CN114577336A - 一种光电探测器阵列的标定方法及其系统 - Google Patents

一种光电探测器阵列的标定方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电测量领域，特别涉及一种光电探测器阵列的标定方法及其系统。所述标定方法包括以下步骤：步骤S1：根据太阳的运动轨迹转动光电探测器阵列，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度；步骤S2：测量光电探测器阵列中各探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵；步骤S3：根据响应度矩阵来检测光电探测器阵列中有无损坏单元；步骤S4：根据响应度矩阵对光电探测器阵列进行一致性标定。通过本发明可以实现对太阳光的实时追踪，实现不同入射角度下的响应度一致性标定。

Description

一种光电探测器阵列的标定方法及其系统
技术领域
本发明属于光电测量领域，特别涉及一种光电探测器阵列的标定方法及其系统。
背景技术
光电探测器基于光辐射与物质的相互作用，将光信号转换为电信号，广泛应用于成像、通信、遥感、光度计量等领域。探测器的输出电信号与输入光信号之间的比值称为探测器响应度，一般在出厂前经过严格标定。对于探测器与其他光学元件如衰减器、滤光器等结合后形成的探测单元，输出电信号与输入单元的光通量的比值可以理解为单元响应度，通常在单元组装后还需进一步标定。
当探测单元被集成为阵列时，可用以接收光束，测量截面光斑的强度分布，进一步计算束宽、环围功率、质心抖动、质心剖线等激光诊断参数。其中强度分布的准确测量要求阵列中各单元保持响应度一致，而由于单元加工组装差异的影响，各单元响应度之间往往具有一定差异，需要经过一致性标定处理。
具体操作为：使用标定中获取的响应度矩阵而非单一响应度来处理实测中获取的电信号矩阵，以消除响应度差异带来的误差。另外为了标定结果的普适性，还会进行多种场景下的标定，例如多入射角度、多波长、多温度等。
常用的标定方法有以下几种：
方法一：使用小截面激光束逐个扫描单元，保证各单元的输入光信号为相同的已知量，再使用统一光信号处理输出的电信号矩阵得到响应度矩阵。此方法对光源要求较低，计算简单明确，但对扫描装置的移动精度要求严格，且标定时间较长。
方法二：对大截面光束进行分束，一束照射阵列靶面进行整靶标定，另一束输入相机等成像设备中实时获取强度分布作为对照组，再使用对照组数据处理输出电信号矩阵得到响应度矩阵。此方法标定时间短，但由于存在成像系统，实验平台设计较为复杂，且没有保证各单元入光量一致，在标定中忽略了入光功率大小对响应度的影响。
方法三：使用大截面准直平顶光作为标定光源，由于光束截面的强度分布均匀，使用功率计测量部分截面光斑的总功率就可以获取整光斑的功率密度，无需扫描照射和分光成像，因此标定误差小，标定时间短，实验相对简单。但对于常用激光器，输出大截面的准直平顶光需要精密复杂的扩束与整形处理，操作比较繁杂。
现有的标定方法均存在一定的缺陷，因此现在亟需一种快速、简洁且成本低的光电探测器阵列标定方法。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种光电探测器阵列的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳的运动轨迹转动光电探测器阵列，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度；
步骤S2：测量光电探测器阵列中各探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵；
步骤S3：根据响应度矩阵来检测光电探测器阵列中有无损坏单元；
步骤S4：根据响应度矩阵对光电探测器阵列进行一致性标定。
进一步的，所述步骤S1具体包括：
步骤S11：获取光电探测器阵列及其转台的GPS定位信息和时间信息；
步骤S12：根据GPS定位信息和时间信息计算太阳位置及其运动轨迹；
步骤S13：根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列与其成预定角度所需要的运动轨迹，使得所述靶面随着太阳光方向变化始终与其成预定角度。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：获取预定角度下光电探测器阵列输出的电信号矩阵；
