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4m直径均匀扩展定标光源

孙景旭 刘洪兴 许艳军 刘则洵 李葆勇 任建伟

孙景旭, 刘洪兴, 许艳军, 刘则洵, 李葆勇, 任建伟. 4m直径均匀扩展定标光源[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
引用本文: 孙景旭, 刘洪兴, 许艳军, 刘则洵, 李葆勇, 任建伟. 4m直径均匀扩展定标光源[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
SUN Jing-xu, LIU Hong-xing, XU Yan-jun, LIU Ze-xun, LI Bao-yong, REN Jian-wei. 4 m extended uniform source for radiometric calibration[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
Citation: SUN Jing-xu, LIU Hong-xing, XU Yan-jun, LIU Ze-xun, LI Bao-yong, REN Jian-wei. 4 m extended uniform source for radiometric calibration[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823

4m直径均匀扩展定标光源

doi: 10.3788/CO.20150805.0823
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.863-2-5-1-13B)
详细信息
    通讯作者: 孙景旭(1984—),男,山东阳谷人,博士,助理研究员,主要从事空间光学遥感器结构设计及辐射定标方面的研究。E-mail: sunjingxu2004@163.com刘洪兴(1986—),男,山东聊城人,博士,主要从事光学遥感器辐射定标以及光谱分布可调谐光源方面的研究。E-mail:lhxing_888@126.com许艳军(1976—),男,内蒙古赤峰人,助理研究员,主要从事空间光学遥感器研制方面的研究。E-mail:vivyjack@163.com刘则洵(1980—),男,吉林人,副研究员,硕士,主要从事空间光学遥感器辐射定标方面的研究。E-mail:bjxlzx@163.com任建伟 (1956—),男,吉林长春人,高级工程师,研究生导师,主要从事光谱/ 辐射测试设备的开发研制和光学遥感辐射校正方面的研究。E-mail:Renjw@ciomp.ac.cn李葆勇(1975—),男,吉林长春人,副研究员,主要从事空间光学遥感器辐射定标及光学仪器方面的研究。E-mail: lby7575@yahoo.com
  • 中图分类号: V556.5;TP702

4 m extended uniform source for radiometric calibration

  • 摘要: 针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于近距离扩展源照明方法设计了400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m2·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm,出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计,利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布,CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为222.62 W/(m2·sr),通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试,分析了定标光源的测量不确定度为3.57%。实验结果表明:该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要,并可实现智能程控化控制,提高了定标测试精度。
  • 图  1  定标光源结构图

    Figure  1.  Structural drawing of the calibration light source

    图  2  定标光源控制流程图

    Figure  2.  Command flowchart of the calibration light source

    图  3  面均匀性检测设备

    Figure  3.  Testing equipment of the plane uniformity

    图  4  朗伯特性测试仪

    Figure  4.  Testing equipment of lambertian

    图  5  光谱辐射亮度测试结果

    Figure  5.  Test results of spectral radiance

    图  6  定标光源出光口稳定性测试曲线

    Figure  6.  Output stability testing curve of the calibration light source

    图  7  定标光源出光口面均匀性测试曲线

    Figure  7.  Output uniformity testing curve of the calibration source

    图  8  朗伯特性测试曲线

    Figure  8.  Testing curve of lambertian

    表  1  4 m直径均匀扩展定标光源的主要构成

    Table  1.   Main compositions of 4 m extended uniform light source for radiometric calibration

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    表  2  定标光源测试设备

    Table  2.   Testing equipment of the calibration light source

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    表  3  积分球开口处实测辐亮度

    Table  3.   Measured spectral radiance at opening

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    表  4  角度均匀性测量结果

    Table  4.   Horizontal and vertical angular uniformity

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  • [1]

