专利名称：红外辐射传递标准综合测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明属于红外测量技术领域，尤其是涉及一种红外辐射综合测量系统，该红外辐射综合测量系统既可以测量红外探测器的光谱响应度，又可以测量红外辐射源的光谱辐射亮度。
背景技术：
红外辐射传递标准主要用于标定下一级红外探测器的光谱响应度、标定下一级红外辐射源的光谱辐射亮度，从而实现红外波段的量值传递。红外探测器光谱响应度的测量一般采用红外光谱响应度测量装置，该装置主要由标准红外辐射源、前置光学系统、分光系统、红外探测系统、数据采集与处理系统，一维精密移动平台等组成，选用腔体热释电探测器作为标准红外探测器，由于腔体热释电探测器的无光谱选择性，实际测量时，采用相对法进行测量，即通过测量腔体热释电探测器和被测探测器的输出信号，进行归一化处理，就可获得被测红外探测器的光谱响应度。红外辐射源的光谱辐射亮度一般是采用光谱辐射亮度测量装置来进行测量，该装置主要由样品室、成像系统、单色仪、红外探测器及数据采集与处理系统等组成，根据相对测量法原理，通过比较标准红外辐射源和被测红外辐射源的光输出信号，完成被测红外辐射源光谱辐射亮度的测量。
目前，英国NPL和美国NIST均具有测量红外探测器光谱响应度的测试设备，即红外光谱响应度测量装置，两家实验室的测量系统非常相似，都是专门用于红外探测器光谱响应度的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，将已有技术中专门测量红外辐射源辐射特性和红外探测器光谱响应度的测量系统集成为一体，提供一种红外辐射传递标准综合测量系统及其测量方法，具体地说，本发明的红外辐射传递标准综合测量系统既可以测量和标定红外辐射源的光谱辐射亮度，又可以测量和标定红外探测器的光谱响应度。
为解决上述技术问题，本发明红外辐射传递标准综合测量系统包括一组标准红外辐射源，前置光学系统，含有滤光组件、双单色仪、斩波器、电动快门的分光系统，后置光学系统，一组标准红外探测器，用于调试光谱辐射亮度测量光路的光路准直器，含有数据采集与处理系统、控制电路的计算机控制系统，两个精密移动平台，若干个调节支架；所述的第一精密移动平台上至少安装两个调节支架，所述的标准红外辐射源放置在第一调节支架上，而被测红外辐射源则放置在第二调节支架上；所述的第二精密移动平台上至少安装有三个调节支架，所述的光路准直器、标准红外探测器分别放置在第三、第四调节支架上，被测红外探测器则放置在第五调节支架上；用于测量红外辐射源光谱辐射亮度的光路为标准红外辐射源或被测红外辐射源发出的光辐射信号经前置光学系统后到达所述的分光系统，经分光系统变为单色辐射后再经后置光学系统成像在标准红外探测器的接收面上，标准红外探测器将此光信号转换成电压信号并输出；用于测量红外探测器的光谱响应度的光路为标准红外辐射源发出的光辐射信号依次经过前置光学系统、分光系统、后置光学系统后分别成像在标准红外探测器或被测红外探测器的接收面上，所述标准红外探测器或被测红外探测器将接收到的光信号转换成电压信号并输出；所述计算机控制系统的主要功能是设置与调试红外辐射传递标准综合测量系统中的相关测量硬件，并控制红外辐射传递标准综合测量系统自动完成红外辐射源光谱辐射亮度或红外探测器光谱响应度的测量；所述控制电路含有用于驱动第一、第二精密移动平台的驱动电路，快门驱动电路，滤光片驱动电路，斩波器驱动电路，双单色仪驱动电路，这些驱动电路根据计算机指令控制相关硬件的状态或位置；所述的数据采集与处理系统含有计算机、数字电压表、锁相放大器，计算机内置有数据采集卡以及硬件设置与调试模块、红外光谱辐射亮度测量模块、光谱响应度测量模块、浏览、绘图与打印模块；所述硬件设置与调试模块的功能是设置并存储所述标准红外辐射源、被测红外辐射源、标准红外探测器、被测红外探测器、滤光组件、双单色仪的初始位置，根据测量需要对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配并存储相关数据；所述光谱响应度测量模块的功能是自动完成红外探测器的光谱响应度测量；所述红外光谱辐射亮度测量模块的功能是自动完成红外辐射源的光谱辐射亮度测量；所述浏览、绘图与打印模块的功能是显示或打印测量结果。
在本发明的红外辐射传递标准综合测量系统中，所述的一组标准红外辐射源包括三个钨带灯和两个硅碳棒，其中，钨带灯的波长范围为0.7～3μm，硅碳棒的波长范围为1～14μm。
在本发明的红外辐射传递标准综合测量系统中，所述的一组标准红外探测器包括两个腔体热释电探测器、两个InGaAs探测器、两个InSb探测器，腔体热释电探测器可以作为全波段红外光谱响应度测量的标准红外探测器，也可以作为全波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器，InGaAs探测器、InSb探测器分别作为0.8～1.8μm、3～5μm波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器。
