用于点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统的制作方法

本发明属于星敏感器、空间光学遥感成像相机等空间光学仪器光学性能测试领域，具体涉及一种用于空间光学仪器点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统。

背景技术：

光学系统杂散光抑制能力是评价光学系统性能的一项重要指标，尤其对执行深空探测、空间遥感等任务的空间光学仪器，杂散光抑制能力直接关系到所执行任务的成败。目前，对于通用光学镜头采用黑斑法进行杂散光测试，用杂散光系数来评价。这种方法对照相、摄影等光学镜头比较适合，但对空间遥感、深空探测领域使用的空间光学仪器，其使用目的和使用场景都不同于地面上使用的照相摄影镜头，尤其对星敏感器这类观星的空间光学仪器而言，黑斑法模拟的测试场景不符合它们的实际使用场景，用黑斑法测试光学系统杂散光系数，不能直接准确的评价它们在真实使用状况下所能达到的观测能力。

目前光学系统结构设计时普遍采用杂光设计分析软件对杂散光抑制能力进行分析，软件中使用点源透射比(Point Source Transmission-PST)作为分析评价的指标。点源透射比的定义为：由离轴角为φ的点源引起的探测器辐照度E_d和在垂直于该点源的输入孔径上的辐照度E_i之比。

光学系统设计时，按指标要求能探测到的极限星等计算某个离轴角时的PST值，并规定PST值的限量，这种分析设计原则符合星敏感器等空间光学仪器的使用方式。因此，可以采用同样原理对空间光学仪器的杂散光抑制能力进行测试，为此需要研制基于点源透射比法的杂散光测试设备。

基于PST的杂散光测试设备主要组成包括太阳光源模拟系统、光束准直系统、光陷阱系统、宽动态光电探测系统、远程控制及调整机构、环境保障系统，测试原理如图1所示。其中宽动态光电探测系统采用三个光电探测装置1、2、3实现PST所需参数的测试，包括空间光学系统像面处的辐照度E_i和垂直于被测光学系统入瞳处的辐照度E_d，并监测用于背景噪声修正的背景杂散光。要求光电探测装置最低辐照度探测阈值优于10^-7W/m²，探测动态范围优于10⁹，因此要求光电探测系统具有极宽的线性探测范围和微弱信号探测能力。

技术实现要素：

本发明要解决现有探测装置探测量程不够、采用不同类型的光电探测器组合测试过程出现非线性的技术问题，提供一种具有极宽的线性探测范围和微弱信号探测能力，能够同时探测空间光学仪器入瞳处辐照度、像面处的辐照度，以及背景杂散光信号，并完成PST计算的用于点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统。该宽动态光电探测系统同时采用三个探测器进行探测，并实现远程自动量程开关切换和数据采集，减少测试人员进出给测试环境带来的尘埃散射噪声对测试精度的影响。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种用于点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统，包括：

分别测试空间光学仪器入瞳处辐照度、像面处辐照度、以及监测背景杂散光的三个相同的宽动态光电探测装置；

按照20Hz的频率通过RS422接口采集三个所述宽动态光电探测装置的探测数据的数据采集计算机U7；

所述宽动态光电探测装置包括设置在屏蔽金属外壳U8内的光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、直流稳压电源U5和量程选择开关电路U6；

所述光电转换电路U1与I-V转换电路U2连接，所述I-V转换电路U2与AD转换电路U3连接，所述AD转换电路U3与控制单元U4连接，所述直流稳压电源U5与I-V转换电路U2、AD转换电路U3和控制单元U4连接，所述量程选择开关电路U6与I-V转换电路U2和控制单元U4连接；

所述光电转换电路U1将光信号转换为电流信号；I-V转换电路U2将电流信号变为电压信号并进行放大；AD转换电路U3将电压信号降压处理后进行模数转换，变为数字信号；控制单元U4读取该数字信号通过RS422接口送至数据采集计算机U7计算PST并显示、记录；数据采集计算机U7通过控制单元U4控制量程选择开关电路U6开闭实现辐照度宽动态测量；屏蔽金属外壳U8用于减少外部电磁和背景杂散光干扰；直流稳压电源U5为所述宽动态光电探测装置提供电源。

在上述技术方案中，所述光电转换电路U1采用硅光二极管作为光电探测器件。

在上述技术方案中，所述I-V转换电路U2包括集成运算放大器A1、反馈网络和滤波电容C1、C2；所述集成运算放大器A1的反相输入端接输入信号也即光电转换电路U1阴极，同相输入端接地，输出端接AD转换电路U3输入端；反馈网络由反馈电阻R1、R2、R3、R4、R5与量程选择开关电路U6中的继电器开关电路串联后并联组成，一端接集成运算放大器A1反相输入端，另一端接集成运算放大器A1输出端。

