置的平行光管光谱透过率进行现场校准。

目前测试方法受到点源平行光管的口径以及接收探测器面积的限制，不易实现大口径光学系统的测试，同时测试过程中需要两次移动被测光学系统，易受背景光的影响和其它噪声的干扰，因此对测试条件较为苛刻，必须在实验室环境下工作。同时光学系统的透过率测试，仅进行宽波段内的平均透过率，无法实现测试系统的光谱透过率，或者单色激光作为光源测试某一波长处的透过率，不能真正反映光电参数测量装置平行光管的光谱透过率。

用于红外光学系统测试的光电参数测量装置中的平行光管口径大，且体积大难以移动，无法在现场环境条件下对其光谱透过率进行有效测量，因此设计一种在光电参数测量装置现场环境条件下对其大口径平行光管的光谱透过率进行测试的方法，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置及方法，解决目前光电参数测量装置中大口径平行光管光谱透过率现场校准的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置，包括：标准面元黑体辐射源、第一三维调整台、红外辐射计、第二三维调整台、可调整支撑架，控制计算机；

所述标准面元黑体辐射源输出辐射光束，辐射光束进入被测光电参数测量装置大口径平行光管的光学系统后，由所述红外辐射计接收探测平行光管出射辐射度，测量数据由控制计算机进行处理分析得到光谱透过率数据；

所述第一三维调整台用于调整所述标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，所述第二三维调整台用于调整红外辐射计与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。

可选地，所述红外辐射计为窄视场宽光谱红外辐射计。

可选地，所述标准面元黑体辐射源产生测试所需的不同辐射度量值条件下的辐射光束。

可选地，所述红外辐射计在进行光谱透过率测量时处于辐亮度测量模式下。

可选地，所述测试装置还包括可调整支撑架，所述可调整支撑架包括支腿和安装平台，所述第二三维调整台安装在所述可调整支撑架安装平台上。

基于上述装置，本发明还提出了一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，包括以下步骤：

步骤一：获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度；

步骤二：改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量；

步骤三：数据处理，得到光谱透过率。

可选地，所述获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的步骤，包括：将标准黑体辐射源设置在工作温度为T₀，对应黑体在波长λ处出射辐亮度为L_bb,0(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S₀(λ)，表示为下式：

S₀(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，0(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (1)

式中，S₀(λ)为红外辐射计测量信号的输出值，R(λ)为红外辐射计的辐亮度响应度，L_bb,0(λ)为标准面元黑体出射光谱辐亮度，τ_b(λ)为平行光管光学系统的透过率，L_bg(λ)为平行光管光学系统产生的背景辐射，D₀是红外辐射计的输出偏置信号。

可选地，所述改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量的步骤，包括：将光电测量装置平行光管系统焦面处的标准黑体辐射源设置在不同工作温度T_i，对应黑体辐亮度为L_bb,i(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S_i(λ)，带入公式(1)得到一组方程；

S_i(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (2)

式中，i为分别为1，2，……，N。

可选地，所述数据处理，得到光谱透过率的步骤，包括：利用步骤一、步骤二中得到的公式(1)和公式(2)进行线性拟合，计算得到光电测量装置平行光管的光谱透过率τ_b(λ)，在整个测量波段范围内进行光谱透过率平均得到波段透过率τ。

可选地，所述线性拟合过程包括：

红外辐射计测量得到输出信号值S(λ)的线性拟合模型为：

S_i(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀＝f(L_bb，i(λ)) (3)

式中，f(L_bb,i(λ))表示输出信号值与黑体辐亮度的函数关系；

假设测量数据分别为[L_bb，i(λ)，S_i(λ)]，i为分别为1，2，……，N，则总平方误差为：

上述总平方误差E是参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的函数，求出E对参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的导数，令其为0，由于R(λ)已知，获得光谱透过率τ_b(λ)。

可选地，所述方法还包括标准面元黑体辐射源的调整准备步骤，包括：将标准面元黑体辐射源固定在第一三维调整台上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管焦面孔径光阑后面，打开标准面元黑体辐射源，使其辐射光束通过所述孔径光阑，经被测光电参数测量装置大口径平行光管后出射，对标准面元黑体辐射源进行调整，使标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，均匀充满平行光管视场。

可选地，所述方法还包括红外辐射计的调整准备步骤，包括：将红外辐射计固定在第二三维调整台上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管附近，对红外辐射计进行调整，保证红外辐射计与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。

本发明的有益效果是：

(1)采用窄视场光谱红外辐射计测量光电参数测量装置平行光管出射辐射度，通过改变标准黑体辐射源温度，得到一组方程，进行线性拟合得到光学系统的透过率，解决光电参数测量装置大口径光学系统光谱透过率的校准。