本发明的光谱辐射亮度测量方法包括以下步骤1、接通所述光路准直器的电源，手动第二精密移动平台使光路准直器位于所述光谱辐射亮度测量光路的像面中，手动第三调节支架使光路准直器的准直光束中心位于像面中心，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置数据；2、手动第一精密移动平台，使所述被测红外辐射源位于所述光谱辐射亮度测量光路中，且使通过光谱辐射亮度测量光路逆向传输的准直光束位于其中心位置；
3、关闭所述光路准直器电源，接通被测红外辐射源的电源，手动第二调节支架，使被测红外辐射源输出的红外辐射清楚地成像于所述分光系统的中心处，并充满双单色仪的入缝，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置数据；4、手动调整第一、第二精密移动平台，使缺省标准红外辐射源、缺省标准红外探测器分别位于所述光谱辐射亮度测量光路的物面、像面；5、通过所述计算机的主界面启动设置与调试模块，该模块对所述红外辐射传递标准综合测量系统各测量硬件的初始位置、工作状态进行检查与调试，确保缺省标准红外辐射源的光辐射充满双单色仪的入缝处，缺省标准红外探测器位于光谱辐射亮度测量光路的像点处；6、通过所述计算机的主界面启动所述光谱辐射亮度测量模块，人工向该模块输入被测红外辐射源的波长范围λ1～λj、波长间隔Δλ、采样次数N三项参数；7、所述光谱辐射亮度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱辐射亮度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；8、所述的光谱辐射亮度测量模块命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号l(λ1)标混，命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号l(λ1)标背，根据公式l(λ1)标1＝l(λ1)标混-l(λ1)标背，计算出标准红外辐射源在λ1波长点的实测信号值l(λ1)标1；9、重复第8步骤N-1次，获得标准红外辐射源在λ1波长点的一组实测信号值l(λ1)标2～l(λ1)标N；光谱辐射亮度测量模块对N个实测信号值l(λ1)标1～l(λ1)标N进行平均，得出标准红外辐射源在λ1波长点的测量值l(λ1)标；10、针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第7步骤至9步骤，直至获得标准红外辐射源在λ2～λj波长范围内的一组测量值l(λ2)标～l(λj)标；11、所述光谱辐射亮度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1和被测红外辐射源，对标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱辐射亮度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；12、所述的光谱辐射亮度测量模块命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取被测红外探测器输出的混合信号l(λ1)混，命令驱动电路关闭快门，读取被测红外探测器输出的背景信号l(λ1)背，根据公式l(λ1)测1＝l(λ1)测混-l(λ1)测背，计算出被测红外辐射源在λ1波长点的实测信号值l(λ1)测1；13、重复第12步骤N-1次，获得被测红外辐射源在λ1波长点的一组实测信号值l(λ1)测2～l(λ1)测N；光谱辐射亮度测量模块对N个实测信号值l(λ1)测1～l(λ1)测N进行平均，得出被测红外辐射源在λ1波长点的测量值l(λ1)测；14、针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第11步骤至13步骤，直至获得被测红外辐射源在λ2～λj波长范围内的一组测量值l(λ2)测～l(λj)测值；15、所述光谱辐射亮度测量模块根据内置公式 计算被测红外辐射源在λ1～λj波长范围内的一组光谱辐射亮度L(λj)测值，式中L(λj)标为所用标准红外辐射源的光谱辐亮度值；16、光谱辐射亮度测量模块调用所述浏览、绘图与打印模块，后者根据用户选择，可以用图形模式也可以用表格模式显示或输出测量结果。