步骤S22：在获取电信号矩阵时同步获取太阳光的入射功率，并计算太阳光的功率密度，其中入射功率为一段时间内的平均功率；
步骤S23：根据太阳光的功率密度和探测单元的入光口径计算各个探测单元的入光功率；
步骤S24：根据电信号矩阵和各个探测单元的入光功率计算各个探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵。
进一步的，所述步骤S24之后还包括：
步骤S25：重复步骤S22-S24，直至所述响应度矩阵稳定为止；
步骤S26：改变预定角度，重复S21-S25，获取不同预定角度对应的响应度矩阵。
进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤
步骤S31：检查响应度矩阵中是否存在有元素与其他元素相差超过预定阈值的元素；
步骤S32：若存在，则进一步判断该元素在其他预定角度下的响应度矩阵中是否同样超过预定阈值；
步骤S33：若同样超过预定阈值，则判断该元素为坏点，对该元素对应的探测单元进行更换，并重复执行步骤S1-S3，直至无坏点出现为止。
进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：获取探测器阵列实际工作中输出的电信号矩阵，并测量光束入射角度；
步骤S42：根据响应度矩阵和所述电信号矩阵计算校准后的入光功率矩阵；
步骤S43：根据校准后的入光功率矩阵和探测单元的入光口径计算校准后的入光功率密度矩阵。
本发明的另一实施例中还公开了一种光电探测器阵列的标定系统，所述标定系统包括载物台、支架、底座、光电探测器阵列和功率计；
所述底座与支架之间转动连接，所述支架与所述载物台之间转动连接，其中底座与支架之间的转动方向和述支架与所述载物台之间的转动方向垂直；
所述功率计和光电探测器阵列安装在所述载物台上，并且功率计感光面与光电探测器阵列的靶面在同一个平面内。
进一步的，所述标定系统还包括：
驱动单元，用于控制底座与支架之间的转动角度和述支架与所述载物台之间的转动角度，使得所述光电探测器阵列的靶面与太阳光之间始终保持预定角度；
数据处理单元，用于根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列的运动轨迹，并向驱动单元发送驱动指令。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行上述实施例中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机设备，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述实施例中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。有益效果
1.使用太阳光作为准直平顶光源标定光电探测器阵列的响应度一致性，计算方便、精准度高、节约成本。
2.采集星图数据控制转台，实现对太阳光的实时追踪，可以使得转台所载阵列与太阳光成设定角度，进而可标定阵列在不同入射角度下的响应度一致性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了本发明一实施例中光电探测器阵列的标定方法的流程图；
图2示出了本发明另一实施例中光电探测器阵列的标定方法的流程图；
图3示出了本发明另一实施例中光电探测器阵列的标定方法的流程图；
图4示出了本发明实施例中光电探测器阵列的标定系统的立体图；
图5示出了本发明实施例中光电探测器阵列的标定系统的侧视图。
图中：1、载物台；2、支架；3、底座；4、光电探测器阵列；5、功率计。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明实施例中公开了一种光电探测器阵列的标定方法，所述标定方法包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳的运动轨迹转动光电探测器阵列，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度；
步骤S2：测量光电探测器阵列中各探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵；
步骤S3：根据响应度矩阵来检测光电探测器阵列中有无损坏单元；
步骤S4：根据响应度矩阵对光电探测器阵列进行一致性标定。