    [1] 顾行发,田国良,余涛,等.航天光学遥感器辐射定标原理与方法[M]. 北京:科学出版社,2013. GU X F,TIAN G L,YU T,et al.. The Radiometric Calibration Principle and Method of Space Remote Sensor[M]. Beinjing:Science Press,2013.(in Chinese)
    [2] 韩昌元. 光电成像系统的性能优化[J]. 光学 精密工程,2015,23(1): 1-9. HAN C Y. Performance optimization of electro-optical imaging systems[J]. Opt. Precision Eng.,2015,23(1): 1-9.(in Chinese)
    [3] 陈伟,郑玉权,薛庆生. 机载宽视场大相对孔径成像光谱仪[J]. 光学 精密工程,2015,23(1): 15-21. CHEN W,ZHENG Y Q,XUE Q SH. Airborne imaging spectrometer with wide field of view and large relative-aperture[J]. Opt. Precision Eng.,2015,23(1): 15-21.(in Chinese)
    [4] 刘倩倩,郑玉权. 超高分辨率光谱定标技术发展概况[J]. 中国光学,2012,5(6): 566-577. LIU Q Q,ZHENG Y Q. Development of spectral calibration technologies with ultra-high resolutions[J]. Chinese Optics,2012,5(6): 566-577.(in Chinese)
    [5] 李豫东,汪波,郭旗,等. CCD与CMOS图像传感器辐射效应测试系统[J]. 光学 精密工程,2013,21(11): 2778-2784. LI Y D,WANG B,GUO Q,et al.. Testing system for radiation effects of CCD and CMOS image sensors[J]. Opt. Precision Eng.,2013,21(11): 2778-2784.(in Chinese)
    [6] 关奉伟,刘巨,于善猛,等. 空间光学遥感器热试验外热流模拟及程控实现[J]. 中国光学,2014,7(6):982-988. GUAN F W,LIU J,YU SH M,et al.. Space heat flux simulation and programmable load for thermal test of space optical remote sensor[J]. Chinese Optics,2014,7(6):982-988 .(in Chinese)
    [7] 徐文清,詹杰,徐青山,等. 天空背景亮度测量系统的研制[J]. 光学 精密工程,2013,21(1):46-52. XU W Q,ZHAN J,XU Q SH,et al.. Development of measuring instrument for sky background brightness[J]. Opt. Precision Eng.,2013,21(1): 46-52.(in Chinese)
    [8] 孙志远,常松涛,朱玮,等. 应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标[J]. 光学 精密工程,2015,23(2):356-362. SUN ZH Y,CHANG S T,ZHU W,et al.. Radiometric calibration of infrared system by amendment of inner and outer calibrations[J]. Opt. Precision Eng.,2015,23(2):356-362.(in Chinese)
    [9] 韩启金,傅俏燕,张学文,等. 高分一号卫星宽视场成像仪的高频次辐射定标[J]. 光学 精密工程,2014,22(7):1707-1714. HAN Q J,FU Q Y,ZHANG X W,et al.. High-frequency radiometric calibration for wide field-of view sensor of GF-1 satellite[J]. Opt. Precision Eng.,2014,22(7):1707-1714.(in Chinese)
    [10] 孙景旭,任建伟,万志,等. 基于琼斯法的高亮度积分球定标光源[J]. 发光学报,2014,35(10): 1228-1233. SUN J X,REN J W,WAN ZH,et al.. Calibration source of high luminance with integrating sphere based on Jones method[J]. Chinese J. Luminescence,2014,35(10):1228-1233.(in Chinese)
    [11] JAMES M PALMER,BARBARA G. GRANT. The Art of Radiometry[M]. Washington:Spie Press,2010:261.
    [12] 徐代升,陈晓,朱翔,等. 基于冷暖白光LED的可调色温可调光照明光源[J]. 光学学报,2014,34(1):0123004. XUD SH,CHEN X,ZHU X,et al.. A dimming lighting source based on cold and warm white LEDs[J]. Acta Optica Sinica,2014,34(1):0123004.(in Chinese)
    [13] 林冠宇,于向阳. 高精度智能化可见/近红外积分球辐射定标装置[J]. 红外与激光工程,2014,43(8):2520-2525. LIN G Y,YU X Y. High precision intelligent calibration device of visible/near-infrared integral sphere[J]. Infrared and Laser Engineering,2014,43(8):2520-2525.(in Chinese)
    [14] 金伟其,胡威捷.辐射度光度与色度及其测量[M]. 北京:北京理工大学出版社,2009. JIN W Q,HU W J. Radiometry, Photometry, Colorimetry Theory and Measurement[M]. Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2009.(in Chinese)
    [15] 汪军,马军. 热处理对汽车用改性铝合金性能的影响分析[J]. 热加工工艺,2014,43(20): 113-148. WANG J,MA J. Analysis on effects of heat treatment on property of modified aluminum alloy for automobile[J]. Hot Working Technology,2014,43(20):143-148.(in Chinese)
    [16] 章骏平,吴浩宇,周威,等. 大孔径积分球辐射源光谱辐射特性测试方法研究[J]. 量子电子学报,2001,18(5):424-428. ZH J P,WU H Y,et al.. Experimental study of spectral radiance characteristics of large aperture integrating sphere[J]. Chinese J. Quantum Electronics,2001,18(5):424-428.(in Chinese)

