第7章光辐射测量系统的性能及其测量

光电成像与信息工程研究所1光电成像与信息工程研究所2第7章光辐射测量系统的性能及其测量光电成像与信息工程研究所第7章光辐射测量系统的性能及其测量3光电成像与信息工程研究所辐射测量系统的三种典型结构光辐射测量系统性能及其测量：测量条件光辐射量是一个场量标定4光电成像与信息工程研究所第7章光辐射测量系统的性能及其测量①在所测量的光谱范围[1,2]内，系统具有均匀的光谱响应，在响应光谱范围以外的光谱响应等于零。理想的光辐射测量系统应当具有以下性能：②在所要求测量动态范围内，系统具有线性响应。③光学系统没有渐晕和像差，即系统具有理想的视场响应。④测量系统的响应不受入射光偏振程度的影响。用这种理想的测量系统去测量光辐射度量，不会因待测量的光谱特性、量值大小、视场内的空间分布和偏振特性的变化而引起测量误差。5光电成像与信息工程研究所第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度7.1.1远距离小光源法7.1.2远距离面光源法7.1.3近距离面光源法7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应6光电成像与信息工程研究所7.1测量系统的响应度///RVRVLRVE辐射通量响应度辐亮度响应度辐照度响应度根据仪器输出电压对应入射辐射度量的不同，响应度可分成辐射通量响应度、辐亮度响应度、辐照度响应度。响应度的标定就是建立测量系统入瞳处辐射度量和输出信号之间的定量关系。一般用标准光源作为标定源。但由于标定源到仪器入瞳之间有一定的距离，因此标定源辐射度量值并不是对应仪器入瞳处的辐射度量，在传输路径上辐射度量的变化必须考虑进去。7光电成像与信息工程研究所7.1测量系统的响应度可用测量仪器的辐照度(或辐射通量)响应来表征，但要求探测器响应度沿表面分布是均匀的，若响应不均匀，则需采用匀光器。用辐亮度响应能够正确地建立标定光源在仪器视场内平均辐亮度和输出电压信号之间的关系。8光电成像与信息工程研究所7.1测量系统的响应度在光源可正好充满仪器视场的标定条件下，三种响应度之间存在着简单的关系。设辐射计的辐亮度响应度RL=V/L，则对应的辐照度响应度和辐射通量响应度分别为///,///ELpEpRVEVLRRVVEARALEpRRAR响应度的标定方法按照光源的大小及其相对待标定仪器的位置，可以分成远距离小光源法、远距离面光源法、近距离小光源法和近距离面光源法。标定时仪器调焦至无限远。9光电成像与信息工程研究所7.1.1远距离小光源法20()()AELdl精确计算辐照度E的困难在于要知道传输介质(如大气)的光谱透射比()。由于在水气吸收谱段内，辐射衰减相当大，故可在真空或充有无吸收的惰性气体(如氮)的密闭室内进行标定。2/EIf问题：如何消除背景辐射的影响？10光电成像与信息工程研究所7.1.1远距离小光源法在远距离小光源法中，由于仪器视场大于标定光源对应的视场，仪器视场还接收部分来自光源周围的背景辐射能。为消除背景光对标定的影响，可调制标定光源的光输出信号，即式中，E是光源和背景一起在仪器入瞳处产生的辐照度；Ea是光源输出光能被遮挡时背景在待标定仪器入瞳处产生的辐照度，相应产生的电压信号为V和Va。即E为标定光源本身在仪器入瞳处产生的辐照度，而V为调制光信号产生的交变输出电压信号的幅度。调制电压信号还可将探测器的暗电流对测量的影响消除。aEaVVVREEE11光电成像与信息工程研究所7.1.2远距离面光源法标定时面光源对仪器的张角一般应大于仪器视场的4倍。仪器调焦在无限远，面光源可用积分球光源或大面积低温黑体，并放在有限远距离上(图7-6)。设面光源的光谱辐亮度为L0()，传输介质的光谱透射比为()，被标定辐射计输出电压信号为V，则仪器的辐亮度响应度该标定方法不必知道待标定仪器的视场角及入瞳面积Ap。00()()LVVRLLd近距离面光源法与远距离面光源法类似。由于待标定仪器距面光源较近，面光源可较小，且()1，故应用得较多。12光电成像与信息工程研究所7.1.4近距离小光源法（琼斯法）标定光源放在待标定仪器入瞳附近，而标定光源的尺寸要比仪器入瞳口径小得多。为使探测器上得到均匀的辐照，标定光源应当放在图7-7的阴影线区域之内。标定光源从对应仪器半视场角的立体角内发出的辐射能恰都能为探测器所接收，则进入待标定辐射计的辐射通量为设有一辐亮度为Ls的面光源使辐射计同样接收辐射通量为的光能，则2sccALALAf2fAALsps13光电成像与信息工程研究所7.1.4近距离小光源法（琼斯法）将辐亮度为L的近距小光源看成辐亮度为Ls的近距离面光源，则对应的辐亮度222cscsspsppAAAffLLLAAfAAA辐射计的辐亮度响应度pLcAVRLA由于AcAp,故LLs。即小光源被看作是辐亮度减弱了Ap/Ac倍的面光源。近距小光源和面光源是在探测器接收均匀且同样大小辐照度的意义上等效的。14光电成像与信息工程研究所7.1测量系统的响应度00()()/()LLRRLdLdmax()()LRRR标定仪器响应度RL后，如果测出仪器的相对光谱响应R()，求仪器的光谱响应度RL()。1500()()()()()LLRRLdRRLd光电成像与信息工程研究所7.1测量系统的响应度课后思考：如何确定标定精度？1.原始误差：标定过程中所使用的标准器具本身的误差，它是确定标定精度的一种极限。2.标定误差：当标准器具确定后，由所采用的标定方法不同所增加的那部分误差。3.使用误差。16光电成像与信息工程研究所第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度7.1.1远距离小光源法7.1.2远距离面光源法7.1.3近距离面光源法7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应17光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应在系统工作谱段[1，2]内并不象理想响应那样具有明显的波长限，且在[1，2]谱段内的响应也不均匀，在离工作谱段较远的波长区，甚至还可能出现次响应谱段，并可延伸到相当宽的波长范围，这种工作谱段以外的响应称为光谱泄漏。