在本实施例中以太阳光作为准直平顶光源，标定环境为无遮蔽物的晴空下。在标定过程中，首先将光电探测器阵列的靶面与太阳光调整成预定的角度，然后根据太阳的移动轨迹不断的调整光电探测器阵列的角度，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度，即太阳光始终以预定角度平行照射到光电探测器阵列的靶面上。需要说明的是，光电探测器阵列不仅代表由光电探测器所集成的阵列，而是泛指光电探测器与衰减器、滤光器、电路板等各类元件结合后可以满足测量需求的装置。光电探测器阵列中包括多个探测单元，多个探测单元以阵列的形式构成光电探测器阵列的一部分，通过多个探测单元可以接收光束，测量截面光斑的强度分布，进一步计算束宽、环围功率、质心抖动、质心剖线等激光参数。多个探测单元以阵列的形式排列，在进行标定时，需要对将所有探测单元的响应度进行测量，控制所有探测单元的响应度之间的误差在预定阈值内，其中预定阈值可根据系统的精度进行设定。所有探测单元的响应度集合按照对应探测单元的排列方式进行排列，即得到光电探测器阵列的响应度矩阵。示例性的，例如A、B、C、D四个探测单元以1*4的矩阵排列，组成光电探测器阵列，光电探测器阵列记为[A，B，C，D]。其中A、B、C、D的响应度分别为50％、60％、70％、80％，则光电探测器阵列的响应度矩阵记为[50％,60％,70％,80％]。根据响应度矩阵对光电探测器阵列进行一致性标定的具体步骤将在其他实施例中进行详细描述，在此不进行赘述。
综上本实施例通过采用跟踪太阳光的方式，不断的调整光电探测器阵列的对地角度，使得太阳光的入射角度始终与光电探测器阵列的靶面角度保持不变。在此基础上对个探测单元的响应度进行计算，得到光电探测器阵列的响应度矩阵，然后根据响应度矩阵进行标定。太阳光在所需截面积内可视为准直平顶光源，无需扩束整形；太阳光属于大截面光束，因此标定时间也较短，实验平台也较为简单，由此可知，通过本发明可以有效解决背景技术中存在的问题。另外，由于太阳光包含超宽光谱，配合滤光器进行使用可以进行多波长的标定；太阳光在白天不同时间段具有不同光强度，包含较广的强度范围，可以满足多类探测器单元的相应强度区间。
如图2所示，在本发明的另一实施例中，
所述步骤S1具体包括：
步骤S11：获取光电探测器阵列及其转台的GPS定位信息和时间信息；
步骤S12：根据GPS定位信息和时间信息计算太阳位置及其运动轨迹；
步骤S13：根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列与其成预定角度所需要的运动轨迹，使得所述靶面随着太阳光方向变化始终与其成预定角度。
具体的，GPS定位信息指的是待测设备定位信息，即光电探测器阵列所在的经纬度。由于地球围绕太阳公转，并且在进行自转，所以在特定时间内，太阳光照射到固定经纬度的角度是相同的。太阳光随着时间会不断的改变照射到该经纬度的入射角度，改变的规律可以通过太阳和地球之间的相对运动轨迹进行计算，计算出太阳光入射角度的变化规律后即可相对应的改变光电探测器阵列的靶面角度，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度。
如图3所示，在本发明的另一实施例中所述步骤S2具体包括：
步骤S21：获取预定角度下光电探测器阵列输出的电信号矩阵；
步骤S22：在获取电信号矩阵时同步获取太阳光的入射功率，并计算太阳光的功率密度，其中入射功率为一段时间内的平均功率；
步骤S23：根据太阳光的功率密度和探测单元的入光口径计算各个探测单元的入光功率；
步骤S24：根据电信号矩阵和各个探测单元的入光功率计算各个探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵。
优选的，在步骤S24之后还包括步骤S25：重复步骤S22-S24，直至所述响应度矩阵稳定为止。
具体的，角度指的是太阳光在光电探测器阵列靶面的相对入射角度。光电探测器阵列由多个探测单元以阵列的形式进行排列得到，探测单元接收到光信号后，将光信号转换为电信号，将多个探测单元的电信号按照探测单元排列方式进行排列，即得到光电探测器阵列输出的电信号矩阵。太阳光的入射功率使用功率计获取。示例性的，所述功率计与光电探测器阵列的靶面同面安装，在光电探测器阵列的靶面移动时，所述功率计也会做同等幅度的移动，保证功率计所采集到的太阳光功率与太阳光照射到光电探测器阵列靶面的入射功率一致。根据探测器采集的入射功率和探测器的感应面面积即可计算出太阳光的功率密度。根据太阳光的功率密度结合每个探测单元的入光口径即可计算出每个探测单元的入光功率，同理，根据每个探测单元的入光功率和输出电信号即可得出单个探测单元的响应度。根据单个探测单元的响应度即可得出光电探测器阵列的响应度矩阵。进一步的，为了得到更加精准的响应度矩阵，需要多次重复步骤S32-S34，直至所述响应度矩阵的数值相对稳定为止。在响应度矩阵的数值相对稳定后，再重复步骤S22-S24几次，记稳定后响应度矩阵的平均值为该预设角度时的响应度矩阵。