在上述技术方案中，所述AD转换电路U3包括降压电路、电压跟随器、A/D芯片AD1和高精度参考电压源AD2；所述降压电路采用电阻R6、R7串联分压方式实现线性降压，将0～10V的A1输出电压降至0～2.5V；所述电压跟随器的运算放大器A2同相输入端接降压电路输出，反相输入端接运算放大器A2输出，运算放大器A2输出接A/D芯片AD1的模拟信号输入引脚AIN2；所述高精度参考电压源AD2的电压输出端接A/D芯片AD1的引脚REF IN(+)，高精度参考电压源AD2接地引脚与A/D芯片AD1的引脚REF IN(-)连接后接地；A/D芯片AD1的引脚SCLK、DOUT、DIN分别与控制单元U4的引脚SPICLKA、SPISOMIA、SPISIMOA连接，实现SPI接口的数据通讯，将模数转换后的数据发送至控制单元U4。

在上述技术方案中，所述电阻为高精度低温漂的精密贴片电阻，精度0.5％，25ppm/℃。

在上述技术方案中，所述量程选择开关电路U6包括5路继电器模块K1、K2、K3、K4、K5以及与上述5路继电器模块连接的光电耦合器，继电器模块采用常开模式，通过控制5路继电器模块开合实现不同反馈电阻接入，从而实现宽动态范围测量。

在上述技术方案中，所述屏蔽金属外壳U8的结构为全封闭结构，其材料为铝合金。

本发明的有益效果是：

本发明提出的用于点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统通过三个宽动态光电探测装置实现辐照度10³W/m²～10^-7W/m²范围内的线性测量，探测动态范围优于10⁹，满足空间光学仪器PST法杂散光系数测试要求，对于研制专门的基于PST法杂散光测试设备具有重要意义。

本发明设计的I-V转换电路U2采用5级反馈电路并联以及量程开关自动切换，采用金属外壳屏蔽、电容滤波等方式抑制干扰噪声，能够准确实现从皮安级到毫安级电流的探测，弱电流探测分辨率达到飞安级，探测装置带有数据滤波、平滑处理算法，这对于微弱信号的测试同样具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是基于PST法的杂散光系数测试原理框图。

图2是本发明用于PST法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统原理框图。

图3是本发明光电转换电路U1、I-V转换电路U2部分的实施例电路图。

图4是本发明AD转换电路U3、控制单元U4部分的实施例电路图。

图5是本发明屏蔽金属外壳U8的实物照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明提供的用于点源透射比法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统，包括：

分别测试空间光学仪器入瞳处辐照度、像面处辐照度，以及监测背景杂散光的三个相同的宽动态光电探测装置；

数据采集计算机U7按照20Hz的频率通过RS422接口采集三个宽动态光电探测装置的探测数据；所述宽动态光电探测装置完成光电信号转换、放大和模数转换，主要由光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、直流稳压电源U5、量程选择开关电路U6、屏蔽金属外壳U8组成；

所述光电转换电路U1与I-V转换电路U2连接，所述I-V转换电路U2与AD转换电路U3连接，所述AD转换电路U3与控制单元U4连接，所述直流稳压电源U5与I-V转换电路U2、AD转换电路U3和控制单元U4连接，所述量程选择开关电路U6与I-V转换电路U2和控制单元U4连接；所述光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、直流稳压电源U5和量程选择开关电路U6设置在屏蔽金属外壳U8内；所述宽动态光电探测装置的辐照度探测阈值为10³W/m²～10^-7W/m²，探测动态范围优于10⁹，并在整个探测范围内具有良好的线性度。

所述光电转换电路U1将光信号转为电流信号并送至后续I-V转换电路U2进行处理。光电转换电路U1采用具有响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性的硅光二极管(Si Photodiode，PD)作为探测器件。

所述I-V转换电路U2实现微弱电流放大和I-V转换功能，包括集成运算放大器A1、反馈网络、滤波电容C1、C2；集成运算放大器A1的反相端输入端接输入信号也即光电转换电路U1阴极，同相输入端接地，输出端接AD转换电路U3输入端。反馈网络由反馈电阻R1、R2、R3、R4、R5与量程选择开关电路U6中的继电器开关电路串联后并联组成，一端接集成运算放大器A1反相输入端，另一端接集成运算放大器A1输出端。

所述AD转换电路U3完成电压信号预处理和模数转换，包括降压电路、电压跟随器、A/D芯片AD1和高精度参考电压源AD2。其降压电路采用电阻R6、R7串联分压方式实现线性降压，将0～10V的A1输出电压降至0～2.5V。为提高输出负载能力，电路中加入电压跟随器，电压跟随器的运算放大器A2同相输入端接降压电路输出，反相输入端接运算放大器A2输出，运算放大器A2输出接A/D芯片AD1的模拟信号输入引脚AIN2。高精度参考电压源AD2的电压输出端接A/D芯片AD1的引脚REF IN(+)。高精度参考电压源AD2接地引脚与A/D芯片AD1的引脚REF IN(-)连接后接地。A/D芯片AD1的引脚SCLK、DOUT、DIN分别与控制单元U4的引脚SPICLKA、SPISOMIA、SPISIMOA连接，实现SPI接口的数据通讯，将模数转换后的数据发送至控制单元U4。