本发明的光谱响应度测量方法包括以下步骤17、手动第二精密移动平台使被测红外探测器位于所述光谱响应度测量光路中，手动第五调节支架，使被测红外探测器的中心位于光谱响应度测量光路中的像点处，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置；18、手动第二精密移动平台，使缺省标准红外探测器位于所述光谱响应度测量光路中；19、通过所述计算机的主界面启动硬件设置与调试模块，该模块对所述红外辐射传递标准综合测量系统各相关测量硬件的初始位置、工作状态进行检查与调试，确保缺省标准红外辐射源的辐射充满双单色仪的入缝处，缺省标准红外探测器位于光谱响应度测量光路的像点处；20、通过所述计算机主界面启动所述光谱响应度测量模块，人工向该模块输入被测红外探测器的波长范围λ1～λj、波长间隔Δλ、采样次数N三项参数；21、所述光谱响应度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱响应度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；22、所述的光谱响应度测量模块命令所述快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号i标11混，再命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号i标11背，并根据公式i标11＝i标11混-i标11背计算出标准红外探测器在λ1波长点的实测信号值i标11；23、重复第22步骤N-1次，获得标准红外探测器在λ1波长点的一组实测信号值i标12～i标1N，光谱响应度测量模块对N个实测信号值i标11～i标1N进行平均，得出标准红外探测器在λ1波长点的测量值i标1；24、针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第21步骤至23步骤，直至获得标准红外探测器在λ2～λm波长范围内的一组测量值i标2～i标m值；25、所述光谱响应度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1和被测红外探测器，对标准红外辐射源、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱响应度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；26、所述的光谱响应度测量模块命令所述快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取被测红外探测器输出的混合信号i测11混，再命令驱动电路关闭快门，读取被测红外探测器输出的背景信号i测11背，根据公式i测11＝i测11混-i测11背计算出被测红外探测器在λ1点的实测信号值i测11；27、重复第26步骤N-1次，获得被测红外探测器在λ1波长点的一组实测信号值i测12～i测1N，光谱响应度测量模块对N个实测信号值i测11～i测1N进行平均，得出被测红外探测器在λ1波长点的测量值i测1；28、针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λm＝λm-1+Δλ个波长点重复第25步骤至27步骤，直至获得被测红外探测器在λ2～λm波长范围内的一组测量值i测2～i测m值；29、所述光谱响应度测量模块根据公式 计算并进行归一化处理，获得被测红外探测器的一组光谱响应度S(λm)测值，式中，S(λm)标为所选标准红外探测器的已知光谱响应度值；30、光谱响应度测量模块调用所述浏览、绘图与打印模块，后者根据用户选择，可以用图形模式也可以用表格模式显示或输出测量结果。
本发明在专用红外光谱响应度测量系统的基础上，通过增加光路准直器和一个精密移动平台及一组标准红外辐射源而构成一个新的红外辐射传递标准综合测量系统，该测量系统仅使用一套测量光路及控制系统，就可以完成红外探测器的光谱响应度测量和红外辐射源的光谱辐射亮度测量，不仅最大程度地实现了资源共享、节约资金，而且也充分挖掘出了红外辐射测量系统的潜能，同时为开发其它波段的综合测量系统奠定了技术基础。其次，通过编制相应的测量软件，使光谱响应度和红外光谱辐射亮度这两种测量全部实现了自动化，从而使得复杂的测量工作变得简单而实用，不仅节省了大量的人力，而且也较好地保证了测量精度。
图1是本发明红外辐射传递标准综合测量系统的组成示意图。
图2是本发明红外辐射传递标准综合测量系统选用的标准红外辐射源之一钨带灯的结构示意图。
图3是本发明红外辐射传递标准综合测量系统选用的标准红外辐射源之二硅碳棒的结构示意图。
