CN114608703A - 双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置及其测试方法，其中的测试装置包括：双黑体系统、中继镜头、红外单色仪、汇聚镜头、镀金积分球、双探测器系统和控制处理系统；黑体输出的光束经过中继镜头入射到红外单色仪内，控制红外单色仪输出单色光，再经汇聚镜头，入射到镀金积分球内，在积分球出光口形成均匀的光斑，分别被双探测器系统中的标准探测器和待测探测器接受，再经控制处理系统转换为数字信号。在同一波长位置两个探测器分别获得高温黑体和低温黑体的两种辐射信号。经过数据处理获得待测探测器的相对光谱响应度。本发明有效减少单高温黑体对测试结果的影响，解决了因测试系统温度变化导致测试结果偏差较大的问题。

Description

双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及空间光学技术领域，特别涉及双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置及其测试方法。

背景技术

随着红外焦平面阵列技术发展，红外空间相机迅速发展，红外焦平面阵列是红外空间相机的核心成像器件，其相对光谱响应的测试准确性，决定红外空间相机反演地面景物目标的准确度。红外焦平面阵列的相对光谱响应度是表征红外焦平面阵列对各波长辐射响应能力的重要参量。红外焦平面阵列相对光谱响应度的理想测试条件，是在具有真空低温环境的真空罐内进行测试，但是相对光谱响应度测试需要高温的黑体(温度不小于700℃)，红外单色仪等均需要在真空低温环境下工作，由于黑体的温度太高，在真空低温环境下不能工作。因此目前相对光谱响应度测试通常在常温常压的实验室内进行，在测试过程中，由于高温黑体对红外单色仪辐射能量，使得红外单色仪和内部光学元件的温度升高，引入到测试系统内，从而导致测试结果偏差较大，进而导致红外空间相机反演地面温度的精度降低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置及其测试方法，在任意一个波长位置处，通过高温和低温黑体辐射的差值来对每个波长的响应度进行测试，有效减少单高温黑体对测试结果的影响，在实验室环境下进行测试，有效解决了因测试系统温度变化导致测试结果偏差较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种相对光谱响应度测试装置，包括：高温腔型黑体、低温腔型黑体、中继镜头、红外单色仪、汇聚镜头、镀金积分球、标准探测器、待测探测器和控制处理系统；

高温腔型黑体和低温腔型黑体分别保持高温和低温不变，且温度差保持不变，高温腔型黑体辐射出光束通过中继镜头后进入红外单色仪，红外单色仪将光束输出为波长为λi的红外单色光，红外单色光通过汇聚镜头后进入镀金积分球中，且在镀金积分球的出光口处形成均匀的红外单色光斑，分别用双探测器系统中的标准探测器和待测探测器进行测试，获得高温腔型黑体在标准探测器和待测探测器中的输出信号，再经控制处理系统转换为数字信号；

保持红外单色仪波长λi不变，将高温腔型黑体切换为低温腔型黑体，分别获得低温腔型黑体在标准探测器和待测探测器中的输出信号，再经控制处理系统转换为数字信号；

至此获得在波长λi下的四路数字信号，通过变换波长λi分别获得在不同波长位置处的四路数字信号，经过控制处理系统的数据处理，获得待测探测器的相对光谱响应度。

优选地，还包括：第一平移台；

高温腔型黑体和低温腔型黑体依次安装在第一平移台上，第一平移台在控制处理系统的控制下实现高温腔型黑体和低温腔型黑体的位置切换；

当将高温腔型黑体作为能量源时，第一平移台控制高温腔型黑体与中继镜头进行对准；

当将低温腔型黑体作为能量源时，第一平移台控制低温腔型黑体与中继镜头进行对准。

优选地，还包括：第二平移台；

标准探测器和待测探测器依次安装在第二平移台上，并在控制处理系统的控制下实现标准探测器和待测探测器的位置切换；

当利用标准探测器进行接收时，第二平移台将标准探测器的探测面与镀金积分球的出光口进行对准；

当利用待测探测器进行接收时，第二平移台将待测探测器的探测面与镀金积分球的出光口进行对准。

优选地，高温腔型黑体的温度不低于为700℃，低温腔型黑体的温度不低于30℃，在测试过程中，高温腔型黑体和低温腔型黑体的温度不变，且温度差不小于670℃。

优选地，控制处理系统包括：信号处理器、控制器和计算机；

控制器和计算机用于控制第一平移台和第二平移台的移动分别实现高温腔型黑体与低温腔型黑体的位置切换、标准探测器与待测探测器的位置切换，以及用于控制光栅的旋转角度；

信号处理器用于将标准探测器和待测探测器获取的信息转化为数字信号并计算相对光谱响应度。

本发明还提供一种相对光谱响应度测试方法，包括以下步骤：

S0、通过控制处理系统控制红外单色仪按照预设的波长间隔依次输出不同波长的红外单色光；

S1、在波长λi位置处，依次得到待测探测器在高温腔型黑体和低温腔型黑体下的信号值Y1(λi)和Y2(λi)和标准探测器在高温腔型黑体和低温腔型黑体下的信号值S1(λi)和S2(λi)；