  • [1] 张帆, 李景林, 孙斌, 张军, 王书新.  非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计 . 中国光学, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
    [2] 齐光, 王书新, 李景林.  空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计 . 中国光学, 2015, 8(1): 99-106. doi: 10.3788/CO.20150801.0099
    [3] 巩盾.  空间遥感测绘光学系统研究综述 . 中国光学, 2015, 8(5): 714-724. doi: 10.3788/CO.20150805.0714
    [4] 宣明, 王家骐.  长春光机所航天光学遥感器研制基地建设进展 . 中国光学, 2015, 8(1): 1-16. doi: 10.3788/CO.20150801.0001
    [5] 毕研盟, 王倩, 杨忠东, 谷松岩, 吴荣华, 刘成保.  星载近红外高光谱CO2遥感进展 . 中国光学, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
    [6] 关奉伟, 刘巨, 于善猛, 黄勇, 崔抗.  空间光学遥感器热试验外热流模拟及程控实现 . 中国光学, 2014, 7(6): 982-988. doi: 10.3788/CO.20140706.0982
    [7] 曲艺.  大气光学遥感监测技术现状与发展趋势 . 中国光学, 2013, 6(6): 834-840. doi: 10.3788/CO.20130606.834
    [8] 江帆, 吴清文, 刘巨, 李志来, 杨献伟, 于善猛.  低轨道轻质星载一体化空间光学遥感器的热设计 . 中国光学, 2013, 6(2): 237-243. doi: 10.3788/CO.20130602.0237
    [9] 关奉伟, 刘巨.  空间光学遥感器大功率控制电箱的热设计 . 中国光学, 2013, 6(6): 919-929. doi: 10.3788/CO.20130606.919
    [10] 巩盾, 田铁印, 王红.  温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测 . 中国光学, 2012, 5(6): 602-609. doi: 10.3788/CO.20120506.0602
    [11] 董吉洪, 王克军, 李延春, 王海萍.  空间遥感器中大口径SiC主镜的轻量化设计 . 中国光学, 2011, 4(2): 118-123.
    [12] 杨献伟, 吴清文, 李书胜, 江帆, 李志来.  空间光学遥感器热设计 . 中国光学, 2011, 4(2): 139-146.
    [13] 朱时雨, 张新, 李威.  计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调 . 中国光学, 2011, 4(6): 571-575.
    [14] 胡君, 王栋, 孙天宇.  现代航天光学成像遥感器的应用与发展 . 中国光学, 2010, 3(6): 519-533.
    [15] 张益茬, 刘伟, 胡春晖.  空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性 . 中国光学, 2010, 3(6): 572-579.
    [16] 陈立恒, 吴清文, 刘巨, 郭亮, 于善猛.  基于热光学技术的空间光学系统热设计 . 中国光学, 2010, 3(3): 223-228.
    [17] 曲宏松, 金光, 张叶.  “NextView计划”与光学遥感卫星的发展趋势 . 中国光学, 2009, 2(6): 467-476.
    [18] 王淑荣, 李福田, 曲艺.  空间紫外光学遥感技术与发展趋势 . 中国光学, 2009, 2(1): 17-22.
    [19] 卢 锷, 颜昌翔, 吴清文, 董得义, 郭亮, 罗志涛.  空间光学遥感器环境适应性设计与试验研究 . 中国光学, 2009, 2(5): 364-376.
    [20] 空间光学的发展与波前传感技术 . 中国光学, 2008, 1(1): 13-24.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-03-11
  • 录用日期:  2015-05-13
  • 刊出日期:  2015-01-25

