CN110470406A - 一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法，将探测器与待测量的热红外光谱仪相连接，在相同积分时间下，分别测量不同光谱仪温度下的热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，差值求算出热红外光谱仪内部杂散辐射的辐亮度响应参数，从而定量化出热红外光谱仪在任一积分时间下和任一光谱仪温度下的内部杂散辐射的输出灰度值和辐射通量。本发明所述的方法在不同光谱通道和不同积分时间下具有通用性，能够有效解决热红外光谱仪内部杂散辐射定标严重影响系统辐射精度和系统定量化的问题，具有很强的工程实际应用价值。

Description

一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法

技术领域

本发明涉及遥感仪器的定量化测试领域,特别涉及到一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法。

背景技术

热红外光谱仪进行光谱分光的过程中将信号光分为数十个至上百个波段，由于光机自身辐射产生的内部杂散辐射较强，信号的强度较传统成像仪器更加微弱，造成系统信噪比、有效动态范围较小，曝光时间难以提高等问题；并且内部杂散辐射随温度升高而增大，严重影响系统辐射精度和系统定量化。因此，热红外光谱仪的内部杂散辐射的测量和定标对内部杂散辐射的研究是尤为重要的。

国外已研制多台较为经典的热红外成像光谱仪器，现有报道的热红外成像光谱仪如AHI、LWHIS、QWSET、MAKO等；而国内受制于缺少性能优越的探测器等原因，在热红外光谱仪的设计和测试方面的研究较为有限。国外报道的设备大多对光谱仪采用深低温(15K～100K)制冷的方式对内部杂散辐射进行了有效抑制，对内部杂散辐射进行定标测量的需求较低。然而，近年来，在国外商业公司的推动下，热红外光谱仪的发展向非深低温制冷、大视场、轻量化的方向发展，光谱仪系统温度的升高及内壁面积和复杂程度增加，使内部杂散辐射的测量和抑制的问题重新凸显，需要对内部杂散辐射建立有效的模型和可行的分析测试方法。

现有热红外光谱仪内部杂散辐射分析测试方法主要为仿真分析法，这类方法利用计算机软件对内部杂散辐射进行建模分析，常用的软件有TracePro、Lighttools、ASAP、FRED等，软件分析方法主要基于蒙特卡洛法、光线追迹法、近轴计算法等。这类方法的优势在于操作简单、成本低、周期短等优点。然而，建模采用的参数如光机结构的表面参数、发射率及光学镜面的折反射参数等均为理想值，与实际系统的参数值存在差别，影响了仿真结果的精度，难以精确反映系统内部杂散辐射。因此，在实际工程应用中，需要采用实验定标测量的方法更加准确地测量热红外光谱仪的杂散辐射。

发明内容

本发明提出了一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法，为解决实际工程应用中，热红外光谱仪内部杂散辐射定标严重影响系统辐射精度和系统定量化的问题。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法，如图1所示，将探测器2与待测量的热红外光谱仪1相连接，在相同积分时间下，分别测量不同光谱仪温度下的热红外光谱仪对黑体3辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，差值求算出热红外光谱仪内部杂散辐射的辐亮度响应参数，从而定量化出热红外光谱仪在任一积分时间下和任一光谱仪温度下的内部杂散辐射的输出灰度值和辐射通量，如图2所示，具体包括如下步骤：

1)在一定积分时间t₀，测量光谱仪温度为T_{spectrometer1}的热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，得到系统输出灰度随光谱通道接收黑体辐亮度间的对应关系为：

其中，G₀为积分时间内探测器单像元对入射辐亮度的响应；δ_optical为热红外光谱仪的光学系统效率；表示工作温度为T_black的黑体信号经热红外光谱仪分光后光谱通道波段λ₃～λ₄发射出的辐射亮度；B₁'(t₀,T_{spectrometer1})为积分时间t₀，光谱仪温度T_{spectrometer1}下与信号无关的偏置；G_stray为热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数；L_λ1～λ2(T_{spectrometer1})表示光谱仪温度为T_spectrometer1的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；h_det1表示探测器及其工作电路产生的与积分时间呈线性关系的偏置；h_det2表示探测器及其工作电路产生的与积分时间无关的固有偏置；

2)保持积分时间不变，改变热红外光谱仪的光谱仪温度为T_{spectrometer2}，再次测量热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，得到系统输出灰度随光谱通道接收黑体辐亮度间的对应关系为：

其中，B₁”(t₀,T_{spectrometer2})为积分时间t₀，光谱仪温度T_{spectrometer2}下与信号无关的偏置；G_stray为热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数；L_λ1～λ2(T_{spectrometer2})表示光谱仪温度为T_{spectrometer2}的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；

3)由(1)和(2)差值算出在积分时间t₀下，热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数G_stray：

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射引起的输出灰度值为：

其中，为任一光谱仪温度T_system的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；

热红外光谱仪内部杂散辐射的辐射通量为：

其中，K_stray表示热红外光谱仪自身辐射的辐射亮度转化为探测器接收到的辐射通量的几何因子；

因同一探测器像元对入射辐射通量的响应可表示为：

其中，K_black为探测器对黑体辐亮度转化为辐射通量的几何因子；

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射的辐射通量为：

本发明采用以上技术方案，在相同积分时间下，分别测量不同光谱仪温度下的热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，差值求算出热红外光谱仪内部杂散辐射的辐亮度响应参数，从而定量化出热红外光谱仪在任一积分时间下和任一光谱仪温度下的内部杂散辐射的输出灰度值和辐射通量。该方法在不同光谱通道和不同积分时间下具有通用性，能够有效解决热红外光谱仪内部杂散辐射定标严重影响系统辐射精度和系统定量化的问题，具有很强的工程实际应用价值。

