一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统及其设计方法

本发明涉及光学系统及其设计方法，具体涉及一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统及其设计方法。

背景技术：

1、空间飞行器在轨运行时，需要面临不同复杂程度的空间环境背景影响，为了保证其正常工作，需对某些空间场景进行精确的地面模拟，其关键在于背景的功率需求及目标的光谱特性。在对目标识别以及进行关键信息提取时，为防止模拟光源自身的光谱差异性导致模拟结果出现偏差，需对光源的光谱特性进行整形匀化；其次，在某些特殊空间背景下的辐射强度为定值，因此在地面模拟时需对系统输出功率予以设计，例如：模拟大气层外的太阳辐射强度、模拟卫星通信时接收端的信号强度等。

2、传统的宽谱段模拟光源一般为卤素灯(如氙灯等)和led两种，经常用于匹配目标光谱时(如太阳)，重点考虑不同波段内的辐照度比例达到标准要求，不考虑光源辐亮度随不同波长的变化影响；但随着所需要进行模拟的目标环境越来越复杂，宽谱段、高功率等激光光源应用越来越广泛。对于宽谱段、高功率激光器而言，其输出光为宽谱段激光，每个波长对输出光斑的光谱贡献不同，导致每个波长的光的光谱透过率不同，并且随着其输出激光功率的增加，其光谱特性也随之变化，会对最终的分析结果造成影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有宽谱段模拟光源重点考虑不同波段内的辐照度比例需达到标准要求，而忽略光源辐亮度随不同波长的变化影响，导致无法实现复杂环境下空间光谱均匀目标模拟的不足之处，而提供一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统及其设计方法。

2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

3、一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的光源模块、光谱匀化模块、衰减模块和目标模拟模块；

4、所述光谱匀化模块包括沿光路依次设置的准直镜、光谱匀化滤光片、聚焦镜，所述准直镜用于对光源模块输出光束进行准直，所述光谱匀化滤光片用于匀化准直镜输出光束的光谱强度差异；所述聚焦镜用于会聚光谱匀化滤光片输出光束；

5、所述衰减模块用于对光谱匀化模块的输出光束进行衰减，以输出特定功率的光束；

6、所述目标模拟模块用于对衰减模块的输出光束进行准直，以输出无穷远的需求尺寸的光学目标。

7、同时，本发明还提供一种上述特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统的设计方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

8、步骤1、选择光源模块的工作波段λ和输出功率p；

9、所述工作波段λ大于等于待模拟目标的光谱范围[λ1，λ2]，所述输出功率p满足：光源模块的输出光束通过后续各模块后的系统输出功率y大于等于需求最大功率的两倍；

10、步骤2、设计光谱匀化滤光片及光谱匀化模块；

11、步骤2.1、获取光源模块的光谱辐亮度与工作波段λ和输出功率p的关系l(λ，p)；

12、步骤2.2、计算光谱匀化滤光片在光谱范围[λ1，λ2]的理想透过率曲线；

13、步骤2.3、根据步骤2.2的理想透过率曲线得到镀膜容差曲线；

14、步骤2.4、加工镀膜得到光谱匀化滤光片，并评估光谱匀化滤光片的性能，记录加工误差；

15、步骤3、建立不含衰减模块的所述光谱均匀目标模拟系统；

16、步骤4、测量步骤3建立的光谱均匀目标模拟系统的系统输出功率y1，并对光源模块的输出功率p、系统输出功率y1进行曲线拟合，得到y1＝f(p)；

17、步骤5、在步骤3建立的光谱均匀目标模拟系统中添加衰减模块；

18、步骤6、设计衰减模块各衰减片透过率；

19、步骤7、测量步骤5建立的光谱均匀目标模拟系统的系统输出功率y2＝f(p)×t；其中，t为衰减模块透过率；

20、步骤8、计算步骤5建立的光谱均匀目标模拟系统的系统光谱功率占比τ；

21、步骤9、通过切换衰减模块的衰减片与控制光源模块的输出功率p，使光谱均匀目标模拟系统实现特定连续功率范围的光谱均匀无穷远的目标模拟，最终系统输出功率y3＝f(p)×t×τ。

