優(yōu)選光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量課件

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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,光電成像與信息工程研究所,*,優(yōu)選光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,第,7,章 光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,2,輻射測量系統(tǒng)的,三種典型結(jié)構(gòu),光輻射測量系統(tǒng)性能及其測量：,測量條件,光輻射量是一個(gè)場量,標(biāo)定,3,第,7,章 光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,在所測量的光譜范圍,1,2,內(nèi)，系統(tǒng)具有均勻的光譜響應(yīng)，在響應(yīng)光譜范圍以外的光譜響應(yīng)等于零。,理想的光輻射測量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有以下性能：,在所要求測量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有線性響應(yīng)。,光學(xué)系統(tǒng)沒有漸暈和像差，即系統(tǒng)具有理想的視場響應(yīng)。,測量系統(tǒng)的響應(yīng)不受入射光偏振程度的

2、影響。,用這種理想的測量系統(tǒng)去測量光輻射度量，不會(huì)因待測量的光譜特性、量值大小、視場內(nèi)的空間分布和偏振特性的變化而引起測量誤差。,4,第,7,章 光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,7.1.1,遠(yuǎn)距離小光源法,7.1.2,遠(yuǎn)距離面光源法,7.1.3,近距離面光源法,7.1.4,近距離小光源法,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),7.4,測量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),5,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,根據(jù)儀器輸出電壓對應(yīng)入射輻射度量的不同，響應(yīng)度可分成輻射通量響應(yīng)度、輻亮度響應(yīng)度、輻照度響應(yīng)度。,響應(yīng)度的標(biāo)定就是建立測量系統(tǒng),入瞳,處輻射度量

3、和輸出信號之間的定量關(guān)系。,一般用標(biāo)準(zhǔn)光源作為標(biāo)定源。但由于標(biāo)定源到儀器入瞳之間有一定的距離，因此標(biāo)定源輻射度量值并不是對應(yīng)儀器入瞳處的輻射度量，在傳輸路徑上輻射度量的變化必須考慮進(jìn)去。,6,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,可用測量儀器的輻照度,(,或輻射通量,),響應(yīng)來表征，但要求,探測器響應(yīng)度沿表面分布是均勻的,，若響應(yīng)不均勻，則需采用勻光器。,用輻亮度響應(yīng)能夠正確地建立標(biāo)定光源在儀器視場內(nèi)平均輻亮度和輸出電壓信號之間的關(guān)系。,7,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,在光源可正好充滿儀器視場的標(biāo)定條件下，三種響應(yīng)度之間存在著簡單的關(guān)系。設(shè)輻射計(jì)的輻亮度響應(yīng)度,R,L,=,V,/,L,，則對應(yīng)的輻照度響應(yīng)度

4、和輻射通量響應(yīng)度分別為,響應(yīng)度的標(biāo)定方法按照光源的大小及其相對待標(biāo)定儀器的位置，可以分成,遠(yuǎn)距離小光源法、遠(yuǎn)距離面光源法、近距離小光源法和近距離面光源法,。標(biāo)定時(shí)儀器調(diào)焦至無限遠(yuǎn)。,8,7.1.1,遠(yuǎn)距離小光源法,精確計(jì)算輻照度,E,的困難在于要知道傳輸介質(zhì),(,如大氣,),的光譜透射比,(,),。由于在水氣吸收譜段內(nèi)，輻射衰減相當(dāng)大，故可在真空或充有無吸收的惰性氣體,(,如氮,),的密閉室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。,問題：如何消除背景輻射的影響？,9,7.1.1,遠(yuǎn)距離小光源法,在遠(yuǎn)距離小光源法中，由于儀器視場大于標(biāo)定光源對應(yīng)的視場，儀器視場還接收部分來自光源周圍的背景輻射能。為消除背景光對標(biāo)定的影響，可