图4是本发明红外辐射传递标准综合测量系统中测量软件的总流程图。
图5是图4所示硬件设置与调试模块的工作流程图。
图6是图4所示光谱辐射亮度测量模块的工作流程图。
图7是图4所示光谱响应度测量模块的工作流程图。
图8是图4所示浏览、绘图与打印模块的工作流程图。
具体实施例方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
正如图1所示，本发明红外辐射传递标准综合测量系统的优选实施例包括光源组件，前置光学系统，分光系统7、后置光学系统、探测组件9、光路准直器11、计算机控制系统、两个精密移动平台13、10。光源组件由一组标准红外辐射源1、稳压稳流电源、监测仪表等组成，标准红外辐射源的主要作用是为红外光谱响应度和红外光谱辐射亮度测量提供满足要求的标准红外辐射信号，是实现测量的关键。本优选实施例的标准红外辐射源1选用三个特制的钨带灯(参见图2)和两个硅碳棒(参见图3)。钨带灯作为光谱辐射亮度的标准红外辐射源，其功率为150W，提供的波长范围均为0.7μm～3μm，工作电流为25A，硅碳棒作为光谱响应度的标准红外辐射源，其功率为40W，波长范围为1μm～14μm，正常工作电流为7A。这些标准红外辐射源1以及被测红外辐射源12分别通过调节支架一一安装在第一精密移动平台13上，这些调节支架均可以三维调整，以确保标准红外辐射源和待测红外辐射源处于正确的位置。稳压稳流电源可为标准红外辐射源提供稳定性为0.05％的直流稳压电流。监测仪表用于监视和测量标准红外辐射源1的稳定性。
前置光学系统含有两个平面反射镜2和第一球面反射镜3，后置光学系统含有两个平面反射镜2和第二球面反射镜8，为便于调整，每个镜子均安置在三维可调的支架上，以获得理想的光学成像。分光系统是本发明红外辐射传递标准综合测量系统的核心部分，由红外辐射源发射出的红外辐射经过该部分后由原来宽波段的红外辐射变成了测量所需的单色辐射信号。它由滤光组件5、双单色仪7、电子快门4、斩波器6组成。本优选实施例中双单色仪7是由两个单色仪反向串接在一起，其主要作用是在提高光谱分辨率的同时，消除分光时引起的各种畸变和杂散光。每个单色仪中都配有五个衍射光栅并按序安装在由步进电机驱动的光栅塔轮上，其中1号衍射光栅的波长范围为0.67～2.0μm；2号衍射光栅的波长范围为1.4～4.0μm；3号衍射光栅的波长范围为2.7～8.0μm；4号衍射光栅的波长范围为5.4～16.0μm；5号衍射光栅的波长范围为8.0～24.0μm。根据测量需要，计算机控制单色仪驱动电路输出驱动信号，以此驱动步进电机带动光栅塔轮转动使选定的衍射光栅进入测量光路中，其过程为，首先选择光栅，其次小步距的移动选择需要的输出波长。滤光组件5含有五个滤光片，覆盖的波长范围为1.0um～14um，其中1号滤光片波长范围为1.0～1.7μm，2号滤光片波长范围为1.2～2.8μm，3号滤光片波长范围为2.2～5.0μm，4号滤光片波长范围为4.5～8.0μm，5号滤光片波长范围为7.5～14.0μm；五个滤光片安装在滤光片鼓轮的五个位置中，由计算机控制滤光片驱动电路进行选择，滤光片的作用是滤掉次级辐射。电子快门4在测量过程中的开与闭受计算机控制系统的控制，其作用是扣除测量背景。斩波器6与计算机控制系统中的锁相放大器一起作用，用来抑制噪音提高信噪比。
光路准直器选用632.8nm的He-Ne激光器。由于被测红外辐射源是经常变换的，而且被测红外辐射源的尺寸、大小也不尽相同，因此，每当测量红外辐射源的光谱辐射亮度时，都需要调整其测量位置。根据光路可逆原理，将光路准直器放在测量光路的像点位置，其准直光束经测量光路就会传输到物点位置，找到准直光束成在物空间的像点位置也就找到了被测红外辐射源的测量位置。探测组件用于接收来自标准红外辐射源或被测红外辐射源的光辐射信号，并将光信号转换成电信号之后送入计算机控制系统的数据采集与处理系统中。该组件包括两个腔体热释电探测器、两个InGaAs探测器、两个InSb探测器和被测红外探测器，腔体热释电探测器主要作为全波段红外光谱响应度测量的标准红外探测器，也可以作为全波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器，InGaAs探测器、InSb探测器分别作为0.8～1.8μm、3～5μm波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器。这些探测器以及光路准直器分别通过三维调节支架一一安装在第二精密移动平台10上，以保证在测量中各相关硬件之间的切换。第一、第二精密移动平台13、10均为一维可调平台，其工作行程为500mm，精度为5um。