22、进一步地，所述步骤2.2具体为：

23、步骤2.2.1、对输出功率p的范围进行离散区间分割，得到由小到大排列的i个输出功率点构成的集合；

24、步骤2.2.2、将集合中的第1个输出功率点在光谱范围[λ1，λ2]内的光谱辐亮度作为初值，计算对应的初始透过率曲线；

25、步骤2.2.3、依次将步骤2.2.1集合中的剩余输出功率点在光谱范围[λ1，λ2]内的光谱辐亮度代入步骤2.2.2初始透过率曲线，计算各输出功率点对应光谱均匀性，得到满足预设光谱均匀性要求的输出功率点，确定步骤2.2.2初始透过率曲线对应的功率适用性范围；

26、步骤2.2.4、判断是否已经得到i个初始透过率曲线对应的功率适用性范围，若是，则执行步骤2.2.5，否则，返回步骤2.2.1，并删除步骤2.2.1集合中的第1个输出功率点，将第2个输出功率点作为第1个输出功率点后，执行步骤2.2.2；

27、步骤2.2.5、选择最大的功率适用性范围p1～p2对应的初始透过率曲线作为光谱匀化滤光片在光谱范围[λ1，λ2]的理想透过率曲线。

28、进一步地，所述步骤2.4具体为：

29、步骤2.4.1、利用镀膜软件进行膜系设计，并进行加工镀膜，得到光谱匀化滤光片；

30、步骤2.4.2、使用分光光度计对光谱匀化滤光片的透过率曲线进行测试，通过光谱匀化滤光片在光谱范围[λ1，λ2]对应的实际透过率与镀膜容差曲线最大容差和镀膜容差曲线最小容差均方根误差的均值量化镀膜误差；

31、步骤2.4.3、利用光谱辐射度计对光谱匀化滤光片的光谱匀化效果进行测试，使用不同输出功率点在光谱范围[λ1，λ2]的光谱均匀性的均值代表系统光谱均匀性进行总体评估，记录加工误差，具体如下：

32、

33、其中i代表第i个输出功率点，j代表光谱范围[λ1，λ2]内第j个波长点，tij代表第i个输出功率点条件下光谱范围[λ1，λ2]内第j个波长点的光谱匀化滤光片的透过率，n代表测试时p1～p2范围内选取的光源模块输出功率点的个数。

34、进一步地，所述步骤4具体为：将离轴抛物面镜置于不含衰减模块的光谱均匀目标模拟系统的出光口前，使用光功率计在抛物面镜焦面位置测试系统输出功率y1，记录光功率计接收到的功率p3与光源模块的输出功率p；对抛物面反射镜反射率r进行标定，系统输出功率y1＝p3/r；

35、对光源模块的输出功率p、系统输出功率y1进行曲线拟合，得到y1＝f(p)。

36、进一步地，所述步骤6具体为：衰减模块共有n个衰减片，透过率分别为t1、t2……tn，各衰减片的透过率满足下式：

37、

38、其中，分别为使用第1个衰减片对应的最小系统输出功率和最大系统输出功率；分别为使用第2个衰减片对应的最小系统输出功率和最大系统输出功率；分别为使用第n个衰减片对应的最小系统输出功率和最大系统输出功率；α为待模拟目标要求的输出功率系数；n大于2。

39、进一步地，所述步骤8具体为：使用光谱辐射度计在光谱均匀目标模拟系统的出光口进行测试，计算光谱范围[λ1，λ2]内的光谱能量占比τ：

40、

41、其中n′代表光谱范围[λ1，λ2]内光源模块输出功率选取的点数。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

43、(1)本发明一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统，包括光源模块、光谱匀化模块、衰减模块和目标模拟模块，可在面临不同复杂程度的空间环境背景影响时对特定输出范围的功率进行精确模拟，并且可减小由于目标的光谱均匀性差异造成的结果分析误差。

44、(2)本发明一种特定输出功率的光谱均匀目标模拟系统的设计方法，与传统设计相比，充分考虑到光源辐亮度随不同波长的变化，更适用于大功率输出范围的光谱均匀目标模拟。此外，本发明光谱匀化滤光片的设计是针对每个工作波长点进行的，并通过容差控制设计来保证光谱匀化滤光片的实际可加工性。