所述控制单元U4包括数字信号处理芯片(Digital Single Processer，DSP)DSP1以及相关外围电路。DSP1通过SPI接口采集A/D芯片AD1输出的数字信号并预处理后，通过RS422接口送至数据采集计算机U7。DSP1通过IO接口控制量程选择开关电路U6中继电器开关的开合。DSP1预设低通滤波、中值滤波、多点平滑等数据预处理算法用于数据的预处理，预处理算法选择通过数据采集计算机U7远程控制。

所述直流稳压电源U5包括双极性直流稳压电源和电源处理网络。双极性直流稳压电源为运算放大器A1、A2提供高精度低纹波的±15V/1A电源，电源处理网络为AD转换电路U3、控制单元U4、量程选择开关电路U6提供5V/2A电源。

所述量程选择开关电路U6包括5路继电器模块K1、K2、K3、K4、K5以及与上述5路继电器模块连接的光电耦合器。继电器模块采用常开模式，通过控制5路继电器模块开合实现不同反馈电阻接入，从而实现宽动态范围测量。

所述屏蔽金属外壳U8包括电路安装盒和顶盖组成，安装盒内安装包括光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、量程选择开关电路U6，在安装盒前壁开孔，使光电转换电路U1感光面接收光信号。安装盒后端开孔固定接插件，用于直流稳压电源U5电源输入和控制单元U4的RS422通讯信号输出。屏蔽金属外壳U8采用铝合金材料，通过染黑处理减少杂散光漫反射，采用全封闭外壳，对外部电磁干扰源进行屏蔽，提高测试精度，图5为屏蔽金属外壳U8的实物图。

所述数据采集计算机U7通过RS422接口采集三路宽动态光电探测装置的信号(采集辐照度和背景杂散光值)，并进行PST计算、显示和数据记录、存储等。并具有量程选择和切换功能。

实施例

本发明用于PST法杂散光系数测试的宽动态光电探测系统，如图2所示，包括三个相同的宽动态光电探测装置1、2、3和数据采集计算机U7。宽动态光电探测装置主要包括光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、直流稳压电源U5、量程选择开关电路U6、屏蔽金属外壳U8。所述光电转换电路U1与I-V转换电路U2连接，所述I-V转换电路U2与AD转换电路U3连接，所述AD转换电路U3与控制单元U4连接，所述直流稳压电源U5与I-V转换电路U2、AD转换电路U3和控制单元U4连接，所述量程选择开关电路U6与I-V转换电路U2和控制单元U4连接；所述光电转换电路U1、I-V转换电路U2、AD转换电路U3、控制单元U4、直流稳压电源U5和量程选择开关电路U6设置在屏蔽金属外壳U8内。

数据采集计算机U7利用研华公司的CP-134U串行通讯卡采集宽动态光电探测装置1、2、3发送的探测数据。在数据采集计算机U7运行专门研发的数据采集和控制软件，采集空间光学仪器像面处的辐照度E_i和垂直于空间光学仪器入瞳处的辐照度E_d，按照下式计算PST：

PST＝E_d/E_i (1)

采用RS422接口适合远距离传输，测试时将宽动态光电探测装置1、2、3安装在杂散光测试实验室内的适当位置，具体位置参考图1。通过数据采集计算机U7对宽动态光电探测装置1、2、3进行数据采集和量程自动切换以及数据滤波预处理。

光电转换电路U1将光信号转为电流信号，并送至I-V转换电路U2进行I-V转换和放大，实施电路图如图3所示。光电转换电路U1采用日本滨松公司生产的PD，型号为S1226-8BK。为提高线性度、降低噪声(无散粒噪声)，PD工作在光伏模式。I-V转换电路U2将PD产生的光电流信号进行I-V转换并放大，在输出端输出电压信号。通过量程开关选择反馈电阻，进而实现放大倍率的改变。为实现10⁹的宽动态范围，反馈电阻R1、R2、R3、R4、R5阻值分别为100Ω、10kΩ、1MΩ、100MΩ、1GΩ。运算放大器A1选用美国Analog Devices公司的AD549K，TO-99密封封装。

如图4所示，AD转换电路U3采用电阻R6、R7串联分压方式进行降压处理，将A1输出0～10V的电压信号降至0～2.5V，满足A/D芯片AD1模拟输入要求。R6阻值为3kΩ，R7阻值为1kΩ。在降压电路输出端连接电压跟随器。电压跟随器的运算放大器A2选用超低失调电压OP07，选用工业级低温漂器件，TO-99密封封装。A/D芯片AD1将模拟电压信号进行采样并转为数字信号，为保证探测精度，AD1选择美国Analog Devices公司的24串行A/D模数转换器AD7714，单5V供电。AD7714采用24引脚的SOIC封装。AD2为高精度参考电压源，为AD7714提供基准电压，型号AD780。控制单元U4的DSP1采用美国TI公司的TMS320F2812。DSP1通过SPI接口采集AD7714发送的数据。控制单元U4的RS422接口芯片选择MAX488。

为减少反馈电阻热噪声，本发明所有电阻采用高精度低温漂的精密贴片电阻，精度0.5％，25ppm/℃。

为提高探测精度，在电路设计、PCB制作等方面专门进行了去噪、屏蔽处理。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。