计算机控制系统含有控制电路、数据采集与处理系统。控制电路含有驱动第一精密移动平台的第一驱动电路、驱动第二精密移动平台的第二驱动电路、快门驱动电路、滤光片驱动电路、斩波器驱动电路及单色仪驱动电路，这些电路接收计算机输出的控制指令，驱动相应硬件动作以满足测量的需要。数据采集与处理系统含有计算机、两个数字电压表、锁相放大器。锁相放大器、数字电压表可将红外探测器输出的电压信号进行放大并转换成数字信号送入计算机中。计算机中内置有数据采集卡及综合测量软件，综合测量软件主要完成对红外辐射标准传递综合测量系统调试与测量的控制及测量数据的处理，它包括四个功能模块(参见图4)，即硬件设置与调试模块、光谱辐射亮度测量模块、光谱响应度测量模块、浏览、绘图和打印模块。图4是本发明红外辐射传递标准综合测量系统由计算机控制完成测量工作的总流程图。当红外辐射传递标准综合测量系统进入测量程序时，计算机的主界面给出软件功能模块分布，用户可根据实际测量需要，选择进入不同的功能模块。
图5是模块1即硬件设置与调试模块的操作流程。该模块能够完成所有测量硬件的设置与调试，根据测量需要对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅、滤光组件的位置进行设置与调试。在实际测量工作中，根据调用命令，该模块通过RS232串口控制第二精密移动平台移动，完成标准红外探测器组、被测红外探测器及光路准直器初始位置的设置与调试，记录并存储这些位置参数；通过RS232串口控制第一精密移动平台移动，完成标准红外辐射源、被测红外辐射源初始位置的设置与调试，记录并存储这些参数供光谱辐射亮度测量模块和光谱响应度测量模块进行波长的选择调用。通过488并口控制双单色仪转动，对选择衍射光栅的初始位置进行调试与设置并存储位置数据，供光谱辐射亮度测量模块和光谱响应度测量模块进行波长的选择调用。根据人工输入的波长点，该模块通过488并口记录所选滤光片的位置值，供光谱辐射亮度测量模块和光谱响应度测量模块进调用。硬件设置与调试模块可通过488并口设置斩波器及数字电压表，并存储斩波器的频率，同时，通过数据采集卡从数字电压表读取标准红外探测器或被测红外探测器的输出数据。硬件设置与调试模块还能够完成测量硬件的选配，测量时，该模块根据人工输入的一组标准红外探测器即腔体热释电探测器、InGaAs探测器和InSb探测器的标准值，选择在对应波段信号最佳的标准红外探测器；根据人工输入的一组标准红外辐射源钨带灯和硅碳棒的标准值，选择在对应的波段信号最佳的标准红外辐射源；根据人工输入五块衍射光栅和滤光片所覆盖的波长范围，选择符合测量波长要求的衍射光栅和滤光片。具体操作过程是，根据数字电压表和数据采集卡最终的输出信号值对信号涉及的各测量硬件进行反复调试，将获得最佳输出信号时所对应的各测量硬件的相关参数和位置数据进行存储，供光谱辐射亮测量模块和光谱响应度测量模块调用。
图6是模块2即光谱辐射亮度测量模块的工作流程，该模块能够控制完成红外辐射源光谱辐射亮度的测量与计算。测量时，首先人工输入被测红外辐射源的波长范围λ1～λj、采样次数N、波长间隔Δλ，该模块根据输入的信息调用模块1进行硬件初始化设置。根据软件的设置，首先对标准红外辐射源进行测量。针对第一个波长点λ1，根据测量参数的设置，该模块调用模块1进行硬件选配，并且存储所选硬件的数据；命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号l(λ1)混，命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号l(λ1)背，用公式l(λ1)标1＝l(λ1)混-l(λ1)背，计算出标准红外辐射源在第一个波长点λ1的实测信号值l(λ1)标1；将上述过程重复N-1次后，将获得的N个实测信号之求取平均值，得到在波长点λ1时标准红外辐射源的测量值l(λ1)标。同样，再针对第二个、第三个、……第j个波长点λ2、λ3、……、λj重复上述测量步骤(在波长点序列中，每个相邻波长点的波长相差Δλ)，最终可以得到标准红外辐射源与j个波长点对应的一组测量值l(λj)标。在测量过程中，该模块可以将每个波长点对应的测量值以列表形式存入计算机的硬盘中(参见图6中的表一)。接着，采用与测量标准红外辐射源相同的测量步骤对被测红外辐射源进行测量，同样获得被测红外辐射源与j个波长点对应的一组测量值l(λj)测，并以列表形式存入计算机的硬盘中(参见图6中的表二)。最后，根据公式计算被测红外辐射源的光谱辐射亮度； 式中，L(λj)标是测量中所用标准红外辐射源的光谱辐射亮度，该值为已知值。最后，根据公式计算光谱辐射亮度在不同波长处λj的测量不确定度。