S2、根据Y1(λi)、Y2(λi)、S1(λi)和S2(λi)计算得到待测探测器在波长λi位置处的响应度RD(λi)：

其中，RS(λi)为标准探测器在波长λi位置处的响应度；

S3、重复步骤S1～S2，得到待测探测器在不同波长下的响应度RD(λi)，并计算得到相对光谱响应度RL(λi)：

R*(λ)＝max{RD(λi)}

其中，R*(λ)为待测探测器在不同波长位置处的响应度的最大值。

优选地，待测探测器为：红外单元探测器、红外焦平面阵列、红外面阵探测器、红外线阵探测器或红外TDI线阵探测器。

优选地，当待测探测器为红外面阵探测器、红外线阵探测器或红外TDI线阵探测器时：计算待测探测器在不同波长下接收的图像中包含红外单色光斑像元的平均灰度值。

与现有的技术相比，在任意一个波长位置处，本发明通过高温和低温黑体辐射的差值来对每个波长的响应度进行测试，有效减少单高温黑体对测试结果的影响，在实验室环境下进行测试，有效解决了因测试系统温度变化导致测试结果偏差较大的问题。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置中红外焦平面阵列获取的图像示意图。

图3是根据本发明实施例提供的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试方法的流程图。

其中的附图标记包括：高温腔型黑体1、低温腔型黑体2、第一平移台3、中继镜头4、红外单色仪5、汇聚镜头6、镀金积分球7、标准红外探测器8、待测红外探测器9、第二平移台10、信号处理器11、控制器12和计算机13。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的双黑体高精度红外相对光谱响应度包括：双黑体系统、中继镜头4、红外单色仪5、汇聚镜头6、镀金积分球7、双探测器系统和控制处理系统。

双黑体系统包括：高温腔型黑体1、低温腔型黑体2和第一平移台3。高温腔型黑体1和低温腔型黑体2依次安装在第一平移台3上，第一平移台3在控制处理系统的控制下实现对高温腔型黑体1和低温腔型黑体2的位置的精确切换。

当将高温腔型黑体1作为能量源时，第一平移台3控制高温腔型黑体1切换至光路中，即使高温腔型黑体1与中继镜头4进行对准。

当将低温腔型黑体2作为能量源时，第一平移台3控制低温腔型黑体2切换至光路中，即使低温腔型黑体2与中继镜头4进行对准。

高温腔型黑体1和低温腔型黑体2的温度经过设定后不会再进行变化，其中高温腔型黑体1的温度为不低于700℃，低温腔型黑体2的温度比实验室环境温度高5℃，一般30℃至50℃。在测试过程中，高温腔型黑体1和低温腔型黑体2分别保持固定温度不变，且温度差不小于670℃。

双黑体系统中的高温腔型黑体1和低温腔型黑体2通过第一平移台3移动至光路中与中继镜头4的入光口对接。

高温腔型黑体1和低温腔型黑体2输出的光束通过中继镜头4后经红外单色仪5的入光口狭缝入射到红外单色仪5的内部。光束通过中继镜头4，使得红外单色仪5接收到的能量更强，且红外单色仪5输出的单色光能量也更强.红外单色仪5内的光栅在控制处理系统的控制下，使红外单色仪5的出光口输出为所要求的红外单色光。

红外单色光经过汇聚镜头6入射到镀金积分球7内，且在镀金积分球7的出光口处形成均匀的红外单色光斑。汇聚镜头6用于将红外单色光汇聚后形成缩小的光斑，全部入射到镀金积分球7内；镀金积分球7为内表面镀金具有漫反射特性的球形腔体，对红外光束具有较高的发射率和较好的反射；入光口和出光口的中心轴线互相垂直入射到积分球内的光束经过多次反射后在出光口形成均匀的光斑，用于探测器测试。。

红外单色光斑被双探测器系统接收。双探测器系统包括：标准红外探测器8、待测红外探测器9和第二平移台10。标准红外探测器8和待测红外探测器9依次安装在第二平移台10上，并在控制处理系统的控制下，用于对标准红外探测器8和待测红外探测器9的位置进行高精度切换。

