本发明涉及光辐射测量和遥感器定标技术领域，尤其涉及一种基于超连续激光和单色仪的细分光谱扫描定标装置。
背景技术：
溯源于低温绝对辐射计，基于标准探测器的辐射传递链路是现阶段业界公认的一种高精度辐射定标技术链路。采用低温绝对辐射计可以获得标准传递探测器的绝对光谱功率响应度，采用辐亮度几何转换结构（如gershun管形式），可以由光谱功率响应度得到光谱辐亮度响应度，实现光谱辐亮度溯源至高精度光功率初级基准。
低温绝对辐射计是业界公认的当前精度最高的光功率辐射基准，但利用低温绝对辐射计传递光谱辐射信息时，需要使用单色光辐射作为激励光源。在对地观测遥感中，绝大多数的遥感器观测的辐射量值是光谱辐亮度信息，这就要求其测试光源应该是均匀的辐亮度面光源（例如，积分球面光源）。
目前能够提供单色光调谐输出的手段主要有两种：基于单色仪的色散技术和可调谐激光器技术。一般而言，辐射定标中使用的单色仪系统多为双单色仪，其单色光纯度较高和杂散光水平更低，更有利于提高定标的精度水平。现阶段应用于辐射定标的单色仪系统主要使用卤钨灯作为光源，卤钨灯光功率水平较低，加之单色仪系统自身效率低，导致单色仪系统仅能适用于遥感器的光谱定标和相对光谱（功率）响应度的定标，无法适用于遥感器的绝对光谱辐亮度响应度的定标。可调谐激光器具有光功率水平高，单色性好的特点，将激光导入到积分球中产生均匀的单色面光源，可以实现遥感器光谱辐亮度响应度的系统级定标，同时由于激光器优良的单色性，同样适用于遥感器的高精度光谱定标。目前国内外多个计量部门建立了基于可调谐激光器的辐射定标标准光源系统，例如美国国家标准技术局（nist），德国技术物理研究所（ptb）和中国科学院安徽光学精密机械研究所（aiofm）等。
采用单色光进行辐射传递、定标时，需要对遥感器进行通道扫描才能遍历遥感器的全部工作波段。单色仪技术成熟，便于程控操作，非常适用于光谱细分扫描，但目前仅能用于遥感器的光谱定标和相对光谱响应度定标；目前的可调谐激光器的波长调谐则更多依赖于专业的操作人员，自动化程度不高。如果进行光谱细分扫描，需要耗费大量的时间，定标周期较长。可调谐激光器成本较高，尤其是建立完全覆盖太阳反射波段的全激光覆盖，需要多种激光组合才能实现，还需要配备必要的辅助设备如波长计、功率计，光束质量分析仪，激光功率稳定器等。综合评估，需要数以百万、甚至千万计的资金投入。此外，激光器的运转对环境有较高的要求，如洁净度，室内温湿度等，激光器的操作、维护也需要专业人员实施。这些客观因素导致基于可调谐激光器的光谱扫描定标技术主要集中在专业、有实力的计量实验室中，不利于这种高精度定标技术的推广应用。
技术实现要素：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于超连续激光和单色仪的细分光谱扫描定标装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于超连续激光和单色仪的细分光谱扫描定标装置，包括有超连续激光光源、狭缝耦合光路、单色仪、单色仪输出准直镜、聚焦透镜、分束器、激光波长计、消相干积分球、电控平移台、标准辐亮度探测器和待定标设备，超连续激光光源经过其准直器输出宽波段激光，光束经过狭缝耦合光路之后耦合到单色仪的入射狭缝中，经过单色仪调谐之后，单色仪的出射狭缝中输出单色光，单色仪的出射狭缝位于单色仪输出准直镜的有效焦点处，经单色仪输出准直镜准直后，输出准直光束，准直光束经过聚焦透镜之后，光束再次聚焦，聚焦的光束经过光路后端的分束器，其表面反射一部分光束，这部分反射的光束聚焦到激光波长计的入射光纤端面上