5、調(diào)制標(biāo)定光源的光輸出信號，即,式中，,E,是光源和背景一起在儀器入瞳處產(chǎn)生的輻照度；,Ea,是光源輸出光能被遮擋時(shí)背景在待標(biāo)定儀器入瞳處產(chǎn)生的輻照度，相應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號為,V,和,Va,。即,E,為標(biāo)定光源本身在儀器入瞳處產(chǎn)生的輻照度，而,V,為調(diào)制光信號產(chǎn)生的交變輸出電壓信號的幅度。調(diào)制電壓信號還可將探測器的暗電流對測量的影響消除。,10,7.1.2,遠(yuǎn)距離面光源法,標(biāo)定時(shí)面光源對儀器的張角一般應(yīng)大于儀器視場的,4,倍。儀器調(diào)焦在無限遠(yuǎn)，面光源可用積分球光源或大面積低溫黑體，并放在有限遠(yuǎn)距離上,(,圖,7-6),。,設(shè)面光源的光譜輻亮度為,L0(,),，傳輸介質(zhì)的光譜透射比為,(,),，被標(biāo)

6、定輻射計(jì)輸出電壓信號為,V,，則儀器的輻亮度響應(yīng)度,該標(biāo)定方法不必知道待標(biāo)定儀器的視場角,及入瞳面積,Ap,。,近距離面光源法與遠(yuǎn)距離面光源法類似。由于待標(biāo)定儀器距面光源較近，面光源可較小，且,(,),1,，故應(yīng)用得較多。,11,7.1.4,近距離小光源法（瓊斯法）,標(biāo)定光源放在待標(biāo)定儀器入瞳附近，而標(biāo)定光源的尺寸要比儀器入瞳口徑小得多。為使探測器上得到均勻的輻照，標(biāo)定光源應(yīng)當(dāng)放在圖,7-7,的陰影線區(qū)域之內(nèi)。,標(biāo)定光源從對應(yīng)儀器半視場角,的立體角內(nèi)發(fā)出的輻射能恰都能為探測器所接收，則進(jìn)入待標(biāo)定輻射計(jì)的輻射通量為,設(shè)有一輻亮度為,Ls,的面光源使輻射計(jì)同樣接收輻射通量為的光能，則,12,7.1

7、.4,近距離小光源法（瓊斯法）,將輻亮度為,L,的近距小光源看成輻亮度為,Ls,的近距離面光源，則對應(yīng)的輻亮度,輻射計(jì)的輻亮度響應(yīng)度,由于,Ac,Ls,。即小光源被看作是輻亮度減弱了,Ap,/,Ac,倍的面光源。,近距小光源和面光源是在探測器接收均勻且同樣大小輻照度的意義上等效的。,13,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,標(biāo)定儀器響應(yīng)度,R,L,后，如果測出儀器的相對光譜響應(yīng),R(,),，,求儀器的光譜響應(yīng)度,R,L,(,),。,14,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,課后思考：如何確定標(biāo)定精度？,原始誤差：標(biāo)定過程中所使用的標(biāo)準(zhǔn)器具本身的誤差，它是確定標(biāo)定精度的一種極限。,標(biāo)定誤差：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器具確定后，由所采

8、用的標(biāo)定方法不同所增加的那部分誤差。,使用誤差。,15,第,7,章 光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,7.1.1,遠(yuǎn)距離小光源法,7.1.2,遠(yuǎn)距離面光源法,7.1.3,近距離面光源法,7.1.4,近距離小光源法,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),7.4,測量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),16,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),在系統(tǒng)工作譜段,1,，,2,內(nèi)并不象理想響應(yīng)那樣具有明顯的波長限，且在,1,，,2,譜段內(nèi)的響應(yīng)也不均勻，在離工作譜段較遠(yuǎn)的波長區(qū)，甚至還可能出現(xiàn)次響應(yīng)譜段，并可延伸到相當(dāng)寬的波長范圍，這種工作譜段以外的響應(yīng)稱為,光譜