图7是模块3即红外光谱响应度测量模块的测量流程。该模块可以控制完成红外探测器光谱响应度的测量与计算。测量时，首先人工输入被测红外探测器的波长范围λ1～λj、采样次数N、波长间隔Δλ，计算机根据输入的信息调用模块1进行硬件初始化设置。根据软件的编制先对标准红外探测器进行测量，针对第一个波长点λ1，光谱响应度测量模块根据测量参数的设置，调用模块1进行硬件选配并且存储所选硬件的数据；命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号i标11混，再命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号i标11背，根据公式i标11＝i标11混-i标11背，计算出标准红外探测器在波长点λ1的实测信号值i标11；将上述过程重复N-1次后，将获得的N个实测信号值求取平均，得到在波长点λ1时标准红外探测器的测量值i标1。同样，再针对第二个波长点、第三个波长点、……第m个波长点λ2、λ3、……、λm重复上述测量步骤(在波长点序列中，每个相邻波长点的波长相差Δλ)，最终可以得到标准红外探测器与m个波长点对应的一组测量值i标m。在测量过程中，该模块可以将每个波长点对应的测量值以列表形式存入计算机的硬盘中(参见图7中的表三)。接着，采用与测量标准红外探测器相同的测量步骤对被测红外探测器进行测量，同样获得被测红外探测器与m个波长点对应的一组测量值i测m，并以列表形式存入计算机的硬盘中(参见图7中的表四)。然后根据公式 计算出一组S(λm)测，式中，S(λm)标是测量中所用的标准红外探测器的光谱响应度，该值为已知值。最后对一组S(λm)测值进行归一化处理，即设S(λm)测max为1，将其余的S(λm)测与S(λm)测max相比之后，绘制出被测红外探测器在整个波段的光谱响应度曲线。
图8是模块4即浏览、绘图和打印模块的操作流程图。该模块包括了对测量结果的浏览，根据需要选择输出参数、输出格式(包括图形和表格)，并进行打印。
权利要求
1.一种红外辐射传递标准综合测量系统，包括一组标准红外辐射源，前置光学系统，含有滤光组件、双单色仪、斩波器、电动快门的分光系统，后置光学系统，一组标准红外探测器，含有数据采集与处理系统、控制电路的计算机控制系统，第一精密移动平台，若干个调节支架，用于测量红外探测器的光谱响应度的光路为标准红外辐射源发出的光辐射信号依次经过前置光学系统、分光系统、后置光学系统后分别成像在标准红外探测器或被测红外探测器的接收面上；其特征在于还包括用于调试光谱辐射亮度测量光路的光路准直器，第二精密移动平台；所述的第一精密移动平台上至少安装两个调节支架，所述的标准红外辐射源放置在第一调节支架上，而被测红外辐射源则放置在第二调节支架上；所述的第二精密移动平台上至少安装有三个调节支架，所述的光路准直器、标准红外探测器分别放置在第三、第四调节支架上，被测红外探测器则放置在第五调节支架上；用于测量红外辐射源光谱辐射亮度的光路为标准红外辐射源或被测红外辐射源发出的光辐射信号经前置光学系统后到达所述的分光系统，经分光系统变为单色辐射后再经后置光学系统成像在标准红外探测器的接收面上，标准红外探测器将此光信号转换成电压信号并输出；所述标准红外探测器或被测红外探测器将接收到的光信号转换成电压信号并输出；所述计算机控制系统的主要功能是设置与调试红外辐射传递标准综合测量系统中的相关测量硬件，并控制红外辐射传递标准综合测量系统自动完成红外辐射源光谱辐射亮度或红外探测器光谱响应度的测量；所述控制电路含有用于驱动第一、第二精密移动平台的驱动电路，快门驱动电路，滤光片驱动电路，斩波器驱动电路，双单色仪驱动电路，这些驱动电路根据计算机指令控制相关硬件的状态或位置；所述的数据采集与处理系统含有计算机、数字电压表、锁相放大器，计算机内置有数据采集卡以及硬件设置与调试模块、红外光谱辐射亮度测量模块、光谱响应度测量模块、浏览、绘图与打印模块；所述硬件设置与调试模块的功能是设置并存储所述标准红外辐射源、被测红外辐射源、标准红外探测器、被测红外探测器、滤光组件、双单色仪的初始位置，根据测量需要对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配并存储相关数据；所述光谱响应度测量模块的功能是自动完成红外探测器的光谱响应度测量；所述红外光谱辐射亮度测量模块的功能是自动完成红外辐射源的光谱辐射亮度测量；所述浏览、绘图与打印模块的功能是显示或打印测量结果。
2.根据权利要求1所述的红外辐射传递标准综合测量系统，其特征在于所述的一组标准红外辐射源包括三个钨带灯和两个硅碳棒，其中，钨带灯的波长范围为0.7～3μm，硅碳棒的波长范围为1～14μm。
3.根据权利要求1、2所述的红外辐射传递标准综合测量系统，其特征在于所述的一组标准红外探测器包括两个腔体热释电探测器、两个InGaAs探测器、两个InSb探测器，腔体热释电探测器可以作为全波段红外光谱响应度测量的标准红外探测器，也可以作为全波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器，InGaAs探测器、InSb探测器分别作为0.8～1.8μm、3～5μm波段红外光谱辐射亮度测量的标准红外探测器。
