近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，属光学计量【技术领域】。该装置包括用于标定光栅光谱仪的光源组件，含有阵列光纤束的光纤组件，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机，含有平场凹面光栅和面阵EMCCD的光栅光谱仪；阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤；被测脉冲光源发出的脉冲光束经光纤组件、狭缝后被平场凹面光栅色散，色散光聚焦到面阵EMCCD的光敏面上而形成n行线光谱，计算机采集n行线光谱并根据光谱辐亮度计算公式获得被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度值，并在计算机屏幕上显示单幅或多幅光谱辐亮度曲线。本发明解决了近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度的校准难题，具有广阔的应用前景。
【专利说明】近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置
【技术领域】
[0001]本发明属于光学计量【技术领域】，主要涉及一种光源光谱辐亮度校准装置，尤其涉及一种近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度校准装置。
【背景技术】
[0002]近年来，近红外脉冲光源广泛应用于军用侦察和制导等领域，近红外脉冲光源包括脉冲氙灯、半导体脉冲激光器等，为目标探测提供主动照射光，目标的反射光包含了近红外波段0.9 μ m?1.1 μ m的特征光谱，被军用侦察或制导设备接收和处理，实现目标识别。为保证侦察和制导设备具有更好的反侦察能力，要求近红外脉冲光源辐亮度越来越弱，低于10_6W/cm2 -sr -nm量级。因此，在近红外脉冲光源的研制、生产和应用过程中，需要对脉冲光源的弱光光谱辐亮度参数进行校准，分析在其脉冲宽度内光谱辐亮度随时间的变化，为使用脉冲微弱光源的侦察设备提供光谱辐亮度量值计量保障。
[0003]目前，传统的近红外脉冲光源波长、辐亮度校准装置适用于10_5W/cm2.sr.nm量级以上的强光光源光谱辐亮度校准。国内西安应用光学研究所研制的瞬态光谱辐射量标准装置，其核心部件近红外光谱仪采用线阵C⑶探测器。该探测器由512列像元排列成一行，按像元排列顺序依次输出所测光源的波长值，可测量高于10_5W/Cm2.sr.nm量级脉冲光源的光谱福亮度。英国Andor Technology公司型号为SR500i_Bl的近红外光谱仪，采用光纤入射，平面闪耀光栅色散后，在EMCCD上聚焦为单行线光谱。在该仪器中，由于EMCCD探测器工作在制冷条件下，相比于采用非制冷的线阵CCD探测器的光谱仪，其光谱测试灵敏度较高；但是该仪器需配备准直反射镜和聚焦反射镜等光学系统，造成不必要的能量损失。此外，该仪器可测试得到近红外波段范围0.9 μ m?1.1 μ m的相对光谱辐射测量曲线，未见给出该近红外波段的绝对光谱辐亮度的报道。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置包括光源组件，光纤组件，光栅光谱仪，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机。所述光栅光谱仪含有滤光片、狭缝、平场凹面光栅、面阵EMCCD ;所述光源组件包含一维移动平台，用于标定光栅光谱仪的高温黑体、白光光源、高压汞灯和脉冲开关，高温黑体、白光光源和高压汞灯一字排列安装在一维移动平台上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台使高温黑体、白光光源、高压汞灯的发光面的中心逐个对准脉冲开关的中心，脉冲开关的中心与所述耦合透镜的中心正对；
[0006]所述稱合透镜为凸透镜，所述阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有η根按一字排列的光纤，η > 10，η的取值取决于所述狭缝的长度；耦合透镜通过光纤连接器与阵列光纤束的输入端相连；阵列光纤束和狭缝长度相同且平行正对，平场凹面光栅的刻线方向与阵列光纤束和狭缝的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD的长度方向一致；
[0007]当对被测脉冲光源校准时，将被测脉冲光源放置在一维移动平台上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜的中心；被测脉冲光源发出的脉冲光束经率禹合透镜I禹合到阵列光纤束的输入端，由阵列光纤束输出端出射的一列光束照射到滤光片上，经滤光后到达狭缝，由狭缝出射的光束入射到平场凹面光栅上；光束经平场凹面光栅色散后聚焦到面阵EMCCD的光敏面上并形成η行线光谱，面阵EMCCD将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机；
[0008]计算机带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数:其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λ j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵EMCXD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数Κ( λ P数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵EMCXD像元列j所对应的标准光谱辐亮度LrcU P数据表；
[0009]光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块:
[0010]所述菜单模块的功能是在显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口 ；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；
[0011]所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD —个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi (j)转换为随波长λ/变化的背景电压测试信号νΜ(λρ，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ,变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD —个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号Va (`j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号Va (j)转换为随波长λ j变化的脉冲光源测试信号Va (Aj),并在菜单模块的显示窗口中显示随波
长入」变化的脉冲光源电压测试曲线；其中:i=l、2.........n，i表示面阵EMC⑶中成像区
域的像元行数，η取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光
纤的输出光束一一对应表示面阵EMCXD中成像区域的像元列数，j=l、2.........J，J取