当利用标准红外探测器8进行信号接收时，第二平移台10将标准红外探测器8移动至光路中，即将标准红外探测器8的探测面与镀金积分球7的出光口进行对准。

当利用待测红外探测器9进行信号接收时，第二平移台10将待测红外探测器9移动至光路中，即将待测红外探测器9的探测面与镀金积分球7的出光口进行对准。

控制处理系统包括：信号处理器11、控制器12和计算机13。控制器12和计算机13用于控制第一平移台3和第二平移台10分别实现高温腔型黑体1和低温腔型黑体2、标准红外探测器8和待测红外探测器9的位置切换，以及实现对红外单色仪5内部光栅的旋转角度的控制。

信号处理器11为标准探测器或待测探测器的信号处理板，由模拟放大电路，探测器的驱动电路，模数转换电路组成，一般为研制的电路板。

控制器12用于控制第一平移台3和第二平移台10，进而达到控制双黑体系统或双探测器系统的移动，和测试过程中的切换。

计算机13通过通讯线缆分别与信号处理器11和控制器12，并进行控制指令传输，计算机13通过数据线获得信号处理器11的探测器信号数据。

红外单色光斑分别被标准红外探测器8和待测红外探测器9接收后，分别经过信号处理器11转换为数字信号，由计算机13获取对应的数据。

最终在波长λi位置处可以获得：

待测红外探测器9在高温腔型黑体1和低温腔型黑体2下的信号值Y1(λi)和Y2(λi)；

标准红外探测器8在高温腔型黑体1和低温腔型黑体2下的信号值S1(λi)和S2(λi)。

标准红外探测器8和待测红外探测器9输出的信号可以是电压、电流或数码值(图像灰度值)。

通过下述公式计算得到在波长λi位置处待测红外探测器9的响应度RD(λi):

其中，RS(λi)为标准红外探测器8在波长λi位置处的响应度。

因红外单色仪能够输出不同波长下的红外单色光斑，最终可得到在不同波长下的待测红外探测器9的响应度RD(λi)，通过下述公式计算得到相对光谱响应度RL(λi)：

R*(λ)＝max{RD(λi)}

其中，max{RD(λi)}为待测红外探测器9在不同波长位置处的响应度的最大值。

图2示出了根据本发明实施例提供的红外焦平面阵列获取的图像示意。

如图2所示，14为红外焦平面阵列图像，15为镀金积分球出光口光斑区域，16为像元平均灰度值计算区域，17为镀金积分球出光口光斑区域左上角像元序号，18为计算像元区域的左上角像元序号，19为镀金积分球出光口光斑区域右下角像元序号，20为计算像元区域的右下角像元序号。

当待测红外探测器9为红外图像探测器(面阵、线阵、TDI线阵)时，在计算待测红外探测图像探测器输出的信号时，应计算图像中包含光斑像元的平均灰度值，所有波长位置均计算相同的图像区域内的像元平均灰度值。

在红外焦平面阵列图像14内，查找镀金积分球7出光口光斑区域15，镀金积分球7出光口光斑区域左上角像元序号17为Y(a，b)，右下角像元序号19为Y(m，n)，计算像元区域的左上角像元序号18为Y(A，B)，右下角像元序号20为Y(M，N)。计算像元平均灰度值区域比镀金积分球出光口光源区域大，具体关系为：

a-A＝b-B＝M-m＝N-n≥5

图3示出了根据本发明实施例提供的相对光谱响应度测试方法的流程图。

如图3所示，本发明提供的相对光谱响应度测试方法步骤如下：

本发明提供实施例提供的红外焦平面阵列相对光谱响应度测试装置的测试光谱范围为：2.0μm～12μm。

S0、通过控制处理系统控制红外单色仪按照预设的波长间隔依次输出不同波长下的红外单色光。

控制处理系统控制红外单色仪内部的光栅进行旋转使得红外单色仪能够按照一定的波长间隔(如：0.02μm)，从双黑体系统发出的辐射能量的波段内，依次输出具有波长间隔的红外单色光，

S1、在波长λi位置处，依次得到待测探测器在高温腔型黑体和低温腔型黑体下的信号值Y1(λi)和Y2(λi)和标准探测器在高温腔型黑体和低温腔型黑体下的信号值S1(λi)和S2(λi)；

S2、根据Y1(λi)、Y2(λi)、S1(λi)和S2(λi)计算得到待测探测器在波长λi位置处的响应度RD(λi)：

其中，RS(λi)为标准探测器在波长λi位置处的响应度；

S3、重复步骤S1～S2，得到待测探测器在不同波长下的响应度RD(λi)，并计算得到相对光谱响应度RL(λi)：

R*(λ)＝max{RD(λi)}

其中，R*(λ)为待测探测器在不同波长位置处的响应度的最大值。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置，其特征在于，包括：高温腔型黑体、低温腔型黑体、中继镜头、红外单色仪、汇聚镜头、镀金积分球、标准探测器、待测探测器和控制处理系统；

