專利名稱：光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)計(jì)量與測試領(lǐng)域，主要涉及一種成像光譜儀光譜響應(yīng)度的測試方法，尤其涉及一種光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的測試方法。
背景技術(shù)：
光電探測器在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和光學(xué)工程中發(fā)揮著重要作用。光電探測器把光輻射轉(zhuǎn)換成電量，其作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并為應(yīng)用提取必須的信號。光電探測器是成像光譜儀實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣將影響整個成像光譜儀的性能。實(shí)際探測器對光輻射的反應(yīng)都會存在波長選擇性，光譜響應(yīng)度就是指不同波長處的響應(yīng)度。探測器的相對光譜響應(yīng)度有兩種基本測量方法I)比較法，該方法是把被測探測器與已知光譜響應(yīng)度的基準(zhǔn)探測器比較。該方法需要一個輻射源、一臺單色儀和一個基準(zhǔn)探測器；2)濾光器法，該方法是利用已知光譜功率分布的標(biāo)準(zhǔn)光源和一組已知光譜透射·比函數(shù)的濾光器進(jìn)行測量。成像光譜儀是20世紀(jì)80年代開始在多光譜遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代光學(xué)遙感器，它能夠以高光譜分辨率獲取景物和目標(biāo)的超多譜段圖象，在大氣、海洋和陸地觀測中正在得到廣泛的應(yīng)用。由于成像光譜儀是成像技術(shù)和光譜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，因此成像光譜儀的校準(zhǔn)和測試，從技術(shù)上講主要包括兩大部分光譜輻射量標(biāo)定和成像參數(shù)標(biāo)定。其中，光譜輻射量標(biāo)定的參數(shù)主要有波長范圍、光譜分辨率、相對光譜響應(yīng)度及空間均勻性等。國內(nèi)在90年代初以西安光機(jī)所和上海技術(shù)物理研究所為代表開始成像光譜儀的研究和測試，投入了大量的人力和物力開展各類成像光譜儀的研究和開發(fā)工作，但校準(zhǔn)測試只涉及輻射度參數(shù)幾個波長點(diǎn)的測試。成像光譜儀根據(jù)其分光原理不同，主要有光柵成像光譜儀、漸變?yōu)V光成像光譜儀和聲光可調(diào)諧成像光譜儀等。從目前的技術(shù)發(fā)展來看，光柵成像光譜儀由于技術(shù)成熟度高仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。目前光柵式成像光譜儀的相對光譜響應(yīng)度普遍認(rèn)為是成像光譜儀內(nèi)部CCD光電探測器的光譜響應(yīng)度，但是由于光柵式成像光譜儀整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合了光學(xué)成像系統(tǒng)和光譜分光系統(tǒng)的特征，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量及畸變以及分光情況等對光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的影響不可忽略，僅僅以CCD光電探測器的相對光譜響應(yīng)度來表不光柵式成像光譜儀整機(jī)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足成像光譜儀實(shí)際測量精度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對目前光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度測試存在的問題，提供了一種能夠真實(shí)反映光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的測試方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的光柵式成像光譜儀光譜響應(yīng)度測試方法包括以下步驟
第I步，將積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)、含有一個平面反射鏡和一個離軸拋物面鏡的光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、被測光柵式成像光譜儀放置在光學(xué)平臺上，其中，平面反射鏡和離軸拋物面鏡通過各自的三維可調(diào)支架支撐，光柵式成像光譜儀的輸出端通過電纜與內(nèi)置了測量軟件包的計(jì)算機(jī)相連，所述測量軟件包分為界面模塊、存儲模塊、采集模塊和測試模塊，界面模塊上設(shè)置有開始按鈕、結(jié)果顯示按鈕和參數(shù)設(shè)置欄，存儲模塊中保存了標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率表，該表是在積分球標(biāo)準(zhǔn)光源波長范圍內(nèi)以△ λ為步長所對應(yīng)的一組標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率φ (λ t);第2步，打開光柵式成像光譜儀和計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，光柵式成像光譜儀和計(jì)算機(jī)初始化后，打開積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)的電源開關(guān)，按壓相應(yīng)的電壓值調(diào)節(jié)按鈕，使積分球標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光輻射信號強(qiáng)度滿足測試要求，調(diào)節(jié)平面反射鏡的三維可調(diào)支架，使積分球標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光輻射信號均勻地照射在平面反射鏡的中心區(qū)域；調(diào)節(jié)離軸拋物面鏡的三維可調(diào)支架，使離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)與積分球光源系統(tǒng)的中心重合，當(dāng)積分球光源發(fā)出的均勻光輻射信號經(jīng)過平面反射鏡反射后，通過離軸拋物面鏡的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，形成大口徑平行出射光束并充滿光柵式成像光譜儀的入口 ；
