優(yōu)選光輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量課件

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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),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(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,第,7,章 光輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,2,輻射測(cè)量系統(tǒng)的,三種典型結(jié)構(gòu),光輻射測(cè)量系統(tǒng)性能及其測(cè)量：,測(cè)量條件,光輻射量是一個(gè)場(chǎng)量,標(biāo)定,3,第,7,章 光輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,在所測(cè)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(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有以下性能：,在所要求測(cè)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(chǎng)響應(yīng)。,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)去測(cè)量光輻射度量，不會(huì)因待測(cè)量的光譜特性、量值大小、視場(chǎng)內(nèi)的空間分布和偏振特性的變化而引起測(cè)量誤差。,4,第,7,章 光輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,7.1,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),7.4,測(cè)量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測(cè)量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),5,7.1,測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度,根據(jù)儀器輸出電壓對(duì)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(cè)量系統(tǒng),入瞳,處輻射度量

3、和輸出信號(hào)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(duì)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(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度,可用測(cè)量?jī)x器的輻照度,(,或輻射通量,),響應(yīng)來表征，但要求,探測(cè)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(chǎng)內(nèi)平均輻亮度和輸出電壓信號(hào)之間的關(guān)系。,7,7.1,測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度,在光源可正好充滿儀器視場(chǎng)的標(biāo)定條件下，三種響應(yīng)度之間存在著簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(chǎng)大于標(biāo)定光源對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)，儀器視場(chǎng)還接收部分來自光源周圍的背景輻射能。為消除背景光對(duì)標(biāo)定的影響，可

5、調(diào)制標(biāo)定光源的光輸出信號(hào)，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(hào)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(hào)產(chǎn)生的交變輸出電壓信號(hào)的幅度。調(diào)制電壓信號(hào)還可將探測(cè)器的暗電流對(duì)測(cè)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(duì)儀器的張角一般應(yīng)大于儀器視場(chǎng)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(hào)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(chǎng)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(cè)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(duì)應(yīng)儀器半視場(chǎng)角,的立體角內(nèi)發(fā)出的輻射能恰都能為探測(cè)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(duì)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(cè)器接收均勻且同樣大小輻照度的意義上等效的。,13,7.1,測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度,標(biāo)定儀器響應(yīng)度,R,L,后，如果測(cè)出儀器的相對(duì)光譜響應(yīng),R(,),，,求儀器的光譜響應(yīng)度,R,L,(,),。,14,7.1,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,7.1,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),7.4,測(cè)量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測(cè)量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),16,7.2,測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量結(jié)果上等效于實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)。方法的基本出發(fā)點(diǎn)是：當(dāng)待測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),設(shè)待測(cè)光源的光譜能量分布特性為,S,(,),，,則系統(tǒng)的輸出電壓信號(hào),若,S(,),可表示成二次函數(shù)，即,對(duì),(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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),20,7.2,測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)波泄漏更容易出現(xiàn)。,光譜泄漏主要原因：,21,7.2,測(cè)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(jí)。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(cè)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(zhǎng)波長(zhǎng)處受激發(fā)射螢光，則當(dāng)紫外測(cè)量?jī)x器中探測(cè)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(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)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(cè)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(zhǎng)波泄漏。檢查時(shí)將濾光片插入光路，如果系統(tǒng)仍有信號(hào)輸出,(,不是暗電流,),，則說明系統(tǒng)有長(zhǎng)波泄漏，而信號(hào)的大小可確定長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)整個(gè)長(zhǎng)波泄漏的總響應(yīng)，因而可期望得到較大的信號(hào)。如若用窄帶濾光片來檢查長(zhǎng)波泄漏的位置和大小，往往信號(hào)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(cè)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(zhǎng)波泄漏的檢查手段。,光譜泄漏檢查方法：,當(dāng)系統(tǒng)有長(zhǎng)波泄漏和沒有長(zhǎng)波泄漏時(shí)，由黑體光譜輻射出射度曲線和測(cè)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(zhǎng)波泄漏時(shí)，系統(tǒng)輸出信號(hào)隨黑體光譜輻亮度變化；有長(zhǎng)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(zhǎng)波方向位移，長(zhǎng)波泄漏對(duì)系統(tǒng)的輸出信號(hào)貢獻(xiàn)更加顯著，這時(shí)，實(shí)測(cè)值偏離斜直線越來越遠(yuǎn)。信號(hào)經(jīng)過處理可確定長(zhǎng)波泄漏的譜段位置及響應(yīng)大

14、小。,25,第,7,章 光輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能及其測(cè)量,7.1,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng),7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),7.4,測(cè)量系統(tǒng)的線性響應(yīng),7.5,測(cè)量系統(tǒng)的偏振響應(yīng),26,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)外進(jìn)入的光能總會(huì)在不同程度上散射到探測(cè)器表面，使系統(tǒng)有一定的視場(chǎng)外響應(yīng)。一個(gè)原因是測(cè)量系統(tǒng)本身沒有明顯的視場(chǎng)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(chǎng)響應(yīng)是測(cè)量系統(tǒng)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。嚴(yán)重的視場(chǎng)外響應(yīng)會(huì)給測(cè)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(cè)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(duì)日冕進(jìn)行測(cè)量。,設(shè)待測(cè)輻射通量在空間的分布為,(,),，,是某面元與測(cè)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(chǎng)。,27,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),系統(tǒng)具有理想視場(chǎng)響應(yīng)。,被測(cè)輻射度量在空間的分布是均勻的,待測(cè)光源尺寸很小，對(duì)系統(tǒng)的張角小于視場(chǎng)光闌對(duì)應(yīng)的,空間視場(chǎng)角。,28,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),29,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),30,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),圖,7-19,是測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)的入射孔徑。待測(cè)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(cè)系統(tǒng)相對(duì)準(zhǔn)直管有不同的視場(chǎng)角與方位角。支架回轉(zhuǎn)軸應(yīng)通過待測(cè)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(chǎng)，待測(cè)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(cè)系統(tǒng)的俯仰和升降裝置來實(shí)現(xiàn)。,測(cè)量前首先要確定系統(tǒng)的光軸,(,零視場(chǎng)角,),，它不一定是光學(xué)元件的中心和探測(cè)器中心的連線。測(cè)量時(shí)首先使待測(cè)系統(tǒng)在光軸附近得到最大的非飽和輸出信號(hào)，在一定的方位角,，通過改變視場(chǎng)角,，,找到對(duì)應(yīng)最大輸出信號(hào)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(duì)應(yīng)的中點(diǎn)平均值,0=(,1+,2)/2,。同理，對(duì)應(yīng)一系列,角，找到對(duì)應(yīng)最大輸出信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的光軸。,使待測(cè)系統(tǒng)處于不同的視場(chǎng)角，記錄系統(tǒng)的輸出，得到如圖,7-17,的系統(tǒng)視場(chǎng)響應(yīng)。,31,7.3,測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)響應(yīng),視場(chǎng)外和視場(chǎng)內(nèi)響應(yīng)相比，前者屬于雜散光，其輸出信號(hào)比視場(chǎng)內(nèi)響應(yīng)的輸出小幾個(gè)甚至