大口径积分球辐射定标光源辐射性能研究.pdf

2 0 1 2 年6 月宇航计测技术J u n ，2 0 1 2 第3 2 卷第3 期 J o u m a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tV 0 1 3 2 ，N o 3 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 3 9 0 6中图分类号：T N 2 9 文献标识码：A 大口径积分球辐射定标光源辐射性能研究 叶钊1 2任建伟1李葆勇1李宪圣1刘泽洵1 2万志1 ( 1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春1 3 0 0 3 3 ； 2 中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 3 9 ) 摘要目前，我国空间光学遥感器正向着大型化、高精度的方向发展，辐射定标装置也随之发展进步。本 文系统地介绍了大1 3 径空间相机用积分球辐射定标装置辐射性能的测试方法。研制出一套积分球辐射性能测试 装置，用于测试大1 3 径积分球的均匀性、余弦特性和稳定性，并给出了积分球辐射定标光源的输出不确定度。文中 检测的积分球辐射定标光源内径为30 0 0 m I n ，出光面直径为10 0 0 m m ，得到该积分球辐射定标光源的均匀性为 0 1 1 ，在2 0 0 范围内余弦特性最大偏移为1 1 ，整个系统的输出不确定度为5 9 4 。 关键词积分球均匀性稳定性余弦特性不确定度 T h eR a d i a t i o nT e s t i n gR e s e a r c ho fR a d i o m e t r i cC a l i b r a t i o n S o u r c eo ft h eL a r g e A p e r t u r eI n t e g r a t i n gS p h e r e Y EZ h a 0 1 ，2R E N J i a n w e i l L IB a o y o n 9 1L IX i a n s h e n 9 1L I UZ e x u n l 2W A NZ h i l ( 1 C h a n g c h u nI n s t i t u t eo fO p t i c s ，F i n eM e c h a n i c sa n dP h y s i c s ， C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，C h a n g c h u n1 3 0 0 3 3 ； 2 G r a d u a t eS c h o o lo ft h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 3 9 ) A b s t r a c tA tp r e s e n t ，t h es p a c eo p t i c a lr e m o t es e n s o ro fc h i n ai sh e a d i n gf o ral a r g e s c a l e ，h i g h _ p r e c i s i o nd e v e l o p m e n t W i t ht h a t ，r a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nd e v i c ea l s od e v e l o p s S y s t e m a t i c a l l y ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et e s tm e t h o dt h a ti s u s e dt od e t e c tt h er a d i a n c eo ft h el a r g ea p e r t u r ei n t e g r a t i n gs p h e r e A t e s t i n gs y s t e m i sm a n u f a c t u r e dt ot e s tt h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l a r g ea p e r t u r ei n t e g r a t i n g s p h e r e ，i n c l u d i n gn o to n l yt h eu n i f o r m i t y ，t h es t a b i l i t y ，t h ec o s i n ec h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s ot h eo u t p u t u n - c e r t a i n t yo ft h ei n t e g r a t i n gs p h e r el i g h tr a d i a t i o ns o u r c ec a l i b r a t i o ns y s t e m T h ed i a m e t e r o ft h ei n t e g r a t i n g s p h e r ei s30 0 0 r a m ，t h eO p e n i n g d i a m e t e ro ft h ei n t e g r a t i n gs p h e r ei s10 0 0 m m O b t a i n e dr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eu n i f o r m i t yi s0 1 l t h em a x i m u mo f f s e to ft h ec o s i n ec h a r a c t e r i s t i c si s1 1 a t 2 0 。