9、泄漏,。,用等效理想矩形帶寬代替系統(tǒng)實(shí)際光譜響應(yīng)稱為帶寬規(guī)一化法，表示在一定條件下，使用理想響應(yīng)在測量結(jié)果上等效于實(shí)際測量系統(tǒng)的響應(yīng)。方法的基本出發(fā)點(diǎn)是：當(dāng)待測光源的光譜能量分布曲線可用一個(gè)二次函數(shù)來表示時(shí)，系統(tǒng)的等效理想響應(yīng)可通過精確地的計(jì)算確定。,17,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),設(shè)待測光源的光譜能量分布特性為,S,(,),，,則系統(tǒng)的輸出電壓信號,若,S(,),可表示成二次函數(shù)，即,對,(7-10),式的光源函數(shù)在,1,，,2,范圍內(nèi)積分，則,代入,(7-9),式，有,(7-9),(7-11),(7-12),(7-10),18,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),比較,(7-11),式和,(7-

10、12),式，有,聯(lián)立解,(7-14),方程，得,(7-13),(7-14),(7-15),確定等效理想響應(yīng)的方法：由系統(tǒng)響應(yīng),R,(,),，,求 、,和,，,由,(7-14),式可求得,F,和,G,的值，并由,(7-15),式來得,1,和,2,，,進(jìn)而由,(7-13),式求得,。,19,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),20,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),大多數(shù)光學(xué)材料具有較好的短波截止性能，但長波的截止性能較差,(,圖,7-11,給出了幾種常用的紅外光學(xué)材料的光譜透射特性曲線,),因而長波泄漏更容易出現(xiàn)。,光譜泄漏主要原因：,21,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),用以分隔譜段的薄膜干涉濾光片、分光元件,

11、光柵等利用干涉現(xiàn)象的元件存在干涉級。干涉濾光片在其窄帶透射譜段的兩側(cè)還有一系列的次透射峰，多層鍍膜雖可大大減弱次峰，但不可能做到在主窄帶透射譜段以外的譜段完全無透過。,光譜泄漏主要原因：,22,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),單色儀中由于棱鏡和光柵表面的自身缺陷及小角度散射、系統(tǒng)像差及衍射等，使透射譜線加寬。雜散光不經(jīng)色散元件或經(jīng)過色散元件，由出射狹縫出射，使依靠單色儀分隔譜段的效能減弱。,光學(xué)元件吸收短波輻射而在較長波長處受激發(fā)射螢光，則當(dāng)紫外測量儀器中探測器在可見譜段未能有效地截止而有響應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光譜泄漏。,為此，對測量系統(tǒng)進(jìn)行光譜響應(yīng)測量的一個(gè)重要工作是檢查系統(tǒng)光譜泄漏的程度。,光譜泄漏

12、主要原因：,23,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),短波截止,/,透過濾光片：,由于短波截止濾光片的短波截止性能較好，可用來檢查長波泄漏。檢查時(shí)將濾光片插入光路，如果系統(tǒng)仍有信號輸出,(,不是暗電流,),，則說明系統(tǒng)有長波泄漏，而信號的大小可確定長波泄漏的程度。,光譜泄漏檢查方法：,用圖,7-14,所示的兩塊短波截止濾光片先后插入光路，可發(fā)現(xiàn)長波泄漏的譜段位置，濾光片其透射譜段的透射比應(yīng)大于,0.80.9,，而截止譜段的透射比則不應(yīng)大于,10,-4,。由于檢測整個(gè)長波泄漏的總響應(yīng)，因而可期望得到較大的信號。如若用窄帶濾光片來檢查長波泄漏的位置和大小，往往信號很小，甚至難以察覺。反之，用短波透過的濾光

13、片,(,圖,7-14,的虛線,),可檢查系統(tǒng)短波泄漏。,24,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),變溫黑體法：,由于黑體溫度變化時(shí)，輻射能的峰值也隨之變化，這相當(dāng)于引入一個(gè)變發(fā)射譜段的光源作為長波泄漏的檢查手段。,光譜泄漏檢查方法：,當(dāng)系統(tǒng)有長波泄漏和沒有長波泄漏時(shí)，由黑體光譜輻射出射度曲線和測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)曲線相乘，可得到圖,7-15(b),的曲線，圖中斜直線表示沒有長波泄漏時(shí)，系統(tǒng)輸出信號隨黑體光譜輻亮度變化；有長波泄漏時(shí)，隨著黑體溫度減小，黑體光譜輻射出射度曲線峰值向長波方向位移，長波泄漏對系統(tǒng)的輸出信號貢獻(xiàn)更加顯著，這時(shí)，實(shí)測值偏離斜直線越來越遠(yuǎn)。信號經(jīng)過處理可確定長波泄漏的譜段位置及響應(yīng)大

