CN110987191A - 一种多光谱噪声等效温差测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱噪声等效温差测试装置，包括面源黑体，面源黑体的辐射光传输方向设有圆形可变滤光片轮，圆形可变滤光片轮的一侧沿光传输方向设有离轴双曲面反射镜，离轴双曲面反射镜的一侧沿光传输方向设有离轴抛物面反射镜；所述面源黑体经离轴双曲面反射镜的虚像点与离轴抛物面反射镜的焦点重合；离轴抛物面反射镜的一侧沿光传输方向设有傅里叶光谱仪；同时公开了一种测试方法。本发明装置具有自定标功能，可以随时校正测试系统自身光学元件透过率及背景辐射，消除系统误差；本发明方法利用普朗克函数代替多项式对数据进行拟合，不仅物理意义更加明确，而且抑制了测试过程中随机误差的影响，在小动态范围系统NETD测试中具有优势。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种多光谱噪声等效温差测试装置及方法。
背景技术
噪声等效温差是能客观评价红外系统综合性能的指标，根据噪声等效温差的测试结果，可以对空间红外目标探测系统的作用距离进行估计，也可以评估地基大口径红外天文望远镜在选定台址的极限星等，具有非常重要的国防及科学意义。
测量噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference，简称NETD)需要已知辐射亮度的实验室黑体，主要方法有两种，测量原理分别如下：
1)单点差分场法，需要黑体和背景的温差ΔT已知，统计当前温度黑体和背景一段时间内信号的均值之差ΔS和黑体信号的标准差σ，已知黑体发射率ε和光学透过率τopt，则噪声等效温差：
2)多点均匀场法，需要多个温度点的黑体温度及其信号读数，利用多项式拟合得到黑体信号输出和温度的函数关系，通过对温度求导得到信号随温度变化率dS/dT；统计一段时间内黑体信号标准差σ，已知黑体发射率ε和光学透过率τopt，则给定黑体温度T处的噪声等效温差：
两个方法在思想及原理上是一致的，方法1需要黑体和背景差分信号，要求被测系统能观测面源，为了获得足够信噪比，要求温差ΔT足够大，这增大了信号随温度变化率的测量误差；方法2需要控制黑体温度变化，通过数据多项式拟合方法来推导信号随温度变化率，对于动态范围小的系统(采用8位探测器)，会有较大拟合误差，而且多项式拟合外推误差较大，不适合用于评估系统对低温目标的探测能力。
传统的NETD测量装置均用来测量某一宽波段范围NETD，黑体温度通常在常温，不能用来评估用于天文选址的大气红外辐射测量系统、用于环境监测的气体红外光谱探测等系统的探测能力。这类系统在研制阶段需要评价光谱探测性能，并筛选出性能最优的光谱用于实际测量；由于被测目标是气体，通常信号很弱，等效黑体温度通常在零下几十摄氏度。所以，需要新型的NETD测量方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光谱噪声等效温差测试装置，同时提供利用该装置的测量方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多光谱噪声等效温差测试装置，包括面源黑体，面源黑体的辐射光传输方向设有圆形可变滤光片轮，圆形可变滤光片轮的一侧沿光传输方向设有离轴双曲面反射镜，离轴双曲面反射镜的一侧沿光传输方向设有离轴抛物面反射镜；所述面源黑体经离轴双曲面反射镜的虚像点与离轴抛物面反射镜的焦点重合；离轴抛物面反射镜的一侧沿光传输方向设有傅里叶光谱仪。
优选的，所述傅里叶光谱仪和离轴抛物面反射镜之间设有待测元件。
为了方便待测元件和傅里叶光谱仪的移动，满足检测需要，所述傅里叶光谱仪和待测元件均位于位移台上，所述位移台上设有圆形导轨，所述傅里叶光谱仪通过第一滑块与圆形导轨连接，所述待测元件通过第二滑块与圆形导轨连接。待测元件和傅里叶光谱仪可以在圆形导轨上实现移动，当不需要检测待测元件时，可以将待测元件移开，利用傅里叶光谱仪进行检测；当需要对待测元件进行检测时，移入待测元件即可实现检测。
为了消除面源黑体温度的影响，所述圆形可变滤光片轮的边缘设有气刀，所述气刀吹出的干燥冷空气用于对圆形可变滤光片轮进行冷却及控温。
优选的，为了实现对检测数据的快速处理，还包括有数据处理系统，数据处理系统通过第三滑块与圆形导轨连接。所述数据处理系统为现有技术中的系统，本领域技术人员可以根据需求进行选择。
本发明还可以根据需求增加探测器，对于有探测器的系统，可以利用数据处理系统直接采集探测器的输出信号。
