CN111929029A - 一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统，包括：激光发射组件、积分球(6)、紫外准直集成组件(8)、第一电动位移台(9)、数控模块(10)、第二电动位移台(11)和终端处理模块(13)；所述激光发射组件，用于发射短波激光，将激光信号引入积分球(6)；所述积分球(6)，用于将激光匀化形成准朗伯体；所述紫外准直集成组件(8)，当处于第一位置时，用于实现对被测载荷进行光谱及辐射定标，当处于第二位置时，用于对积分球(6)的出射光进行准直，实现对被测载荷的杂散光测试；所述第一电动位移台(9)，用于移动紫外准直集成组件(8)的位置；所述第二电动位移台(11)，用于切换被测载荷和辐射计的位置。

Description

一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统

技术领域

本发明涉及航天遥感载荷地面定标测试领域，具体涉及一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统。

背景技术

在应用光度学和辐射度学研究中，短波遥感载荷(210nm-320nm)定标是仪器应用和研制中的重要环节。其中光谱定标、辐射定标和杂光测试工作是其特有且极其重要的测试定标项目。目前暂无针对短波紫外波段载荷的集成化定标测试系统。国内目前针对航天遥感载荷地面辐射定标方法均采用传统定标方法，由于光源自身原因，该类辐射源在短波(小于310nm)辐通量较低，导致载荷接收到的信号被噪声淹没，进一步导致溯源不确定度较高，严重影响到弱信号光学载荷在短波紫外波段定标测试精度。

传统光谱定标方法基于单色仪或者谱线灯作为标准谱线源，由于谱线灯的固定发射谱线数量及低光通量的限制，在一些宽谱段探测载荷(尤其是短波紫外载荷)工作波长范围内只有有限条且分布不均匀的谱线，单色仪输出的谱线往往由于较低的光通量导致载荷无法有足够的信噪比，多次输出谱线的调整也会增加输出波长的不确定度，不能满足该类载荷高波长定标精度要求。

辐射定标方面，传统定标方式使用NIST标准灯结合漫反射的方式或者是卤素灯积分球的方式定标，该类方法特点是装置简单，价格较低，可以说是紫外长波段-可见-近红外理想的定标系统；其缺点是在紫外短波波段的光通量较低，标准灯辐照度不确定度较高，导致辐射定标精度在短波部分较低。

光谱遥感的探测目标是微弱的光谱信号，杂散光是影响光谱测量准确度的重要原因之一，传统光谱仪器杂散光的测试方法通常有截止滤光片测其透过率法、光谱法、级数透过率法、卷积计算法、矩阵修正法等。其中截止滤光片法虽然测量方法简单、效率较高，但只能测量截止波长一侧的杂散光，且短波带通长波截止的滤光片不易制作；光谱法和谱杂散光系数法测量准确度较高,测量结果也符合实际，但效率较低，不适合工程应用；级数透过率法和氧气吸收光谱法工程应用的可操作性不强；卷积计算法测量结果与光源有关，不能独立表示仪器自身杂散光水平；矩阵修正法能有效测量光谱仪器的杂散光，并能实现杂散光修正，但对弱信号响应灵敏度不高。因此，要在光谱仪系统装调或者测试过程中精确、高效地测量其杂散光，关键是建立合适的光学系统实现该物理量精确、高效的测量。

发明内容

本发明的目的是针对常规定标方法不能满足短波紫外弱信号高精度定标的问题，提出了一种基于窄线宽高功率宽谱段可调谐激光器的高精度载荷地面集成定标测试系统，该系统可大大降低载荷传统定标方法中的短波波段辐射定标不确定度。该系统还可拓展应用于载荷光谱定标及杂散光测试，不仅可以克服辐射传统方法的缺陷，还可以拓展结合大口径紫外平行光管进行杂光测试及光谱定标，集成化的测试系统也可以提高定标效率，具有较高的工程应用价值，为提高载荷在轨数据精度提供必要的基础。

为实现上述目的，本发明提出了一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统，用于对被测载荷进行光谱及辐射定标和杂散光测试，所述系统包括：激光发射组件、积分球、紫外准直集成组件、第一电动位移台、数控模块、第二电动位移台和终端处理模块；