4m直径均匀扩展定标光源

doi: 10.3788/CO.20150805.0823
    基金项目:  国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.863-2-5-1-13B)
    通讯作者: 孙景旭(1984—),男,山东阳谷人,博士,助理研究员,主要从事空间光学遥感器结构设计及辐射定标方面的研究。E-mail: sunjingxu2004@163.com刘洪兴(1986—),男,山东聊城人,博士,主要从事光学遥感器辐射定标以及光谱分布可调谐光源方面的研究。E-mail:lhxing_888@126.com许艳军(1976—),男,内蒙古赤峰人,助理研究员,主要从事空间光学遥感器研制方面的研究。E-mail:vivyjack@163.com刘则洵(1980—),男,吉林人,副研究员,硕士,主要从事空间光学遥感器辐射定标方面的研究。E-mail:bjxlzx@163.com任建伟 (1956—),男,吉林长春人,高级工程师,研究生导师,主要从事光谱/ 辐射测试设备的开发研制和光学遥感辐射校正方面的研究。E-mail:Renjw@ciomp.ac.cn李葆勇(1975—),男,吉林长春人,副研究员,主要从事空间光学遥感器辐射定标及光学仪器方面的研究。E-mail: lby7575@yahoo.com
  • 中图分类号: V556.5;TP702

摘要: 针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于近距离扩展源照明方法设计了400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m2·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm,出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计,利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布,CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为222.62 W/(m2·sr),通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试,分析了定标光源的测量不确定度为3.57%。实验结果表明:该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要,并可实现智能程控化控制,提高了定标测试精度。

English Abstract

孙景旭, 刘洪兴, 许艳军, 刘则洵, 李葆勇, 任建伟. 4m直径均匀扩展定标光源[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
引用本文: 孙景旭, 刘洪兴, 许艳军, 刘则洵, 李葆勇, 任建伟. 4m直径均匀扩展定标光源[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
SUN Jing-xu, LIU Hong-xing, XU Yan-jun, LIU Ze-xun, LI Bao-yong, REN Jian-wei. 4 m extended uniform source for radiometric calibration[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
Citation: SUN Jing-xu, LIU Hong-xing, XU Yan-jun, LIU Ze-xun, LI Bao-yong, REN Jian-wei. 4 m extended uniform source for radiometric calibration[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 823-831. doi: 10.3788/CO.20150805.0823
    • 随着遥感应用的深入,遥感的定量化、自动化和实时化是其发展的必然趋势,且定量化是自动化和实时化的前提。定量遥感涉及有效载荷的性能和图像质量、定标精度、误差分析、遥感数据处理、信息提取、定量反演等许多环节,其最基础和最重要的环节是定标。定量遥感的前提是卫星载荷能够提供定量化的数据和信息,因此定标是卫星应用发挥其效益的必要和重要环节[1, 2, 3]

      光学有效载荷向着高分辨率、大视场、大孔径长焦距的方向发展。这里高分辨率包含了空间、时间、光谱和辐射分辨率。空间分辨率的提高要求在相同轨道高度和焦距的前提下,CCD像元尺寸小或者说瞬时视场角小,但这会带来曝光不足、信噪比差的后果。为了充分曝光,可以通过增大相机相对孔径来弥补辐射能量不足的问题。当然光谱和时间分辨率的提高也是以牺牲辐射分辨率为代价的,它们彼此之间相互制约和影响。从未来遥感相机发展规划来看,为了提高地面像元分辨率,遥感器会朝着大孔径长焦距的方向努力。随着遥感器口径和视场的不断增大,需要与之对应的定标光源来满足定标测试的需求。积分球均匀辐射光源出光口辐射面具有理想的辐射特性(面均匀性和角度均匀性),至今广泛应用于空间光学遥感器发射前辐射定标测试实验及作为测试光源[4, 5, 6, 7, 8]。在对空间光学有效载荷进行充满孔径、充满视场、端对端的实验室辐射定标实验时,大口径均匀积分球光源可以提供不同的辐亮度等级来满足相对和绝对辐射定标需要[9]