，a n dt h e o u t p u tu n c e r t a i n t yo ft h i ss y s t e mi s5 9 4 K e yw o r d sI n t e g r a t i n gs p h e r eU n i f o r m i t yS t a b i l i t y C o s i n e U n c e r t a i n t y 1 引言 积分球辐射定标光源具有非常优秀的辐亮 度输出面均匀性、余弦特性和稳定性，被广泛应用于 光学传感器定标，是卫星遥感光学传感器发射前实 验室辐射定标以及星上定标的主要装置。积分球辐 基金项目：国家8 6 3 高技术研究发展计划基金资助项目( N o 8 6 3 - 2 - 5 - 1 - 1 3 B ) 万方数据 宇航计测技术2 0 1 2 年 射定标光源的稳定性、精确度对于辐射定标系统至 关重要，直接影响到被标定光学传感器的成像质量 和精度。因此，针对积分球辐射定标光源的检测就 成为辐射定标实验开始前的重要一步。评价积分球 辐射定标光源的技术指标主要有系统稳定性、开口 出光面均匀性、余弦特性以及系统不确定度旧J 。 目前，我国空间光学遥感器正向着大型化、高精 度的方向发展，辐射定标装置也随之发展进步。本 文中检测的积分球辐射定标光源辐射定标光源内径 为30 0 0 m m ，内壁喷涂硫酸钡漫反射材料，出光面直 径为10 0 0 m m ，内置4 8 只灯座沿积分球开口成环形 均匀分布，每只灯座2 只溴钨灯，共9 6 只灯。实际 测试中，使用自行研制的测量装置，取得了令人满意 的结果。 满足实用的要求。因此我们自行研发了一套检测设 备用于解决精度与重复性问题，其结构图如图1 所 示。 厂 一 积分球光源 ： 、 乡 _ i 旷1 静 i 辱m 脚 ：高精度水平导j l ：、；呐，J 1 i 2 辐射定标光源光谱辐射特性分析 图1 均匀性检测设备结构图 2 1 系统稳定性 硅光电二极管陷阱探测器是我们自行研制的一 种光谱响应传递标准，其稳定性优于0 0 5 。系统 稳定性利用硅光电二极管陷阱探测器进行测试。S i 探测器的响应波段约为( 3 5 0 1 1 0 0 ) n m ，目前，积分 球辐射定标光源常用于可见光波段的实验室辐射定 标，可见光波段范围小于S i 探测器的响应波段，因 此s i 探测器能够满足积分球辐射定标光源系统稳 定性的检测任务。在实验测试时，应先确定测试时 间，采样频率，并确保探测器入瞳处在积分球内部得 到足够的照射。这样我们就可以通过分析探测器的 测量值了解积分球辐射定标光源在这一阶段辐射量 的变化情况。 2 2 开口出光面均匀性 开E l 出光面均匀性川是指积分球开1 5 出光面 的光谱辐射照度均匀程度，即开口出光面内不同位 置的辐亮度的相对偏差程度，通常以非均匀性表示， 即多个测量点的测量值间的相对标准偏差。目前， 国内外大多采用直接测量的方法进行测试曲 ，即 将探测器探头直接贴近开口出光面，采用矩形阵列 相隔一定距离选取点进行测量，扫描由机械控制，后 对采样值进行计算，得出结论。由于我们测试的积 分球内径达到30 0 0 m m ，出光面开口直径达到10 0 0 m m 。现有检测方法 镅。的精确程度、重复性都不能 线缆 设计并制作了行程1 0 0 0 m m 的高精度二维导 轨，将自行研发的硅陷阱探测器固定在导轨上。使 用V C + + 编写了P C 机控制软件，能够用软件控制步 进电机，进行逐行扫描，其扫描步长、速度和步数是 可控制的。能够实时显示探测器数值，并加以保存。 实际测试时，探测器探头直接贴近开口出光面，探测 器入瞳视场与出光面重合且充满视场，统计数据时 剔除接近积分球开口边缘的测量点，并以各测量点 处的测量平均值的标准偏差表征开口出光面均匀 性。 2 3 开口出光面余弦( 朗伯) 特性 针对30 0 0 m m 积分球开口的余弦特性1 ，我们 自行设计并研制了余弦特性测试仪。该测试设备有 一条5 0 0 r a m 的滑轨，可以在垂直积分球开口的平面 内0 。1 8 0 。旋转，探测器固定在滑轨上并且可以在 导轨上前后滑动，整个系统由计算机控制。 实验时，将s i 探测器固定在自行研制的朗伯特 性测试仪上，如图2 所示，调节探测器使其视场中心 与积分球开口发光面中心重合，通过计算机发送指 令控制测试仪旋转，并记录测试仪的偏转角和相应 角度所对应的辐亮度值，积分球开口法线位置定为 0 。，以各角度测量值相对0 。的测量值偏移来表征积 分球辐射定标源的余弦特性。 万方数据 第3 期大口径积分球辐射定标光源辐射性能研究 3 检测结果及分析 图2 余弦特性测试仪结构图 3 1 系统稳定性 打开积分球的全部9 6 只灯，设定采样间隔 1 m i n ，待系统稳定，开始测量。连续测量3 h ，测试结 果如图3 所示，最大偏差( 测量值与测量平均值的 偏差) 小于0 0 4 ，均方差在0 0 3 左右。 F i l 雨田 1 0 0 O 9 9 5 S 9 9 O 雩9 8 5 摹 9 8 0 9 7 5 9 7 o o2 04 06 0 8 01 0 01 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 02 0 0 x m i n t u e s 图3 系统稳定性测试曲线图 3 。2 开口出光面均匀性 分别对称的打开积分球的8 0 只灯和4 0 只。依 据30 0 0 m m 积分球开口出光面位置，以开口出光面 中心为基准点( O ，0 ) ，确定10 0 0 m m 10 0 0 m m 的正 方形扫描区域，如图4 所示。扫描步进设为5 0 m m ， 则扫描总点数2 0 2 0 共4 0 0 个点。 一一、 他。， f l 、 一 l 、 1 图4 扫描区设置示意图 使用自行研发的面均匀性测试装置，输入起始 位置、步进步长，运行。实验中保证积分球开口发光 面落在扫描区内，实验数据以中间扫描区内的均值 为基准进行归一化处理。 打开8 0 只灯时扫描区中