所述激光发射组件，用于发射短波激光，将激光信号引入积分球；

所述积分球，用于将激光匀化形成准朗伯体；

所述紫外准直集成组件，当处于第一位置时，用于实现对被测载荷进行光谱及辐射定标，当处于第二位置时，用于对积分球的出射光进行准直，实现对被测载荷的杂散光测试；

所述第一电动位移台，用于移动紫外准直集成组件的位置；

所述数控模块，用于接收终端处理模块发送的移动指令，分别控制第一电动位移台和第二电动位移台的移动，并将第一电动位移台和第二电动位移台的位置信息发送至终端处理模块；

所述第二电动位移台，用于切换被测载荷和辐射计的位置；

所述终端处理模块，用于接收系统的探测数据并进行显示，还用于根据第一电动位移台和第二电动位移台的位置信息，分别生成相应的移动指令并发送至数控模块。

作为上述系统的一种改进，所述激光发射组件包括：可调谐激光器，激光分束器、波长计、激光耦合模块和光纤；

所述可调谐激光器，用于使用532nm泵浦钛蓝宝石产生500-1100nm的基频，基频直接四倍频输出210-250nm的激光；基频和1550nm和频后再二倍频输出250-300nm的激光；基频与532nm和频发射光输出为300-350nm的激光；

所述激光分束器，用于对可调谐激光器输出的激光进行分束，将一部分激光引至光路；将一部分激光束送至波长计；

所述波长计，用于实时检测可调谐激光器输出的激光波长，对可调谐激光器进行反馈调节，并将检测结果发送至终端处理模块；

所述激光耦合模块，用于将光路上的激光耦合至光纤；

所述光纤，用于传播激光，将激光引入积分球。

作为上述系统的一种改进，所述积分球的出口直径为100mm，内涂层为聚四氟乙烯，内涂层上增涂紫外增强型涂层。

作为上述系统的一种改进，所述紫外准直集成组件为加入消杂光光阑的紫外平行光管光路，该光路采用双offner反射结构和准直系统，口径为Φ100mm，发散角优于5″，双offner反射结构中的反射镜及透镜采用紫外高透/高反光学材料及镀膜，准直系统中的紫外平行光管内壁喷涂能够减少杂散光的涂层。

作为上述系统的一种改进，所述第一电动位移台将紫外平行光管移动至第一位置处，第二电动位移台将辐射计切入光路，将辐射计中心对准积分球出口面中心处，获取积分球的出口辐亮度；当对被测载荷进行光谱及辐射定标时，所述第二电动位移台将辐射计切出光路，使被测载荷切入光路，使得积分球出口光直接入射至被测载荷。

作为上述系统的一种改进，当进行杂散光测试时，所述第一电动位移台将紫外平行光管移动至第二位置处，辐射计切出光路，被测载荷切入光路。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：光功率计，设置在积分球内，用于实时检测积分球输出的辐通量，并输出至终端处理模块。

本发明的优势在于：

1、本发明创新提出的针对短波(尤其是210nm-320nm)载荷综合定标方法可实现以低不确定度测量高动态光谱仪设备的辐亮度响应度，为建设一套针对弱信号紫外高精度地面综合定标测试平台奠定基础；

2、本发明以短波光学载荷高质量数据和国际一流产品需求为主要导向，紧密结合空间科学领域和大气环境监测的重大需求，进行短波弱信号高精度光谱/辐射定标集成创新，以期在两年内获得具有自主知识产权的相关核心技术，创新研制出以短波紫外弱信号高通量单色均匀光源的高精度基准的光谱/辐射定标及弱信号光谱杂散光测试集成的综合测试平台；

3、本发明的系统主要性能指标达到国际领先水平，在弱信号光谱杂散光测试方面有所创新；本项目的研究陈国将填补国内空白，在紫外弱信号光学载荷研制和应用推广方面将产生积极的影响。

附图说明

图1为本发明的短波弱信号载荷集成化定标测试系统示意图。

附图标识：

1、可调谐激光器 2、激光分束器 3、波长计

4、激光耦合模块 5、光纤 6、积分球

7、光功率计 8、紫外准直集成组件 9、第一电动位移台

10、数控模块 11、第二电动位移台 12、待测载荷

13、终端处理模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的技术实现主要通过光源系统的合理配置和配套高性能光源二次扩展系统的定制开发来完成；其中光源系统选用基于钛蓝宝石的固态激光器组合实现宽波段连续可调谐的目标，而激光器的稳定性主要由激光器自带的电源以及后续环境状况控制系统保证；宽动态范围和宽谱段主要由两光源系统和后续光二次扩展系统两系统实现。宽谱段主要由系统的连续可调谐激光器实现；宽动态范围主要通过调整扩展系统的透过率及光束口径实现。