4.一种采用权利要求1所述红外辐射传递标准综合测量系统进行光谱辐射亮度测量的方法包括以下步骤(1)接通所述光路准直器的电源，手动第二精密移动平台使光路准直器位于所述光谱辐射亮度测量光路的像面中，手动第三调节支架使光路准直器的准直光束中心位于像面中心，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置数据；(2)手动第一精密移动平台，使所述被测红外辐射源位于所述光谱辐射亮度测量光路中，且使通过光谱辐射亮度测量光路逆向传输的准直光束位于其中心位置；(3)关闭所述光路准直器电源，接通被测红外辐射源的电源，手动第二调节支架，使被测红外辐射源输出的红外辐射清楚地成像于所述分光系统的中心处，并充满双单色仪的入缝，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置数据；(4)手动调整第一、第二精密移动平台，使缺省标准红外辐射源、缺省标准红外探测器分别位于所述光谱辐射亮度测量光路的物面、像面；(5)通过所述计算机的主界面启动设置与调试模块，该模块对所述红外辐射传递标准综合测量系统各测量硬件的初始位置、工作状态进行检查与调试，确保缺省标准红外辐射源的光辐射充满双单色仪的入缝处，缺省标准红外探测器位于光谱辐射亮度测量光路的像点处；(6)通过所述计算机的主界面启动所述光谱辐射亮度测量模块，人工向该模块输入被测红外辐射源的波长范围λ1～λj、波长间隔Δλ、采样次数N三项参数；(7)所述光谱辐射亮度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱辐射亮度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；(8)所述光谱辐射亮度测量模块命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号l(λ1)标混，命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号l(λ1)标背，根据公式l(λ1)标1＝l(λ1)标混-l(λ1)标背，计算出标准红外辐射源在λ1波长点的实测信号值l(λ1)标1；(9)重复第(8)步骤N-1次，获得标准红外辐射源在λ1波长点的一组实测信号值l(λ1)标2～l(λ1)标N；所述的光谱辐射亮度测量模块对N个实测信号值l(λ1)标1～l(λ1)标N进行平均，得出所述标准红外辐射源在λ1波长点的测量值l(λ1)标；(10)针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第(7)步骤至(9)步骤，直至获得标准红外辐射源在λ2～λj波长范围内的一组测量值l(λ2)标～l(λj)标；(11)所述光谱辐射亮度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1和被测红外辐射源，对标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱辐射亮度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；(12)所述的光谱辐射亮度测量模块命令快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取被测红外探测器输出的混合信号l(λ1)混，命令驱动电路关闭快门，读取被测红外探测器输出的背景信号l(λ1)背，根据公式l(λ1)测1＝l(λ1)测混-l(λ1)测背，计算出被测红外辐射源在λ1波长点的实测信号值l(λ1)测1；(13)重复第(12)步骤N-1次，获得被测红外辐射源在λ1波长点的一组实测信号值l(λ1)测2～l(λ1)测N；所述光谱辐射亮度测量模块对N个实测信号值l(λ1)测1～l(λ1)测N进行平均，得出被测红外辐射源在λ1波长点的测量值l(λ1)测；(14)针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第(11)步骤至(13)步骤，直至获得被测红外辐射源在λ2～λj波长范围内的一组测量值l(λ2)测～l(λj)测值；(15)所述光谱辐射亮度测量模块根据内置公式 计算被测红外辐射源在λ1～λj波长范围内的一组光谱辐射亮度L(λj)测值，式中L(λj)标为所用标准红外辐射源的光谱辐亮度值；(16)光谱辐射亮度测量模块调用所述浏览、绘图与打印模块，后者根据用户选择，可以用图形模式也可以用表格模式显示或输出测量结果。