(2)系统结构简单，测试过程方便、快速，且测量精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置的结构示意图；

图2为被测光电参数测量装置大口径平行光管的光学系统的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置及方法，采用窄视场光谱红外辐射计测量光电参数测量装置平行光管出射辐射度，通过改变标准黑体辐射源温度，得到一组方程，进行线性拟合得到光学系统的透过率，解决光电参数测量装置大口径光学系统光谱透过率的校准。

图1示出了用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置的一个可选实施例。

该可选实施例中，所述测试装置包括：标准面元黑体辐射源1、第一三维调整台2、红外辐射计3、第二三维调整台4、可调整支撑架5，控制计算机6。

所述标准面元黑体辐射源1置于被测光电参数测量装置大口径平行光管焦面孔径光阑处，所述标准面元黑体辐射源1输出辐射，辐射进入被测光电参数测量装置大口径平行光管的光学系统7后，由红外辐射计3进行接收探测平行光管出射辐射度，所述红外辐射计3为窄视场宽光谱红外辐射计，测量数据由控制计算机5进行处理分析得到光谱透过率数据。所述标准面元黑体辐射源1产生测试所需的不同辐射度量值条件下光束，所述的红外辐射计3在进行光谱透过率测量时处于辐亮度测量模式下，所述第一三维调整台2为精密位移台，保证标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，所述可调整支撑架5由支腿和安装平台组成，所述第二三维调整台4安装在所述可调整支撑架5安装平台上，所述第二三维调整台4为精密位移台，保证红外辐射计3与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场，所述红外辐射计3输出端与所述控制计算机6输入端相连。

采用上述可选实施例，所述用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置解决了光电参数测量装置中大口径平行光管光谱透过率的现场测量难题，系统结构简单，测试过程方便、快速，且测量精度较高。

图2示出了被测光电参数测量装置平行光管的光学系统的一个可选实施例。

所述光电参数测量装置平行光管的光学系统包括：离轴抛物镜71、折转平面镜72、靶标光阑73；所述标准面元黑体辐射源1的辐射光束经孔径光阑后分别经过折转平面镜72、离轴抛物镜71后出射。

基于上述装置，本发明还提出了一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度。

可选地，所述获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的步骤，包括：将标准黑体辐射源设置在工作温度为T₀(T₀根据测试使用要求确定)，对应黑体在波长λ处出射辐亮度为L_bb,0(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S₀(λ)，表示为下式：

S₀(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，0(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (1)

式中，S₀(λ)为红外辐射计测量信号的输出值，R(λ)为红外辐射计的辐亮度响应度，L_bb,0(λ)为标准面元黑体出射光谱辐亮度，τ_b(λ)为平行光管光学系统的透过率，L_bg(λ)为平行光管光学系统产生的背景辐射，D₀是红外辐射计的输出偏置信号。

可选地，R(λ)可以采用实验室定标值，也可以在测试现场采用标准黑体辐射源标定得到。

步骤二：改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量。

可选地，所述改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量的步骤，包括：将光电测量装置平行光管系统焦面处的标准黑体辐射源设置在不同工作温度T_i，对应黑体辐亮度为L_bb,i(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S_i(λ)，带入公式(1)得到一组方程；

S_i(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (2)

式中，i为分别为1，2，……，N。

步骤三：数据处理，得到光谱透过率。

所述数据处理，得到光谱透过率的步骤，包括：利用步骤一、步骤二中得到的公式(1)和公式(2)进行线性拟合，计算得到光电测量装置平行光管的光谱透过率τ_b(λ)，在整个测量波段范围内进行光谱透过率平均得到波段透过率τ。

所述线性拟合过程包括：

红外辐射计测量得到输出信号值S(λ)的线性拟合模型为：

S_i(λ)×R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀＝f(L_bb，i(λ)) (3)

式中，f(L_bb,i(λ))表示输出信号值与黑体辐亮度的函数关系。

假设测量数据分别为[L_bb，i(λ)，S_i(λ)]，i为分别为1，2，……，N，则总平方误差为：

上述总平方误差E是参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的函数，则可求出E对参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的导数，令其为0，由于R(λ)已知，就可以解出光谱透过率τ_b(λ)。

可选地，所述方法还包括标准面元黑体辐射源1的调整准备步骤，包括：将标准面元黑体辐射源1固定在第一三维调整台2上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管焦面孔径光阑后面，打开标准面元黑体辐射源1，使其光线通过孔径光阑，经被测光电参数测量装置大口径平行光管后出射，对标准面元黑体辐射源进行调整，使标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，均匀充满平行光管视场。