第3步，通過計(jì)算機(jī)界面模塊的參數(shù)設(shè)置欄，輸入測試所需的波長范圍、波長間隔，然后點(diǎn)擊開始測試按鈕，計(jì)算機(jī)采集模塊自動采集被測光柵式成像光譜儀輸出的一組
電壓信號V(Xi，Aj)并將該組信號存放到存儲模塊中，其中i = 1，2，......，n;j = 1，
2，......，m，n、m分別對應(yīng)光柵式成像光譜儀中面陣CXD探測器nXm像元的行數(shù)和列數(shù)；第4步，計(jì)算機(jī)的測試模塊調(diào)用存儲模塊中的測量數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理4. I根據(jù)以下公式計(jì)算所述電壓信號V(Xi，λ j)中每個信號所對應(yīng)的光譜響應(yīng)度S (Xi,入 j) s(Xi’Φ (Xi，λ J = Ι Φ (λ j)式中，Φ (λ ρ是積分球標(biāo)準(zhǔn)光源在j點(diǎn)波長上的光譜輻射功率，通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率表獲得；Φ (Xi，λ ρ是第i行第j列(XD像元的光譜功率，k為一個常數(shù)，q為測試系統(tǒng)的固定修正因子；4. 2計(jì)算機(jī)的測試模塊按下式對所述光譜響應(yīng)度S (Xi，λ ρ進(jìn)行歸一化處理，得到光柵式成像光譜儀的相對光譜響應(yīng)度RUi，λ j)R (Xi, λ j) =TK
(X0，Aq )上式中，S(x0, λ 0)為光譜響應(yīng)度S (Xi，λ j)中的最大光譜響應(yīng)度；第5步，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)界面模塊的結(jié)果顯示按鈕，存儲模塊將所述相對光譜響應(yīng)度R(xi； Aj.)以電子表格形式保存在計(jì)算機(jī)的存儲器中，并根據(jù)這組數(shù)據(jù)繪制出所述相對光譜響應(yīng)度R(Xi，Xj)以X，λ，R為坐標(biāo)軸的立方體圖形。本發(fā)明的整體技術(shù)效果體現(xiàn)在以下幾個方面。I)本發(fā)明采用光譜輻射功率已知的均勻積分球標(biāo)準(zhǔn)光源，經(jīng)過光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直和放大，為光柵式成像光譜儀提供了滿足要求的光輻射信號；該光輻射信號經(jīng)過光柵式成像光譜儀內(nèi)部的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)后，在狹縫上成像，再通過光柵分光系統(tǒng)將狹縫像成在光柵式成像光譜儀內(nèi)部的面陣CCD探測器上，因此，光柵式成像光譜儀內(nèi)部的面陣CCD探測器接收到的是經(jīng)過了成像光譜儀內(nèi)部的光學(xué)成像系統(tǒng)和光柵分光系統(tǒng)后的光輻射信號，結(jié)合了光柵式成像光譜儀的分光特點(diǎn)，該光福射信號含有光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和畸變以及分光情況等對光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度影響的因素，該方法能夠真實(shí)地反映光柵式成像光譜儀實(shí)際的相對光譜響應(yīng)度，能夠滿足光柵式成像光譜儀整機(jī)系統(tǒng)實(shí)際測量精度的要求。2)本發(fā)明主要用于光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確測試，對于其他色散型成像光譜儀，由于其原理與光柵式成像光譜儀類似，因此，本發(fā)明還可以對其他色散型成像光譜儀的相對光譜響應(yīng)度進(jìn)行測試；本發(fā)明操作簡單，通用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。


圖I是典型的光柵式成像光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度測試原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。為了實(shí)現(xiàn)光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確測試，本發(fā)明的總體構(gòu)思是，選用光譜輻射功率已知的積分球標(biāo)準(zhǔn)光源，該標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的均勻光信號經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)后進(jìn)入光柵式成像光譜儀，再結(jié)合光柵式成像光譜儀的成像及分光特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集光柵式成像光譜儀的輸出信號，進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確測試。根據(jù)圖I所示，光柵式成像光譜儀一般依次由望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)I'、狹縫2'、光柵分光系統(tǒng)3'和面陣CCD探測器4'等組成。進(jìn)入光柵式成像光譜儀3的光輻射信號，經(jīng)內(nèi)部的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)I,在狹縫2'上成像，再通過光柵分光系統(tǒng)3'將狹縫像成在光柵式成像光譜儀內(nèi)部的面陣CXD探測器4'上，面陣CXD探測器4'含有n*m個像元，η是面陣C⑶探測器4'的行數(shù)，m是面陣CXD探測器4'的列數(shù)。狹縫像經(jīng)光柵分光系統(tǒng)3'色散后，產(chǎn)生η組波長為X1 λ m的光譜信號，該光譜信號被面陣CCD探測器4'接收，依次轉(zhuǎn)換為n*m個電壓信號 VUi, Aj)輸出，其中 i = 1,2,......，n ;j = 1,2,......，m。