如图1所示，本发明的一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统，包括：

可调谐激光器1，使用532nm泵浦钛蓝宝石产生500-1100nm的基频，基频直接四倍频可以得到210-250nm激光；基频和1550nm和频后再二倍频得到250-300nm；基频与532nm和频发射光为300-350nm，在240-320nm范围内，出射光功率高于200mW，出射光稳定性±0.02％。

激光分束器2，用于对可调谐激光器1输出的激光进行分束，将一部分激光引至光路；将一部分激光束送至波长计3；

波长计3，用于实时检测可调谐激光器1输出的激光波长，对可调谐激光器1进行反馈调节，并将检测结果发送至终端处理模块13；

激光耦合模块4，用于将光路上的激光耦合至光纤5；

光纤5，用于传播激光，将激光引入积分球6。

积分球6，用于将激光匀化形成准朗伯体，其开口直径为100mm，内涂层为聚四氟乙烯，为增加紫外反射率可增涂紫外增强型涂层；

光功率计7，用于实时检测出射光光强稳定性，设置在积分球6内，实时检测积分球6输出辐通量，并输出至终端处理模块13。

紫外准直集成组件8，当位于位置1时，用于实现对被测载荷进行光谱及辐射定标，当位于位置2时，用于对积分球6的出射光进行准直，实现对被测载荷的杂散光测试；

紫外准直集成组件8为加入消杂光光阑的紫外平行光管光路，该光路采用双offner反射结构和准直系统，口径为Φ100mm，发散角优于5″，双offner反射结构中的反射镜及透镜采用紫外高透/高反光学材料及镀膜，准直系统中的平行光管内壁喷涂特殊涂层，尽量减少平行光管内部引入的杂散光，平行光管较低的发散角可用来测试星载遥感仪器的空间杂散光。

第一电动位移台9，用于移动紫外准直集成组件8的位置；

数控模块10，用于接收终端处理模块13发送的移动指令，控制第一电动位移台9和第二电动位移台11的移动，并将第一电动位移台9和第二电动位移台11的位置信息发送至终端处理模块13；

第二电动位移台11，用于切换被测载荷和辐射计的位置；

终端处理模块13设置在上位机上，用于接收波长计3和光功率计7的探测数据并进行显示，还用于根据第一电动位移台9和第二电动位移台11的位置信息，分别生成相应的移动指令并发送至数控模块10。

可调谐激光器1发射激光，激光分束器2将一部分激光束送至波长计3实时监测输出光波长，其中波长计3测量精度在0.001nm以内。另一部分激光经过激光耦合模块4耦合后由光纤5引入积分球6，从而形成均匀的准朗伯体高辐通量光源，光功率计7实时检测积分球6输出的辐通量的变化并输出至终端处理模块13，通常情况下，可调谐激光器1出射光稳定度约为±0.02％。在积分球6出口处设置两个电动位移台：第一电动位移台9和第二电动位移台11；当进行光谱及辐射定标时，第一电动位移台9将紫外平行光管移动至位置2处，第二电动位移台11将标准辐射计切入光路，将辐射计中心对准积分球6出口面中心处，得出积分球出口辐亮度，当进行定标测试时，第二电动位移台11将标准辐射计切出光路，使被测载荷12切入光路，使得积分球6出口光直接入射至被测载荷12；其中标准辐射计用于决定积分球6出光面辐亮度，其绝对辐亮度误差值由计量院定标得出，不确定度优于0.7％。综合上述误差，由误差传递公式可得出，辐亮度响应度定标综合标准不确定度优于0.8％，整个光源系统和待测仪器置于光密箱中，可在光源出口处和标准辐射计之间放置消杂光光阑以降低外界杂散光。

进行杂散光测试时，第一电动位移台9将紫外平行光管移动至位置1处，机将紫外准直集成组件8由位置2移动至位置1，标准辐射计切出光路，激光的单色性可用来测试短波载荷的光谱杂光，该套杂散光检测系统不仅可在仪器装调过程中及时发现杂散光,为采取措施降低杂散光提供可能；还能满足检测过程简便、检测效率高的工程需求。