本发明测试装置中各部分的主要作用如下：面源黑体，均匀性好，温度稳定性好，控温精度高，温度范围-10℃-100℃，便于移动；所述圆形可变滤光片轮，具有低反射率的特点，垂直光传输方向旋转，波长(窄带)随旋转角度变化，用于产生窄带光、消除杂散光以提高测量信噪比；气刀吹干燥冷空气用于对圆形可变滤光片轮进行冷却及控温，消除面源黑体的影响；离轴双曲面反射镜具有高反射率，用于校正光学像差，避免红外背景辐射直射探测器；离轴抛物面反射镜，高反射率，用于产生准直光束，避免红外背景辐射直射探测器；位移台带环形导轨，待测元件和傅里叶光谱仪可在位移台上旋转和移动；傅里叶光谱仪用来测量待测系统辐射光谱；通过数据处理系统数据处理及测量结果输出。
利用上述多光谱噪声等效温差测试装置测试的方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测元件移开，利用被面源黑体标定过的傅里叶光谱仪对圆形可变滤光片轮、离轴双曲面反射镜、离轴抛物面反射镜进行辐射定标，通过旋转圆形可变滤光片轮，标定在不同波长处，圆形可变滤光片轮、离轴双曲面反射镜、离轴抛物面反射镜的组合透过率τopt(λ)；
步骤2：将待测元件移入，准备测试；对于有探测器的系统，利用数据处理系统直接采集探测器的输出信号；对于无探测器的系统，利用傅里叶光谱仪测量辐射；
步骤3：测量准备工作完成后，选定面源黑体温度，待面源黑体信号输出稳定后，连续采集大于10000帧光谱数据，采集时间越长越好，计算得到信号均值
和标准差σ。
步骤4：以选定的面源黑体温度为中心，等温度间隔选择五个温度点，每个温度点连续采集50-100帧光谱数据；
步骤5：对每个温度点采集到的数据处理，求出每一温度每一波长处的信号均值
利用黑体辐射的普朗克公式(公式(3))对数据进行拟合；
根据拟合结果可以求得信号随温度的变化率dS/dT，将dS/dT、τopt(λ)和σ一起代入公式
中，可以求得NETD的结果。
优选的，步骤3中采集的光谱数据为10000-20000帧。
本发明装置将圆形可变滤光片轮置于黑体后方，既可以产生窄带光，又能滤除其他波段的杂散光影响，实现不同波长的噪声等效温差(NETD)测量；采用离轴系统来进行准直扩束，既能实现对大口径系统的测试要求，又能抑制光学系统热辐射直射探测器；基于傅里叶光谱仪，既可以测量带探测器系统也可以测量不带探测器系统的噪声等效温差，并且利用傅里叶光谱仪对测试系统光学元件透过率及背景辐射进行标定，消除测试设备自身透过率随时间漂移带来的系统误差；同时本发明装置具有自定标功能，可以随时校正测试系统自身光学元件透过率及背景辐射，消除系统误差。
本发明方法利用普朗克函数代替多项式对数据进行拟合，不仅物理意义更加明确，而且抑制了测试过程中随机误差的影响，在小动态范围系统NETD测试中具有优势。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明中实施例中22℃黑体18分钟连续采集结果；
图3为本发明实施例中多个温度点的普朗克函数拟合结果；
图4为HGH平台的NETD测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示的一种多光谱噪声等效温差测试装置，包括面源黑体1，面源黑体1的右侧辐射光传输方向设有圆形可变滤光片轮2，圆形可变滤光片轮2的右侧沿光传输方向设有离轴双曲面反射镜4，离轴双曲面反射镜4的左侧沿光传输方向设有离轴抛物面反射镜5；所述离轴双曲面反射镜4的焦点与离轴抛物面反射镜5的焦点重合；离轴抛物面反射镜5的右侧沿光传输方向设有傅里叶光谱仪8；所述傅里叶光谱仪8和离轴抛物面反射镜5之间设有待测元件7；所述傅里叶光谱仪8和待测元件7均位于位移台6上，所述位移台6上设有圆形导轨10，所述傅里叶光谱仪8通过第一滑块12与圆形导轨10连接，所述待测元件7通过第二滑块11与圆形导轨10连接；所述圆形可变滤光片轮2的边缘一侧设有气刀3，所述气刀3不影响光的传输，所述气刀3吹出的干燥冷空气用于对圆形可变滤光片2轮进行冷却及控温。所述圆形轨道10上还设有第三滑块13，第三滑块13上设有数据处理系统9；所述数据处理系统9与傅里叶光谱仪8通过导线电性连接。
所述第一滑块12、第二滑块11和第三滑块13均带有固定装置，能够实现在圆形轨道10上的固定。
使用时，面源黑体1发出的辐射光通过圆形可变滤光片轮2之后经离轴双曲面反射镜4、离轴抛物面反射镜5后在傅里叶光谱仪8中进行数据采集。待测元件7和傅里叶光谱仪8可以在圆形导轨10上实现移动，当不需要检测待测元件7时，可以将待测元件7移开，利用傅里叶光谱仪8进行检测；当需要对待测元件7进行检测时，通过第二滑块11移入待测元件7即可实现检测。