本發(fā)明光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度測試方法的具體測試步驟如下第I步根據(jù)圖2搭建測試系統(tǒng)。將積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)I、含有一個平面反射鏡和一個離軸拋物面鏡的光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)2和被測光柵式成像光譜儀3放置在光學(xué)平臺上，其中，平面反射鏡和離軸拋物面鏡通過各自的三維可調(diào)支架支撐，光柵式成像光譜儀的輸出端通過電纜與計(jì)算機(jī)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4相連。積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)I主要由積分球標(biāo)準(zhǔn)光源及其供電系統(tǒng)組成，積分球標(biāo)準(zhǔn)光源為高穩(wěn)定性的鹵素?zé)?，并能夠在積分球的出口處獲得非常均勻的光斑，提供波長范圍為(380nm 2400nm)的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)信號；積分球供電系統(tǒng)帶有電壓值調(diào)節(jié)按鈕和電壓顯示窗口和電流顯示窗口，當(dāng)按壓電壓值調(diào)節(jié)按鈕時，電壓顯示窗口和電流顯示窗口分別顯示與該按鈕相對應(yīng)的電壓值和電流值，并通過選擇按壓不同的電壓值調(diào)節(jié)按鈕，來實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)積分球輸出信號的強(qiáng)度。計(jì)算機(jī)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4為內(nèi)置了測量軟件包的計(jì)算機(jī)，測量軟件包分為界面模塊、存儲模塊、采集模塊和測試模塊。界面模塊的功能是提供測試用界面，該界面上設(shè)置有開始按鈕、結(jié)果顯示按鈕、退出按鈕和參數(shù)設(shè)置欄。其中，參數(shù)設(shè)置欄包括波長范圍、波長間隔，波長范圍是指被測光柵式成像光譜儀的初始波長和截止波長，波長間隔是為了減少測試計(jì)算量而設(shè)置的且通常取整數(shù)，該整數(shù)既要滿足被測光柵式成像光譜儀的精度要求，又要不小于被測光柵式成像光譜儀的光譜分辨率；存儲模塊中保存了標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率表，該表是在積分球標(biāo)準(zhǔn)光源波長范圍內(nèi)以△ λ為步長所對應(yīng)的一組標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率Φ ( λ t),其中，λ = 380nm, λ t = 2400nm, Δ λ = Inm ;采集模塊的功能是采集被測光柵式成像光譜儀的輸出信號并保存在存儲模塊中；測試模塊是對被測光柵式成像光譜儀的輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到光柵式成像光譜儀的相對光譜響應(yīng)度測試結(jié)果。第2步調(diào)整測量光路。
打開光柵式成像光譜儀3和計(jì)算機(jī)，光柵式成像光譜儀3和計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行初始化，打開積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)I中供電電源的on/off開關(guān)，按下相應(yīng)電壓值調(diào)節(jié)按鈕，該電壓值既要保證積分球標(biāo)準(zhǔn)光源輸出的光輻射信號有足夠的亮度，又要避免積分球標(biāo)準(zhǔn)光源輸出的光輻射信號造成光柵式成像光譜儀的輸出信號發(fā)生飽和。調(diào)節(jié)平面反射鏡的三維可調(diào)支架，使積分球標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光輻射信號均勻地照射在平面反射鏡的中心區(qū)域；調(diào)節(jié)離軸拋物面鏡的三維可調(diào)支架，使離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)與積分球光源系統(tǒng)的中心重合，當(dāng)積分球光源發(fā)出的均勻光輻射信號經(jīng)過平面反射鏡反射后，通過離軸拋物面鏡的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，形成大口徑平行出射光束并充滿光柵式成像光譜儀的λ 口，該光路構(gòu)成實(shí)際測量光路,此時測量光路調(diào)整完成。第3步采集測試數(shù)據(jù)。首先，通過計(jì)算機(jī)的界面模塊，輸入測試所需的測量參數(shù)，這些參數(shù)包括波長范圍、波長間隔，然后點(diǎn)擊開始測試按鈕，則計(jì)算機(jī)的采集模塊采集被測光柵式成像光譜儀輸
出的一組電壓信號V(Xi，Aj)并將該組信號存放到存儲模塊中，其中i = 1,2,......，n ;j
=1,2,......, m。第4步計(jì)算測試結(jié)果。計(jì)算機(jī)中的測試模塊調(diào)用存儲模塊中的測量數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理4. I根據(jù)以下公式計(jì)算一組電壓信號V(Xi，λ j)中每個信號所對應(yīng)的光譜響應(yīng)度
S(Xi,入 j)s(Xi’ W 函Φ (Xi，λ j) = Ι Φ (λ j)式中，Φ ( λ ρ是積分球標(biāo)準(zhǔn)光源在j點(diǎn)波長上的光譜輻射功率，可通過標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率表獲得；Φ (Xi，λ ρ是第i行第j列CCD像元的光譜功率，由于積分球標(biāo)準(zhǔn)光源是均勻漫射光源，因此每個CXD像元上的光譜功率Φ (xi； λ j)是相等的；k為一個常數(shù)，在測試過程中固定不變；q為本發(fā)明所用測試系統(tǒng)的固定修正因子；q和k在計(jì)算過程中可以抵消掉而不參與實(shí)際運(yùn)算。
4. 2計(jì)算機(jī)的測試模塊按下式對這組光譜響應(yīng)度S (Xi，λ ρ進(jìn)行歸一化處理，從而
得到光柵式成像光譜儀的相對光譜響應(yīng)度R(Xi，Aj.)