      本文采用近距离扩展源的照明方式[10]来实现大口径光学有效载荷的实验室辐射定标。采用该方法定标的优点是定标结果除了对距离不敏感之外受背景和大气的影响也较小。设计并研制了一种直径4 000 mm,出光口直径1 600 mm的大口径积分球定标光源,用于某航天遥感器实验室辐射定标实验时,操作简单,使用方便,同时能够满足口径1 600 mm以下光学有效载荷实验室辐射定标的使用需要。

    • 4 m直径均匀扩展定标光源是用于光学有效载荷地面实验室辐射定标的重要设备。该光源主要由积分球组件、内表面涂层、内置光源组件、等色温连续调光[11]组件、光谱测试组件和总控系统组成。表1列出了定标光源主要构成及用途。

      表 1  4 m直径均匀扩展定标光源的主要构成

      Table 1.  Main compositions of 4 m extended uniform light source for radiometric calibration

      积分球内置光源发出的光在通过球体内置涂层多次漫反射后在积分球出光口辐射面上出射均匀朗伯光。采用步进电机和光耦作为驱动和限位部件,实现可调光阑的精密控制,弥补更小档位的辐射亮度级次,从而在不改变光源色温的前提下完成连续调光。光谱测试组件主要由硅光探测器和海洋HR2000+光纤光谱仪组成,其中硅光探测器用于监视定标过程中光源的工作状态和稳定性。HR2000+用于实时监测积分球光源输出的相对光谱分布和等效辐亮度并反馈至主控计算机,主控计算机根据反馈作出调整,保证定标光源根据需求自动调节到所需目标亮度,完成高精度智能化远距离操控[12]

    • 从空间相机任务需求出发,在夏至日太阳高角90°、乡村气溶胶、地面反射率0.9、能见度23 km条件下,利用大气辐射分析软件Modtran计算400~900 nm波段内,景物的最高积分辐射亮度在110 W/m2·sr左右。积分球光源波段400~900 nm内积分辐射亮度达到110 W/m2·sr,时,可模拟地面景物最大辐射亮度。但是该亮度无法满足多光谱相机的分波段定标的要求,尤其是对于蓝绿波段,由于溴钨灯在该波段光谱分布相对较弱,且CCD响应度也较低,因此不能保证定标时的信噪比要求。为此积分球需要提供更高的输出辐射亮度来满足辐射定标中的分波段定标要求,积分球辐射亮度达到200 W/m2·sr时可基本满足。

      不同积分级数工作模式下对相机辐射定标保证CCD输出数码值达到饱和值的95%,可得相机入瞳辐射亮度为:

      能够满足辐射定标最高辐射亮度要求内置光源的总功率计算如下:

      (a)放大倍率M

      根据积分球方程,当积分球内表面直径、开口面积和内表面涂层反射率确定以后,可以确定该积分球的放大倍率。根据公式,积分球的放大倍率M[13]

      式中:ρ为内表面涂层反射率,ρ=0.97;f为积分球开口比,即开口面积与球体内表面面积之比;D为积分球开口直径,D=1 600 mm;Φ为积分球内表面直径,Φ=4 000 mm。

      (b)波段内积分球光源的辐射通量P

      根据积分球光源放大倍率M的计算结果,可以求出该积分球内置光源的总功率P。根据积分球方程,如果400~1 000 nm波段内辐射亮度输出L=104.5 W/(m2·sr) 则所需要的辐射通量为:

      式中:Am为积分球内表面面积。

      根据实测结果,溴钨灯在400~900 nm波段的发光辐射效率为20%,因此光源的总功率约为14 466 W。

    • 由于球体体积大,质量大,设计时将球体分解成多个组件,采用12 mm热轧钢板,焊接组装成框架,形成桁架结构,再焊接2 mm冷轧钢板成形的球片形成组件。多个组件通过螺栓连接形成整个球体。这样能够有效减轻球体重量的同时保证球体的刚性及强度。由于零部件体积大,处理退火采用人工时效显然存在问题,自然时效时间太长,通过焊接加工工艺调整[14],采取间断对称焊接,使材料受焊接的热影响区减小,从而减小应力,对称焊接使材料所受系统应力平衡,减少焊接应力所引起的变形。

      考虑加工球体材质需要对积分球壳体内表面进行防锈处理,封闭壳体表面钢材与空气的接触,降低积分球锈蚀的速度,提高内表面涂层的寿命。所需材质酸洗磷化处理后马上进行焊接拼装,然后球体打磨,最后对所有表面进行喷塑处理。定标光源的结构如图1所示。

      图  1  定标光源结构图

      Figure 1.  Structural drawing of the calibration light source

    • 主控系统是4 m直径积分球均匀扩展定标光源的核心组成部分,主控系统通过主控服务器与各单元远程通讯,实现对4 m直径积分球均匀扩展定标光源的远程智能控制与监视。在主控服务器端输入积分球输出的辐射亮度,主控系统控制开启积分球的光源及等色温连续调光装置,使其达到预期的输出辐射亮度,同时监视积分球输出的稳定性,光源是否工作正常,控制与采集积分球的辐射亮度等。

      主控服务器通过RS-485与供电电源系统通讯,实现对每支灯单独可控,远程控制每只灯的开关并监视开启的溴钨灯的电流,判断被点亮的灯是否在正常工作。同时使用光纤将信号引入HR2000+,采用LabVIEW调用海洋光学公司提供的节点函数完成谱段内积分辐射亮度的实时显示,将它与预设的光谱辐射亮度进行比较,将所得偏差信号再送入AD7706进行模/数转换,转换后的模拟信号送入单片机ATMega128运算,通过THB6128芯片驱动等色温连续调光组件中的步进电机,完成可调光阑开口大小的控制,从而控制补偿所需的光通量。

      具体控制流程见图2

      图  2  定标光源控制流程图

      Figure 2.  Command flowchart of the calibration light source

    • 一般将积分球出光口辐射面上的辐射亮度、稳定性、朗伯特性及面均匀性作为积分球光源辐射特性等技术指标作为考察对象[15]

    • 积分球光源稳定性采用开口处的辐照度不稳定度来表征,定标光源开口处的辐照度不稳定度是指在规定时间间隔内,光源开口处的辐照度随时间变化的最大相对偏差,计算公式如式(4)所示。

      式中:w为为积分球光源辐照度不稳定度;Ei为积分球光源指定点在不同时间点所测得的辐照度;E为指定点在不同时间点所测得的辐照度的平均值;Std(Ei)为指定点在不同时间点测得的辐照度的标准偏差。w值越小,则积分球光源的稳定性越好。

    • 积分球均匀辐射光源出光口辐照度面均匀性通常使用辐照度面非均匀度来考量,也就是均匀辐射光源出射面上任何一点的辐照度相对标准偏差,计算公式如式(5)所示。面均匀性检测设备如图3所示。

      式中:u为辐照度面非均匀度;Ei为为不同位置的辐照度值;E为不同位置辐照度的平均值;Std(Ei)为不同位置辐照度的标准偏差。

      图  3  面均匀性检测设备

      Figure 3.  Testing equipment of the plane uniformity

    • 积分球均匀辐射光源出光口的朗伯特性(角度均匀性)通常作为辐射亮度角度非均匀度来考量,也就是在均匀辐射光源辐射出射面上一点处在考察角度范围内的辐射亮度的相对标准偏差,辐亮度角度非均匀度越小那么朗伯特性越好,计算公式如(6)所示。朗伯特性测试仪如图4所示。朗伯特性测试仪如图4所示。