用等效理想矩形带宽代替系统实际光谱响应称为带宽规一化法，表示在一定条件下，使用理想响应在测量结果上等效于实际测量系统的响应。方法的基本出发点是：当待测光源的光谱能量分布曲线可用一个二次函数来表示时，系统的等效理想响应可通过精确地的计算确定。18光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应设待测光源的光谱能量分布特性为S()，则系统的输出电压信号00()()()VSRdRSd若S()可表示成二次函数，即2()SABC2000()()()VARdBRdCRd对(7-10)式的光源函数在[1，2]范围内积分，则223321212102321212121()[()()()]23[()()]()23BCVRSdRABCRA代入(7-9)式，有(7-9)(7-11)(7-12)(7-10)19光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应210()/()RRd0210()2()RdFRd222021210()3()RdGRd213()FGF223()FGF比较(7-11)式和(7-12)式，有联立解(7-14)方程，得(7-13)(7-14)(7-15)确定等效理想响应的方法：由系统响应R()，求、和，由(7-14)式可求得F和G的值，并由(7-15)式来得1和2，进而由(7-13)式求得。0()Rd0()Rd20()RdR20光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应2121max(,)(,)()cRMTdIIRMTRd21光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应①大多数光学材料具有较好的短波截止性能，但长波的截止性能较差(图7-11给出了几种常用的红外光学材料的光谱透射特性曲线),因而长波泄漏更容易出现。光谱泄漏主要原因：22光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应②用以分隔谱段的薄膜干涉滤光片、分光元件——光栅等利用干涉现象的元件存在干涉级。干涉滤光片在其窄带透射谱段的两侧还有一系列的次透射峰，多层镀膜虽可大大减弱次峰，但不可能做到在主窄带透射谱段以外的谱段完全无透过。光谱泄漏主要原因：23光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应③单色仪中由于棱镜和光栅表面的自身缺陷及小角度散射、系统像差及衍射等，使透射谱线加宽。杂散光不经色散元件或经过色散元件，由出射狭缝出射，使依靠单色仪分隔谱段的效能减弱。④光学元件吸收短波辐射而在较长波长处受激发射萤光，则当紫外测量仪器中探测器在可见谱段未能有效地截止而有响应时，就会产生光谱泄漏。为此，对测量系统进行光谱响应测量的一个重要工作是检查系统光谱泄漏的程度。光谱泄漏主要原因：24光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应短波截止/透过滤光片：由于短波截止滤光片的短波截止性能较好，可用来检查长波泄漏。检查时将滤光片插入光路，如果系统仍有信号输出(不是暗电流)，则说明系统有长波泄漏，而信号的大小可确定长波泄漏的程度。光谱泄漏检查方法：用图7-14所示的两块短波截止滤光片先后插入光路，可发现长波泄漏的谱段位置，滤光片其透射谱段的透射比应大于0.8~0.9，而截止谱段的透射比则不应大于10-4。由于检测整个长波泄漏的总响应，因而可期望得到较大的信号。如若用窄带滤光片来检查长波泄漏的位置和大小，往往信号很小，甚至难以察觉。反之，用短波透过的滤光片(图7-14的虚线)可检查系统短波泄漏。25光电成像与信息工程研究所7.2测量系统的光谱响应变温黑体法：由于黑体温度变化时，辐射能的峰值也随之变化，这相当于引入一个变发射谱段的光源作为长波泄漏的检查手段。光谱泄漏检查方法：当系统有长波泄漏和没有长波泄漏时，由黑体光谱辐射出射度曲线和测量系统的光谱响应曲线相乘，可得到图7-15(b)的曲线，图中斜直线表示没有长波泄漏时，系统输出信号随黑体光谱辐亮度变化；有长波泄漏时，随着黑体温度减小，黑体光谱辐射出射度曲线峰值向长波方向位移，长波泄漏对系统的输出信号贡献更加显著，这时，实测值偏离斜直线越来越远。信号经过处理可确定长波泄漏的谱段位置及响应大小。26光电成像与信息工程研究所第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度7.1.1远距离小光源法7.1.2远距离面光源法7.1.3近距离面光源法7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应27光电成像与信息工程研究所7.3测量系统的视场响应实际测量系统对视场外进入的光能总会在不同程度上散射到探测器表面，使系统有一定的视场外响应。一个原因是测量系统本身没有明显的视场大小，另一个原因是系统不可能把杂散光完全阻挡掉。视场响应是测量系统性能的另一个重要指标。严重的视场外响应会给测量系统带来很大的误差，一个极端的例子是用辐射计测量太阳的日冕，如果系统能有效地把来自太阳的直射辐射挡掉，那就不必等到日全蚀才可能对日冕进行测量。设待测辐射通量在空间的分布为(,)，是某面元与测量系统入瞳中心的连线与系统光轴的夹角(图7-16)，是该连线在空间所处的方位角，系统视场。28光电成像与信息工程研究所7.3测量系统的视场响应①系统具有理想视场响应。②被测辐射度量在空间的分布是均匀的③待测光源尺寸很小，对系统的张角小于视场光阑对应