决于光束经平场凹面光栅色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λ j表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMC⑶在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBim(j)转换为随波长Aj变化的背景测试信号VBim( λ ρ，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号Vam(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号Vam(j)转换为随波长λ ^变化的脉冲光源测试信号ναπ(λ p，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长\变化的脉冲光源电压测试曲线；其中:m=l、2...........M，m为面阵EMCXD的积分周期数，M= τ /T，T为面阵EMCXD的积分周期；[0012]计算模块功能是:在单光谱采集选项下，当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L ( λ P，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线:
【权利要求】
1.一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，包括光源组件(I)，光栅光谱仪(3)，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机(4)，其特征在于:还包括含有耦合透镜(2-1)和阵列光纤束(2-2)的光纤组件(2)，所述光栅光谱仪(3)含有滤光片(3-1)、狭缝(3-2)、平场凹面光栅(3-3)、面阵EMCCD(3-4);所述光源组件(I)包含一维移动平台(1_6)，用于标定光栅光谱仪(3)的高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)和脉冲开关(1-5)，高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)和高压汞灯(1-3) —字排列安装在一维移动平台(1-6)上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台(1-6)使高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)的发光面的中心逐个对准脉冲开关(1-5)的中心，脉冲开关(1-5)的中心与所述耦合透镜(2-1)的中心正对； 所述耦合透镜(2-1)为凸透镜，所述阵列光纤束(2-2)的输入端为单根光纤，输出端含有η根按一字排列的光纤，10，n的取值取决于所述狭缝(3_2)的长度；耦合透镜(2_1)通过光纤连接器与阵列光纤束(2-2)的输入端相连；阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)长度相同且平行正对，平场凹面光栅(3-3)的刻线方向与阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD (3-4)的长度方向一致； 当对被测脉冲光源(1-4)校准时，将被测脉冲光源(1-4)放置在一维移动平台(1-6)上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜(2-1)的中心；被测脉冲光源(1-4)发出的脉冲光束经耦合透镜(2-1)耦合到阵列光纤束(2-2)的输入端，由阵列光纤束(2-2)输出端出射的一列光束照射到滤光片(3-1)上，经滤光后到达狭缝(3-2)，由狭缝(3-2)出射的光束入射到平场凹面光栅(3-3)上；光束经平场凹面光栅(3-3)色散后聚焦到面阵EMCCD (3-4)的光敏面上并形成η行线光谱，面阵EMCCD (3-4)将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机(4)； 计算机(4)带有存储器 和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数:其中，波长标定数据库为通过高压汞灯(1-3)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体(1-1)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数Κ( λ J数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源(1-2)获得的面阵EMCXD像元列j所对应的标准光谱辐亮度LccU P数据表；光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块: 所述菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口 ；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线； 所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD —个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi (j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长λ ^变化的背景电压测试信号VBi (Aj),并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD —个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号Va U)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号Va (j)转换为随波长λ J变化的脉冲光源测试信号Va (Aj),并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中:i=l、2、.......、n, i表示面阵EMCXD中成像区域的像兀行数，η取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量,即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCXD中成像区域的像元列数，j=l、2.........J，J取决于光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λ j表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBim(j)转换为随波长入j变化的背景测试信号VBim (Aj),并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ J变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号VMm(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号Vam(j)转换为随波长λ ^变化的脉冲光源测试信号ναπ(λ p，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长\变化的脉冲光源电压测试曲线；其中:m=l、.2...........M，m为面阵EMCXD的积分周期数，M= τ /T，T为面阵EMCXD的积分周期； 计算模块功能是:在单光谱采集选项下，当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L ( λ P，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线.
2.根据权利要求1所述的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，其特征在于:所述平场凹面光栅(3-3)的波段范围为0.9 μ m~1.1 μ m，色散后光谱面的宽度为25.3830mm ;所述狭缝(3-2)的宽度为10 μ m ;所述面阵EMCXD (3-4)的像元尺寸为16 μ mX 16 μ m，取n=19，J=1587, T=0.6mso`
【文档编号】G01J3/28GK103776531SQ201410001652
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月1日 优先权日:2014年1月1日
【发明者】李宏光, 袁良, 刘瑞星, 俞兵, 杨鸿儒, 韩占锁, 吴宝宁 申请人:西安应用光学研究所