      式中:v为辐亮度角度非均匀度;Li为各角度的辐亮度值;L为各角度辐亮度平均值;Std(Li)为各角度辐亮度值的标准偏差。

      图  4  朗伯特性测试仪

      Figure 4.  Testing equipment of lambertian

    • 采用自行研发的大口径积分球辐射特性自动测试系统对积分球光源的整机性能进行了测试,测试项目主要有积分球光源出光口的光谱辐亮度、稳定性、面均匀性、角度均匀性等。表2列出了测试中所用设备的主要性能参数。

      表 2  定标光源测试设备

      Table 2.  Testing equipment of the calibration light source

    • 利用溯源于标准灯和漫射板系统的PR735光谱辐射计,定标积分球光源的光谱辐亮度,结果如图5所示。表3列出了各亮度等级光谱辐亮度数据。

      图  5  光谱辐射亮度测试结果

      Figure 5.  Test results of spectral radiance

      表 3  积分球开口处实测辐亮度

      Table 3.  Measured spectral radiance at opening

    • 打开积分球光源全部内置溴钨灯且保证等色温连续调光组件全开状态下,确保UDT200探测器接收面得到足够的照射条件,稳定10 min后,设定采样间隔30 s,开始测量。连续测量2.5 h,测试结果如图6所示,2.5 h内辐照度不稳定度为0.03%。

      图  6  定标光源出光口稳定性测试曲线

      Figure 6.  Output stability testing curve of the calibration light source

    • 打开积分球光源全部内置溴钨灯且保证等色温连续调光组件全开状态下,根据积分球开口出光面位置,以开口出光面中心为基准点(0,0),确定1 600 mm×1 600 mm的长方形扫描区域。将探测器固定在二维平移台上垂直于出光口面,沿水平方向(X轴)左右平移、沿铅垂方向(Y轴)上下平移进行网格状扫描测量。扫描步进设为135 mm,则扫描总点数12×12共144个点。

      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。测试结果如图7所示,辐照度面非均匀度为0.33%。

      图  7  定标光源出光口面均匀性测试曲线

      Figure 7.  Output uniformity testing curve of the calibration source

    • 打开积分球光源全部内置溴钨灯且保证等色温连续调光组件全开状态下,在出光面±20°的角度范围内,分别进行了水平平面和垂直平面内的角度均匀性测量。水平和垂直平面内测量结果分别如图8表4所示,水平平面辐亮度角度非均匀度为0.62%,垂直平面辐亮度角度非均匀度为0.99%。由此可得角度非均匀性误差为1.17%。

      图  8  朗伯特性测试曲线

      Figure 8.  Testing curve of lambertian

      表 4  角度均匀性测量结果

      Table 4.  Horizontal and vertical angular uniformity

    • 4 m直径均匀扩展定标光源的误差来源主要有:

      (1)在400~900 nm光谱范围内,量子阱探测器由中国计量院传递不确定度为3%,测量的不确定度一般为0.5%;

      (2)积分球光源稳定性、面非均匀性、角度非均匀性等引起的误差分别为0.03%、0.33%、1.17%;

      (3)实验室内大气扰动、杂散光干扰、背景辐射等引入的误差为1%;

      (4)积分球光源温度变化引入辐射输出误差为1%。

      测试精度:

    • 从未来大口径、宽视场空间光学有效载荷发射前实验室辐射定标需求出发,设计并研制了直径为4 000 mm,开口直径1 600 mm的均匀扩展定标光源,该定标光源定标测试的精度可以保证在3.57%以内。

      实际使用中该定标光源完全可以满足口径1 600 mm及以下空间光学载荷的地面辐射定标需要,并且可以在定标实施过程中无人为干扰的智能化远程控制,可以有效提高定标测试精度。

      但是随着空间光学遥感器有效通光口径的不断增大,建造更大直径、更大辐射出射面的常规积分球来实施空间光学遥感器发射前的实验室辐射定标已不能满足未来需求,因此寻求可替代的定标光源来实现更大口径空间光学遥感器发射前的实验室辐射定标成为当前极为迫切的任务[16]

参考文献 (1)

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