權(quán)利要求
1.一種光柵式成像光譜儀相對光譜響應(yīng)度測試方法，其特征在于該方法包括以下步驟 第I步，將積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)、含有一個平面反射鏡和一個離軸拋物面鏡的光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、被測光柵式成像光譜儀放置在光學(xué)平臺上，其中，平面反射鏡和離軸拋物面鏡通過各自的三維可調(diào)支架支撐，光柵式成像光譜儀的輸出端通過電纜與內(nèi)置了測量軟件包的計(jì)算機(jī)相連，所述測量軟件包分為界面模塊、存儲模塊、采集模塊和測試模塊，界面模塊上設(shè)置有開始按鈕、結(jié)果顯示按鈕和參數(shù)設(shè)置欄，存儲模塊中保存了標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率表，該表是在積分球標(biāo)準(zhǔn)光源波長范圍內(nèi)以Λ λ為步長所對應(yīng)的一組標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射功率CD(At)； 第2步，打開光柵式成像光譜儀和計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，光柵式成像光譜儀和計(jì)算機(jī)初始化后，打開積分球標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)的電源開關(guān)，按壓相應(yīng)的電壓值調(diào)節(jié)按鈕，使積分球標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光輻射信號強(qiáng)度滿足測試要求，調(diào)節(jié)平面反射鏡的三維可調(diào)支架，使積分球標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光輻射信號均勻地照射在平面反射鏡的中心區(qū)域；調(diào)節(jié)離軸拋物面鏡的三維可調(diào)支架，使離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)與積分球光源系統(tǒng)的中心重合，當(dāng)積分球光源發(fā)出的均勻光輻射信號經(jīng)過平面反射鏡反射后，通過離軸拋物面鏡的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，形成大口徑平行出射光束并充滿光柵式成像光譜儀的入口； 第3步，通過計(jì)算機(jī)界面模塊的參數(shù)設(shè)置欄，輸入測試所需的波長范圍、波長間隔，然后點(diǎn)擊開始測試按鈕，計(jì)算機(jī)采集模塊自動采集被測光柵式成像光譜儀輸出的一組電壓信號V(Xi，Aj.)并將該組信號存放到存儲模塊中，其中i = 1,2,......，n ;j = 1,2,......，m, n、m分別對應(yīng)光柵式成像光譜儀中面陣CXD探測器nXm像元的行數(shù)和列數(shù)； 第4步，計(jì)算機(jī)的測試模塊調(diào)用存儲模塊中的測量數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理 .4.I根據(jù)以下公式計(jì)算所述電壓信號V(Xi，λ P中每個信號所對應(yīng)的光譜響應(yīng)度S(Xi，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種成像光譜儀光譜響應(yīng)度測試方法，屬于光學(xué)計(jì)量與測試領(lǐng)域。由于光柵式成像光譜儀集成了光學(xué)成像系統(tǒng)和光譜分光系統(tǒng)的特征，因此光柵式成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量及畸變等對成像光譜儀光譜響應(yīng)度的影響也至關(guān)重要，因此只測試CCD光電探測器的光譜響應(yīng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足成像光譜儀的測試要求。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光柵式成像光譜儀光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確測試。該測試方法解決了目前光柵式成像光譜儀的光譜響應(yīng)度無法準(zhǔn)確測試的難題，填補(bǔ)了光柵式成像光譜儀光譜響應(yīng)度測量領(lǐng)域的空白，其主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01J3/28GK102879095SQ201210384170
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者李燕, 占春連, 李正琪, 盧飛, 范紀(jì)紅 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所