可选地，所述方法还包括红外辐射计3的调整准备步骤，包括：将红外辐射计3固定在第二三维调整台4上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管附近，对红外辐射计3进行调整，保证红外辐射计3与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。

本发明的方法通过改变标准黑体辐射源温度，得到一组方程，进行线性拟合得到光学系统的透过率，实现了光电参数测量装置大口径光学系统光谱透过率的校准，测试过程方便、快速，且测量精度较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置，其特征在于，包括：标准面元黑体辐射源、第一三维调整台、红外辐射计、第二三维调整台、可调整支撑架，控制计算机；

所述标准面元黑体辐射源输出辐射光束，辐射光束进入被测光电参数测量装置大口径平行光管的光学系统后，由所述红外辐射计接收探测平行光管出射辐射度，测量数据由控制计算机进行处理分析得到光谱透过率数据；

所述第一三维调整台用于调整所述标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，所述第二三维调整台用于调整红外辐射计与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。

2.如权利要求1所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置，其特征在于，所述红外辐射计在进行光谱透过率测量时处于辐亮度测量模式下。

3.如权利要求1所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试装置，其特征在于，还包括可调整支撑架，所述可调整支撑架包括支腿和安装平台，所述第二三维调整台安装在所述可调整支撑架安装平台上。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述装置的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度；

步骤二：改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量；

步骤三：数据处理，得到光谱透过率。

5.如权利要求4所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，所述获取光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的步骤，包括：将标准黑体辐射源设置在工作温度为T₀，对应黑体在波长λ处出射辐亮度为L_bb,0(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S₀(λ)，表示为下式：

S₀(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，0(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (1)

式中，S₀(λ)为红外辐射计测量信号的输出值，R(λ)为红外辐射计的辐亮度响应度，L_bb,0(λ)为标准面元黑体出射光谱辐亮度，τ_b(λ)为平行光管光学系统的透过率，L_bg(λ)为平行光管光学系统产生的背景辐射，D₀是红外辐射计的输出偏置信号。

6.如权利要求5所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，所述改变黑体辐射源工作温度，进行光电参数测量装置平行光管出射辐亮度的N次测量的步骤，包括：将光电测量装置平行光管系统焦面处的标准黑体辐射源设置在不同工作温度T_i，对应黑体辐亮度为L_bb,i(λ)，红外辐射计测量得到输出信号值S_i(λ)，带入公式(1)得到一组方程；

S_i(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀ (2)

式中，i为分别为1，2，……，N。

7.如权利要求6所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，所述数据处理，得到光谱透过率的步骤，包括：利用步骤一、步骤二中得到的公式(1)和公式(2)进行线性拟合，计算得到光电测量装置平行光管的光谱透过率τ_b(λ)，在整个测量波段范围内进行光谱透过率平均得到波段透过率τ。

8.如权利要求7所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，所述线性拟合过程包括：

红外辐射计测量得到输出信号值S(λ)的线性拟合模型为：

S_i(λ)＝R(λ)·[τ_b(λ)·L_bb，i(λ)+L_bg(λ)]+D₀＝f(L_bb，i(λ)) (3)

式中，f(L_bb,i(λ))表示输出信号值与黑体辐亮度的函数关系；

测量数据分别为[L_bb，i(λ)，S_i(λ)]，i为分别为1，2，……，N，则总平方误差为：

上述总平方误差E是参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的函数，求出E对参数R(λ)·τ_b(λ)、R(λ)·L_bg(λ)+D₀的导数，令其为0，由于R(λ)已知，获得光谱透过率τ_b(λ)。

9.如权利要求4所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，还包括标准面元黑体辐射源的调整准备步骤，所述标准面元黑体辐射源的调整准备步骤包括：将标准面元黑体辐射源固定在第一三维调整台上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管焦面孔径光阑后面；打开标准面元黑体辐射源，使其辐射光束通过所述孔径光阑，经被测光电参数测量装置大口径平行光管后出射，对标准面元黑体辐射源进行调整，使标准面元黑体辐射源辐射面与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴垂直，均匀充满平行光管视场。

10.如权利要求4所述的用于大口径平行光管的光谱透过率测试方法，其特征在于，还包括红外辐射计的调整准备步骤，所述红外辐射计的调整准备步骤包括：将红外辐射计固定在第二三维调整台上，放置于被测光电参数测量装置大口径平行光管附近，对红外辐射计进行调整，保证红外辐射计与被测光电参数测量装置中大口径平行光管光轴平行且充满视场。