本发明的创新点：

1、实现基于激光的高稳定和高通量光源将光谱定标、辐射定标及杂光测试集成化一体，提高定标精度的同时也提高地面定标效率；

2、定标测试系统可以为短波紫外弱信号提供高强度的辐射源，实现大动态宽谱段定标；

3、紫外波段高性能可调谐激光光源与积分球和平行光管组合，实现紫外光源的匀光、波长可调和高稳定性指标。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种短波弱信号载荷集成化定标测试系统，用于对被测载荷进行光谱及辐射定标和杂散光测试，其特征在于，所述系统包括：激光发射组件、积分球(6)、紫外准直集成组件(8)、第一电动位移台(9)、数控模块(10)、第二电动位移台(11)和终端处理模块(13)；

所述激光发射组件，用于发射短波激光，将激光信号引入积分球(6)；

所述积分球(6)，用于将激光匀化形成准朗伯体；

所述紫外准直集成组件(8)，当处于第一位置时，用于实现对被测载荷进行光谱及辐射定标，当处于第二位置时，用于对积分球(6)的出射光进行准直，实现对被测载荷的杂散光测试；

所述第一电动位移台(9)，用于移动紫外准直集成组件(8)的位置；

所述数控模块(10)，用于接收终端处理模块(13)发送的移动指令，分别控制第一电动位移台(9)和第二电动位移台(11)的移动，并将第一电动位移台(9)和第二电动位移台(11)的位置信息发送至终端处理模块(13)；

所述第二电动位移台(11)，用于切换被测载荷和辐射计的位置；

所述终端处理模块(13)，用于接收系统的探测数据并进行显示，还用于根据第一电动位移台(9)和第二电动位移台(11)的位置信息，分别生成相应的移动指令并发送至数控模块(10)。

2.根据权利要求1所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，所述激光发射组件包括：可调谐激光器(1)，激光分束器(2)、波长计(3)、激光耦合模块(4)和光纤(5)；

所述可调谐激光器(1)，用于使用532nm泵浦钛蓝宝石产生500-1100nm的基频，基频直接四倍频输出210-250nm的激光；基频和1550nm和频后再二倍频输出250-300nm的激光；基频与532nm和频发射光输出为300-350nm的激光；

所述激光分束器(2)，用于对可调谐激光器(1)输出的激光进行分束，将一部分激光引至光路；将一部分激光束送至波长计(3)；

所述波长计(3)，用于实时检测可调谐激光器(1)输出的激光波长，对可调谐激光器(1)进行反馈调节，并将检测结果发送至终端处理模块(13)；

所述激光耦合模块(4)，用于将光路上的激光耦合至光纤(5)；

所述光纤(5)，用于传播激光，将激光引入积分球(6)。

3.根据权利要求1所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，所述积分球(6)的出口直径为100mm，内涂层为聚四氟乙烯，内涂层上增涂紫外增强型涂层。

4.根据权利要求1所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，所述紫外准直集成组件(8)为加入消杂光光阑的紫外平行光管光路，该光路采用双offner反射结构和准直系统，口径为Φ100mm，发散角优于5″，双offner反射结构中的反射镜及透镜采用紫外高透/高反光学材料及镀膜，准直系统中的紫外平行光管内壁喷涂能够减少杂散光的涂层。

5.根据权利要求4所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，所述第一电动位移台(9)将紫外平行光管移动至第一位置处，第二电动位移台(11)将辐射计切入光路，将辐射计中心对准积分球(6)出口面中心处，获取积分球(6)的出口辐亮度；当对被测载荷进行光谱及辐射定标时，所述第二电动位移台(11)将辐射计切出光路，使被测载荷切入光路，使得积分球(6)出口光直接入射至被测载荷。

6.根据权利要求4所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，当进行杂散光测试时，所述第一电动位移台(9)将紫外平行光管移动至第二位置处，辐射计切出光路，被测载荷切入光路。

7.根据权利要求1所述的短波弱信号载荷集成化定标测试系统，其特征在于，所述系统还包括：光功率计(7)，设置在积分球(6)内，用于实时检测积分球(6)输出的辐通量，将检测结果输出至终端处理模块(13)。

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