示例性的，预设角度为θ角，电信号矩阵为A(θ)m×n，其中m和n代表电信号矩阵的m行和n列。在获取电信号矩阵时，功率计的读数为P0(θ)，P0(θ)一般取采集时间段内的平均值，太阳光功率密度I0(θ)的计算方式如下式(1)：
I0(θ)＝P0(θ)/s0 (1)
其中，s0表示功率计的感应面面积。每个探测单元的入光功率P1(θ)的计算方式如下式(2)：
P1(θ)＝I0(θ)·s1 (2)
其中，s1表示每个探测单元的入光口径。光电探测器阵列响应度矩阵η(θ)m×n的计算方式如下式(3)：
η(θ)m×n＝A(θ)m×n/P1(θ) (3)
进一步的，所述步骤S25之后还包括：
步骤S26：改变预定角度，重复S21-S25，获取不同预定角度对应的响应度矩阵。
如图4所示，在本发明的另一实施例中所述步骤S3具体包括以下步骤
步骤S31：检查响应度矩阵中是否存在有元素与其他元素相差超过预定阈值的元素；
步骤S32：若存在则进一步判断该元素在其他响应度矩阵中是否同样超过预定阈值；
步骤S33：若同样超过预定阈值，则判断该元素为坏点，对该元素对应的探测单元进行更换，并重复执行步骤S1-S3，直至无坏点出现为止。
根据响应度矩阵即可对多个探测单元进行一致性标定。具体的，首先在特定角度的响应度矩阵中判断是否存在有元素与其他元素之间的差距超过预定阈值。示例性的，光电探测器阵列要求各个探测单元的响应度差别不能超过5％，在某特定角度的响应度矩阵中中位数是80％，但是有一个元素为50％，其他元素都在75％-85％之间。则进一步判断该元素所对应的探测单元在其他角度的响应度矩阵中是否同样与中位数的误差超过5％，若在其他角度的响应度矩阵中该探测单元的响应度与其他探测单元的响应度数值也超过5％，则判定该探测单元为坏点。坏点表示的意思是该探测单元的响应度参数与其他探测单元的响应度数值之间的误差超过系统容忍的最大范围。当检测出坏点后，需要对该探测单元进行更换，并出现测量多角度的响应度矩阵，直到无坏点出现。此时完成了光电探测器阵列的一致性标定，在此光电探测器阵列中的探测单元的响应度误差均符合系统的误差范围。
进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：获取探测器阵列实际工作中输出的电信号矩阵，并测量光束入射角度；
步骤S42：根据响应度矩阵和所述电信号矩阵计算校准后的入光功率矩阵；
S43：根据校准后的入光功率矩阵和探测单元的入光口径计算校准后的入光功率密度矩阵。
具体的，在获取光电探测器响应度矩阵后，需要进一步的对光电探测器阵列的入光密度矩阵进行标定。获取实测值输出的电信号矩阵，并测量光束的入射角度。然后根据响应度矩阵和电信号矩阵计算校准后的入光功率矩阵，然后根据入光功率矩阵和探测单元的入光口径计算入光功率密度矩阵。示例性的，获取的电信号矩阵为Bm×n，光束入射角度为Θ，则入光功率矩阵Pm×n计算方式如下式(4)：
Pm×n＝Bm×n/η(Θ)m×n (4)
其中，η(Θ)m×n为响应度矩阵。
入光功率密度矩阵Im×n的计算方式如下式(5)：
Im×n＝Pm×n/s1 (5)
其中s1为各探测单元的入光口径。
本发明的另一实施例中还公开了一种光电探测器阵列的标定系统，如图5所示，所述标定系统包括载物台1、支架2、底座3、光电探测器阵列4和功率计5；所述底座3与支架2之间转动连接，所述支架2与所述载物台1之间转动连接，其中底座3与支架2之间的转动方向和述支架2与所述载物台1之间的转动方向垂直；所述功率计5和光电探测器阵列4安装在所述载物台1上，并且功率计5的感光面与光电探测器阵列4的靶面在同一个平面内。
进一步的，所述标定系统还包括：
驱动单元，用于控制底座与支架之间的转动角度和述支架与所述载物台之间的转动角度，使得所述光电探测器阵列的靶面与太阳光之间始终保持预定角度；