14、小。,25,第,7,章 光輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量,7.1,測量系統(tǒng)的響應(yīng)度,7.1.1,遠(yuǎn)距離小光源法,7.1.2,遠(yuǎn)距離面光源法,7.1.3,近距離面光源法,7.1.4,近距離小光源法,7.2,測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),7.4,測量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),26,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),實(shí)際測量系統(tǒng)對視場外進(jìn)入的光能總會(huì)在不同程度上散射到探測器表面，使系統(tǒng)有一定的視場外響應(yīng)。一個(gè)原因是測量系統(tǒng)本身沒有明顯的視場大小，另一個(gè)原因是系統(tǒng)不可能把雜散光完全阻擋掉。,視場響應(yīng)是測量系統(tǒng)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。嚴(yán)重的視場外響應(yīng)會(huì)給測量系統(tǒng)帶來很大的誤差，一

15、個(gè)極端的例子是用輻射計(jì)測量太陽的日冕，如果系統(tǒng)能有效地把來自太陽的直射輻射擋掉，那就不必等到日全蝕才可能對日冕進(jìn)行測量。,設(shè)待測輻射通量在空間的分布為,(,),，,是某面元與測量系統(tǒng)入瞳中心的連線與系統(tǒng)光軸的夾角,(,圖,7-16),，,是該連線在空間所處的方位角，,系統(tǒng)視場。,27,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),系統(tǒng)具有理想視場響應(yīng)。,被測輻射度量在空間的分布是均勻的,待測光源尺寸很小，對系統(tǒng)的張角小于視場光闌對應(yīng)的,空間視場角。,28,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),29,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),30,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),圖,7-19,是測量系統(tǒng)視場響應(yīng)的一種裝置。準(zhǔn)直管安裝在導(dǎo)軌上

16、，準(zhǔn)直管口徑應(yīng)使其發(fā)出的平行光束足以充滿待測系統(tǒng)的入射孔徑。待測系統(tǒng)安置在一可繞直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，旋轉(zhuǎn)支架可使待測系統(tǒng)相對準(zhǔn)直管有不同的視場角與方位角。支架回轉(zhuǎn)軸應(yīng)通過待測系統(tǒng)入射孔徑的中心，這樣系統(tǒng)繞支架垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)的光束口徑不會(huì)被切掉。在零度視場，待測系統(tǒng)的光軸和準(zhǔn)直管光軸大致重合，這可通過調(diào)節(jié)使待測系統(tǒng)的俯仰和升降裝置來實(shí)現(xiàn)。,測量前首先要確定系統(tǒng)的光軸,(,零視場角,),，它不一定是光學(xué)元件的中心和探測器中心的連線。測量時(shí)首先使待測系統(tǒng)在光軸附近得到最大的非飽和輸出信號，在一定的方位角,，通過改變視場角,，,找到對應(yīng)最大輸出信號一半時(shí)的,1,和,2,。在數(shù)個(gè)方位角處找到一系列的,1,和,2,值，并求出對應(yīng)的中點(diǎn)平均值,0=(,1+,2)/2,。同理，對應(yīng)一系列,角，找到對應(yīng)最大輸出信號一半時(shí)的一系列,1,和,2,及其中點(diǎn)平均值,0,，,(,0,0,),可確定出待測系統(tǒng)的光軸。,使待測系統(tǒng)處于不同的視場角，記錄系統(tǒng)的輸出，得到如圖,7-17,的系統(tǒng)視場響應(yīng)。,31,7.3,測量系統(tǒng)的視場響應(yīng),視場外和視場內(nèi)響應(yīng)相比，前者屬于雜散光，其輸出信號比視場內(nèi)響應(yīng)的輸出小幾個(gè)甚至