5.一种采用权利要求1所述红外辐射传递标准综合测量系统进行光谱响应度测量的方法包括以下步骤(17)手动第二精密移动平台使被测红外探测器位于所述光谱响应度测量光路中，手动第五调节支架，使被测红外探测器的中心位于光谱响应度测量光路中的像点处，所述计算机中的硬件设置与调试模块记录并存储该位置；(18)手动第二精密移动平台，使缺省标准红外探测器位于所述光谱响应度测量光路中；(19)通过所述计算机的主界面启动硬件设置与调试模块，该模块对所述红外辐射传递标准综合测量系统各相关测量硬件的初始位置、工作状态进行检查与调试，确保缺省标准红外辐射源的辐射充满双单色仪的入缝处，缺省标准红外探测器位于光谱响应度测量光路的像点处；(20)通过所述计算机主界面启动所述光谱响应度测量模块，人工向该模块输入被测红外探测器的波长范围λ1～λj、波长间隔Δλ、采样次数N三项参数；(21)所述光谱响应度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1对标准红外辐射源、标准红外探测器、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱响应度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；(22)所述光谱响应度测量模块命令所述快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取标准红外探测器输出的混合信号i标11混，再命令驱动电路关闭快门，读取标准红外探测器输出的背景信号i标11背，并根据公式i标11＝i标11混-i标11背计算出标准红外探测器在λ1波长点的实测信号值i标11；(23)重复第(22)步骤N一1次，获得标准红外探测器在λ1波长点的一组实测信号值i标12～i标1N，光谱响应度测量模块对N个实测信号值i标11～i标1N进行平均，得出标准红外探测器在λ1波长点的测量值i标1；(24)针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λj＝λj-1+Δλ个波长点重复第(21)步骤至(23)步骤，直至获得标准红外探测器在λ2～λm波长范围内的一组测量值i标2～i标m值；(25)所述光谱响应度测量模块调用所述硬件设置与调试模块进行初始化设置，后者针对第一个波长点λ1和被测红外探测器，对标准红外辐射源、双单色仪中的光栅及光栅位置、滤光组件中的滤光片进行选配，控制相关驱动电路将所选的测量硬件移至到光谱响应度测量光路中，并存储所选测量硬件的相关数据；(26)所述的光谱响应度测量模块命令所述快门驱动电路打开快门、斩波器，并通过数字电压表和数据采集卡读取被测红外探测器输出的混合信号i测11混，再命令驱动电路关闭快门，读取被测红外探测器输出的背景信号i测11背，根据公式i测11＝i测11混-i测11背计算出被测红外探测器在λ1点的实测信号值i测11；(27)重复第(26)步骤N-1次，获得被测红外探测器在λ1波长点的一组实测信号值i测12～i测1N，光谱响应度测量模块对N个实测信号值i测11～i测1N进行平均，得出被测红外探测器在λ1波长点的测量值i测1；(28)针对λ2＝λ1+Δλ、λ3＝λ2+Δλ、……、λm＝λm-1+Δλ个波长点重复第(25)步骤至(27)步骤，直至获得被测红外探测器在λ2～λm波长范围内的一组测量值i测2～i测m值；(29)所述光谱响应度测量模块根据公式 计算并进行归一化处理，获得被测红外探测器的一组光谱响应度S(λm)测值，式中，S(λm)标为所选标准红外探测器的已知光谱响应度值；(30)光谱响应度测量模块调用所述浏览、绘图与打印模块，后者根据用户选择，可以用图形模式也可以用表格模式显示或输出测量结果。
全文摘要
本发明公开了一种红外辐射传递标准综合测量系统及其测量方法，该装置在专用光谱响应度测量系统的基础上，增加了光路准直器和一个精密移动平台及相应的标准红外辐射源，并采取共用光学系统及控制系统的方式，实现了在一台测量系统上既可以进行红外探测器光谱响应度的测量与标定，又可以进行红外辐射源光谱辐射亮度的测量与标定；此外，通过相应的测量软件，使光谱响应度和光谱辐射亮度这两种测量过程全由计算机自动控制完成。本发明最大程度地实现了资源共享、降低了成本，而且自动化程度高，测量简单，精度高。
文档编号G01M11/00GK1877268SQ200610041990
公开日2006年12月13日 申请日期2006年3月30日 优先权日2006年3月30日
发明者占春连, 刘建平, 张辉, 李正琪, 吕春丽, 赵宝珍, 卢飞, 陈超 申请人:中国兵器工业第二○市电子三路西段9号