数据处理单元，用于根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列的运动轨迹，并向驱动单元发送驱动指令。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行上述实施例中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机设备，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述实施例中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光电探测器阵列的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳的运动轨迹转动光电探测器阵列，使得所述靶面始终与太阳光成预定角度；
步骤S2：测量光电探测器阵列中各探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵；
步骤S3：根据响应度矩阵来检测光电探测器阵列中有无损坏单元；
步骤S4：根据响应度矩阵对光电探测器阵列进行一致性标定。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括：
步骤S11：获取光电探测器阵列及其转台的GPS定位信息和时间信息；
步骤S12：根据GPS定位信息和时间信息计算太阳位置及其运动轨迹；
步骤S13：根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列与其成预定角度所需要的运动轨迹，使得所述靶面随着太阳光方向变化始终与其成预定角度。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，
所述步骤S2具体包括：
步骤S21：获取预定角度下光电探测器阵列输出的电信号矩阵；
步骤S22：在获取电信号矩阵时同步获取太阳光的入射功率，并计算太阳光的功率密度，其中入射功率为一段时间内的平均功率；
步骤S23：根据太阳光的功率密度和探测单元的入光口径计算各个探测单元的入光功率；
步骤S24：根据电信号矩阵和各个探测单元的入光功率计算各个探测单元的响应度，得到光电探测器阵列的响应度矩阵。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，
所述步骤S24之后还包括：
步骤S25：重复步骤S22-S24，直至所述响应度矩阵稳定为止；
步骤S26：改变预定角度，重复S21-S25，获取不同预定角度对应的响应度矩阵。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，
所述步骤S3具体包括以下步骤
步骤S31：检查响应度矩阵中是否存在有元素与其他元素相差超过预定阈值的元素；
步骤S32：若存在，则进一步判断该元素在其他预定角度下的响应度矩阵中是否同样超过预定阈值；
步骤S33：若同样超过预定阈值，则判断该元素为坏点，对该元素对应的探测单元进行更换，并重复执行步骤S1-S3，直至无坏点出现为止。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，
所述步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：获取探测器阵列实际工作中输出的电信号矩阵，并测量光束入射角度；
步骤S42：根据响应度矩阵和所述电信号矩阵计算校准后的入光功率矩阵；
步骤S43：根据校准后的入光功率矩阵和探测单元的入光口径计算校准后的入光功率密度矩阵。
7.一种光电探测器阵列的标定系统，其特征在于，
所述标定系统包括载物台、支架、底座、光电探测器阵列和功率计；
所述底座与支架之间转动连接，所述支架与所述载物台之间转动连接，其中底座与支架之间的转动方向和述支架与所述载物台之间的转动方向垂直；
所述功率计和光电探测器阵列安装在所述载物台上，并且功率计感光面与光电探测器阵列的靶面在同一个平面内。
8.根据权利要求7所述的标定系统，其特征在于，
所述标定系统还包括：
驱动单元，用于控制底座与支架之间的转动角度和述支架与所述载物台之间的转动角度，使得所述光电探测器阵列的靶面与太阳光之间始终保持预定角度；
数据处理单元，用于根据太阳位置及其运动轨迹计算光电探测器阵列的运动轨迹，并向驱动单元发送驱动指令。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如权利要求1至6中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如权利要求1至6中任一项所述的光电探测器阵列的标定方法。
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