附图说明

图1为本发明热红外光谱仪杂散辐射的测量系统结构示意图。

图2为本发明热红外光谱仪杂散辐射的测量方法流程示意图。

图3为本发明具体实施方式采用的热红外光谱仪的光学结构示意图。

图4为热红外光谱仪相同积分时间，不同光谱仪温度下热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。

我们以测量Offner结构的热红外光谱仪为例，所述热红外光谱仪光学结构如图3所示，按照本发明所述的热红外光谱仪内部杂散辐射的测试方法给出具体实施方式。

如图1所示，将探测器2与待测量的热红外光谱仪1相连接，将探测器与热红外光谱仪连接，通过调焦使探测器面阵位于光谱仪焦平面后，对光谱仪进行定标，定标时使黑体有效区域近距离、全覆盖狭缝视场。所述探测器为Sofradir公司的MARS VLW系列长波探测器，探测器参数见表1：

表1探测器参数

采用上海福源光电公司的HFY300型小面源黑体，面源尺寸Ф100mm，标称工作范围为20～70℃，温控精度0.01℃。测量时将积分时间设置为0.30ms。将黑体近距离放置于热红外光谱仪前方，黑体温度分别设置为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，并采集在不同黑体温度下探测器的灰度输出响应。此外，测量了实验时的光谱仪温度T_{spectrometer1}＝19.3℃。

启动水冷机并连续工作两个小时以后，测得光谱仪的温度保持在T_{spectrometer2}＝14.9℃，此时重复上述的黑体辐射定标过程，即将黑体近距离放置于热红外光谱仪前方，黑体温度分别设置为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，并采集在不同黑体温度下探测器的灰度输出响应。

取8.80μm～9.0μm光谱通道的数据作为标准值进行处理，两组热红外光谱仪光谱仪温度下热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线结果，如图4所示，横坐标为8.80μm～9.04μm光谱通道所对应的不同温度时的黑体辐亮度，纵坐标为探测器输出灰度值，拟合方程为：

g_{spectrometer1}＝35.84×L+3310 (8)

g_{spectrometer2}＝36.01×L+3151 (9)

与

以及

相对应，得到偏置B'₁＝3310DN，B”₁＝3151DN；

在积分时间t₀下，热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数G_stray：

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射引起的输出灰度值为：

已知探测器的响应率G₀＝259.67DN·m²·sr·ms^-1·W^-1，探测器对黑体辐亮度转化为辐射通量的几何因子K_black＝0.4833×10^-10m²·sr，根据下式

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射的辐射通量为：

综上，本发明所述的方法简单，且能有效测量热红外光谱仪的内部杂散辐射值，具有很强的工程实际应用价值。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种热红外光谱仪杂散辐射的测量方法，其特征在于：将探测器与待测量的热红外光谱仪相连接，在相同积分时间下，分别测量不同光谱仪温度下的热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，差值求算出热红外光谱仪内部杂散辐射的辐亮度响应参数，从而定量化出热红外光谱仪在任一积分时间下和任一光谱仪温度下的内部杂散辐射的输出灰度值和辐射通量，具体包括如下步骤：

1)在一定积分时间t₀，测量光谱仪温度为T_{spectrometer1}的热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，得到系统输出灰度随光谱通道接收黑体辐亮度间的对应关系为：

其中，G₀为积分时间内探测器单像元对入射辐亮度的响应；δ_optical为热红外光谱仪的光学系统效率；表示工作温度为T_black的黑体的黑体辐射信号经热红外光谱仪分光后光谱通道波段λ₃～λ₄发射出的辐射亮度；

B₁'(t₀,T_{spectrometer1})为积分时间t₀，光谱仪温度T_{spectrometer1}下与信号无关的偏置；G_stray为热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数；表示光谱仪温度为T_{spectrometer1}的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；h_det1表示探测器及其工作电路产生的与积分时间呈线性关系的偏置；h_det2表示探测器及其工作电路产生的与积分时间无关的固有偏置；

2)保持积分时间不变，改变热红外光谱仪的温度为T_{spectrometer2}，再次测量热红外光谱仪对黑体辐射能量分光后接收到的单一光谱通道的输出响应曲线，得到系统输出灰度随光谱通道接收黑体辐亮度间的对应关系为：

其中，B₁”(t₀,T_{spectrometer2})为积分时间t₀，光谱仪温度T_{spectrometer2}下与信号无关的偏置；G_stray为热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数；表示光谱仪温度为T_{spectrometer2}的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；

3)由(1)和(2)差值算出在积分时间t₀下，热红外光谱仪内部杂散辐射辐亮度的响应参数G_stray：

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射引起的输出灰度值为：

其中，为任一光谱仪温度T_system的热红外光谱仪在探测器的有效工作波段λ₁～λ₂发射出的辐射亮度；

热红外光谱仪内部杂散辐射的辐射通量为：

其中，K_stray表示热红外光谱仪自身辐射的辐射亮度转化为探测器接收到的辐射通量的几何因子；

因同一探测器像元对入射辐射通量的响应可表示为：

其中，K_black为探测器对黑体辐亮度转化为辐射通量的几何因子；

因此，任一积分时间t和任一热红外光谱仪温度T_spectrometer下，热红外光谱仪内部杂散辐射的辐射通量为：