利用上述多光谱噪声等效温差测试装置检测的方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测元件7移开，利用被面源黑体1标定过的傅里叶光谱仪8对圆形可变滤光片轮2、离轴双曲面反射镜4、离轴抛物面反射镜5进行辐射定标，通过旋转圆形可变滤光片轮2，标定在不同波长处，圆形可变滤光片轮2、离轴双曲面反射镜4、离轴抛物面反射镜5的组合透过率τopt(λ)；
步骤2：将待测元件7移入，准备测试；利用傅里叶光谱仪8测量辐射；
步骤3：测量准备工作完成后，选定面源黑体1温度，待面源黑体1信号输出稳定后，连续采集大于10000帧光谱数据，采集时间越长越好，计算得到信号均值
和标准差σ。
步骤4：以选定的面源黑体温度为中心，等温度间隔选择五个温度点，每个温度点连续采集50-100帧光谱数据；
步骤5：对每个温度点采集到的数据处理，求出每一温度每一波长处的信号均值
利用黑体辐射的普朗克公式(公式(3))对数据进行拟合；
根据拟合结果可以求得信号随温度的变化率dS/dT，将dS/dT、τopt(λ)和σ一起代入公式
中，可以求得NETD的结果。
实施例1
利用上述方法测试了单个像元、多个像元平均的NETD，其中测试时，面源黑体的温度为22℃，采集时间18分钟，连续采集20000帧光谱数据，具体采集结果如图2所示，通过图2中的22℃黑体18分钟连续采集结果，可以计算出标准差σ；
根据步骤4中的操作，采集11个温度点的数据，每个温度点采集80帧数据，并对数据进行拟合，具体拟合结果如图3所示，根据图3中多个温度点的普朗克函数拟合结果能够求出dS/dT；
综合以上数据可以求得NETD的值如下表1，
表1：单个像元和多像元平均后的NETD结果
对比例
使用HGH平台对黑体对应的单像元进行NETD结果测试，具体采集结果如图4所示，根据图4的HGH平台测试结果可知，22℃黑体对应单像元NETD为32mK左右。实施例1中方法所得的NETD是26.5mK，根据本发明的方法，在低温时斜率更小，NETD值应该更大，HGH测试结果出现反常的情况，这是由于误差造成的。因此本发明能够更好的抑制了测试过程中随机误差的影响，在小动态范围系统NETD测试中具有优势。
Claims (6)
1.一种多光谱噪声等效温差测试装置，其特征在于，包括面源黑体，面源黑体的辐射光传输方向设有圆形可变滤光片轮，圆形可变滤光片轮的一侧沿光传输方向设有离轴双曲面反射镜，离轴双曲面反射镜的一侧沿光传输方向设有离轴抛物面反射镜；所述面源黑体经离轴双曲面反射镜的虚像点与离轴抛物面反射镜的焦点重合；离轴抛物面反射镜的一侧沿光传输方向设有傅里叶光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种多光谱噪声等效温差测试装置，其特征在于，所述傅里叶光谱仪和离轴抛物面反射镜之间设有待测元件。
3.根据权利要求2所述的一种多光谱噪声等效温差测试装置，其特征在于，所述傅里叶光谱仪和待测元件均位于位移台上，所述位移台上设有圆形导轨，所述傅里叶光谱仪通过第一滑块与圆形导轨连接，所述待测元件通过第二滑块与圆形导轨连接。
4.根据权利要求1所述的一种多光谱噪声等效温差测试装置，其特征在于，所述圆形可变滤光片轮的边缘设有气刀。
5.一种利用权利要求1-4任一所述的一种多光谱噪声等效温差测试装置测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用被面源黑体标定过的傅里叶光谱仪对圆形可变滤光片轮、离轴双曲面反射镜、离轴抛物面反射镜进行辐射定标，通过旋转圆形可变滤光片轮，标定在不同波长处，圆形可变滤光片轮、离轴双曲面反射镜、离轴抛物面反射镜的组合透过率τopt(λ)；
步骤2：将待测元件移入，准备测试；
步骤3：测量准备工作完成后，选定面源黑体温度，待面源黑体信号输出稳定后，连续采集大于10000帧光谱数据，计算得到信号均值
和标准差σ；
步骤4：以选定的面源黑体温度为中心，等温度间隔选择五个温度点，每个温度点连续采集50-100帧光谱数据；
步骤5：对每个温度点采集到的光谱数据处理，求出每一温度每一波长处的信号均值
利用黑体辐射的普朗克公式对数据进行拟合；
根据拟合结果可以求得信号随温度的变化率dS/dT，将dS/dT、τopt(λ)和σ一起代入公式
中，可以求得NETD的结果。
6.根据权利要求5所述的一种测试的方法，其特征在于，步骤3中采集的光谱数据为10000-20000帧。
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| GR01 | Patent grant | ||
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