所述高温腔型黑体和所述低温腔型黑体分别保持高温和低温不变，且温度差保持不变；所述高温腔型黑体辐射出光束通过所述中继镜头后进入所述红外单色仪，所述红外单色仪将所述光束输出为波长为λi的红外单色光，所述红外单色光通过所述汇聚镜头后进入所述镀金积分球中，且在所述镀金积分球的出光口处形成均匀的红外单色光斑，分别用标准探测器和待测探测器进行测试，获得高温腔型黑体在所述标准探测器和待测探测器中的输出信号，再经所述控制处理系统转换为数字信号；

保持红外单色仪波长λi不变，将所述高温腔型黑体切换为所述低温腔型黑体，分别获得低温腔型黑体在所述标准探测器和待测探测器中的输出信号，再经控制处理系统转换为数字信号；

至此获得在波长λi下的四路数字信号，通过变换所述红外单色仪的波长λi分别获得在不同波长位置处的四路数字信号，经过所述控制处理系统的数据处理，获得待测探测器的相对光谱响应度。

2.根据权利要求1所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置，其特征在于，还包括：第一平移台；

所述高温腔型黑体和低温腔型黑体依次安装在第一平移台上，第一平移台在所述控制处理系统的控制下实现所述高温腔型黑体和所述低温腔型黑体的位置切换；

当将所述高温腔型黑体作为能量源时，所述第一平移台控制所述高温腔型黑体与所述中继镜头进行对准；

当将所述低温腔型黑体作为能量源时，所述第一平移台控制所述低温腔型黑体与所述中继镜头进行对准。

3.根据权利要求2所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置，其特征在于，还包括：第二平移台；

所述标准探测器和待测探测器依次安装在所述第二平移台上，并在所述控制处理系统的控制下实现所述标准探测器和待测探测器的位置切换；

当利用所述标准探测器进行接收时，所述第二平移台将所述标准探测器的探测面与所述镀金积分球的出光口进行对准；

当利用所述待测探测器进行接收时，所述第二平移台将所述待测探测器的探测面与所述镀金积分球的出光口进行对准。

4.根据权利要求3所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置，其特征在于，所述高温腔型黑体的温度不低于为700℃，保持高温温度不变，所述低温腔型黑体的温度不低于30℃，保持低温温度不变，在测试过程中，所述高温腔型黑体和低温腔型黑体的温度不变，且温度差不小于670℃。

5.根据权利要求4所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置，其特征在于，所述控制处理系统包括：信号处理器、控制器和计算机；

所述控制器和所述计算机用于控制所述第一平移台和所述第二平移台的移动分别实现所述高温腔型黑体与所述低温腔型黑体的位置切换、所述标准探测器与所述待测探测器的位置切换，以及用于控制所述光栅的旋转角度；

所述信号处理器用于将所述标准探测器和所述待测探测器获取的信息转化为数字信号并计算相对光谱响应度。

6.一种利用权利要求5所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试装置的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、通过所述控制处理系统控制所述红外单色仪按照预设的波长间隔依次输出不同波长的红外单色光；

S1、在波长λi位置处，依次得到所述待测探测器在所述高温腔型黑体和所述低温腔型黑体下的信号值Y1(λi)和Y2(λi)和所述标准探测器在所述高温腔型黑体和所述低温腔型黑体下的信号值S1(λi)和S2(λi)；

S2、根据Y1(λi)、Y2(λi)、S1(λi)和S2(λi)计算得到所述待测探测器在所述波长λi位置处的响应度RD(λi)：

其中，RS(λi)为所述标准探测器在所述波长λi位置处的响应度；

S3、重复步骤S1～S2，得到所述待测探测器在不同波长下的响应度RD(λi)，并计算得到相对光谱响应度RL(λi)：

R*(λ)＝max{RD(λi)}

其中，R*(λ)为所述待测探测器在不同波长位置处的响应度的最大值。

7.根据权利要求6所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试方法，其特征在于，所述待测探测器为：红外单元探测器、红外焦平面阵列、红外面阵探测器、红外线阵探测器或红外TDI线阵探测器。

8.根据权利要求7所述的双黑体高精度红外相对光谱响应度测试方法，其特征在于，当所述待测探测器为红外面阵探测器、红外线阵探测器或红外TDI线阵探测器时：计算待测探测器在不同波长下接收的图像中包含红外单色光斑像元的平均灰度值。

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