，激光波长计实时判读当前单色仪输出的波长和带宽；经聚焦透镜聚焦的光束的另一部分透过分束器，通过消相干积分球的入光口进入消相干积分球，所述的消相干积分球内设有旋转漫反射板、挡板和监视探测器，进入消相干积分球内的光落在旋转漫反射板上，并通过挡板防止旋转漫反射板的一次反射光直接从消相干积分球的出光口出射，经消相干积分球内部多次反射匀光后，从消相干积分球的出光口出射，监视探测器实时监视消相干积分球光源的稳定性，并根据消相干积分球内辐亮度的变化，反馈微调超连续激光的输出功率，所述的标准辐亮度探测器和待定标设备安装在电控平移台上，通过电控平移台移动切换，将标准辐亮度探测器和待定标设备的入光口分别正对消相干积分球的出光口，标准辐亮度探测器测量得到消相干积分球出光口的参考光谱辐亮度，通过与待定标设备的测量结果比对，实现基于标准探测器的替代辐射定标。
所述的超连续激光光源工作波段覆盖400-2400nm。
所述的狭缝耦合光路由三个离轴抛物面反射镜组成，分别是离轴抛物面反射镜一，离轴抛物面反射镜二和离轴抛物面反射镜三，超连续激光光束经过离轴抛物面反射镜一之后，发生聚焦，焦点位于离轴抛物面反射镜二的焦点处，故光束经过离轴抛物面反射镜二之后再次准直，离轴抛物面反射镜二的焦距是离轴抛物面反射镜的m倍，故离轴抛物面反射镜一和离轴抛物面反射镜二就组成反射式开普勒型激光扩束镜，经过离轴抛物面反射镜二之后的光束直径为m*d，其中d为超连续激光光源经过其准直器输出宽波段激光的直径，离轴抛物面反射镜三将经过离轴抛物面反射镜二之后的光束再次聚焦，焦点位于单色仪的入口狭缝处，设离轴抛物面反射镜三的有效焦距为f3，则经其聚焦之后的光束相对孔径为f3/(md)，设单色仪的相对孔径为f/#mono，如果f3/(md)=f/#mono，则超连续激光就最佳匹配地耦合到了单色仪中。
所述的单色仪的狭缝可调，内置的光栅均为闪耀光栅，光栅组合适用于400-2400nm的工作波段，单色仪内设有消级次滤光片转轮，可以实现400-2400nm区间任意波长窄带光谱的纯净输出。
所述的激光波长计为中阶梯光栅光谱仪类型的激光波长计，工作波段范围覆盖400nm~1100nm，用于实施监视单色仪输出波长和带宽；激光波长计光束输入方式为光纤耦合输入，可实时测量波长和带宽信息；激光波长计置于分束器反射面之后，接收经聚焦透镜聚焦、分束器表面反射的单色仪输出。若单色仪输出波长超过激光波长计工作波段范围，则调节单色仪消级次滤光片转轮至无滤光片通道，使用激光波长计测量单色仪系统高衍射级次光谱，确定输出波长。
所述的消相干积分球内胆涂层为聚四氟乙烯材料，具有入光口、出光口、监视探测器安装口和旋转漫反射板安装口，旋转漫反射板安装口位于正对入光口的球壁上。旋转漫反射板和积分球出光口之间的球壁上安装有喷涂有聚四氟乙烯涂层的内置挡板，防止旋转漫反射板的一次反射光直接从积分球口出射。从单色仪出射的准单色光，经聚焦透镜聚焦、分束器分束后，光斑落在旋转漫反射板中心区域，在旋转漫反射板的作用下，实现激光的消相干。在旋转漫反射板和积分球内壁高反射率漫射涂层的作用下，入射光得以充分匀化，在积分球口形成均匀的辐亮度面光源。监视探测器安装在积分球出光口附近的球壁上，直接监视积分球内壁的辐亮度的变化，并根据积分球内辐亮度的变化，反馈微调超连续激光的输出功率，保证超连续激光输出的稳定性。监视探测器的安装位置应当避免监视探测器直接观测到积分球入光口、旋转漫反射板和内置挡板。
所述的旋转漫反射板由漫反射板和直流电机组成，漫反射板固定在直流电机转轴上，随电机的转动以转轴为中心旋转。漫反射板表面涂层材料为聚四氟乙烯，其漫反射面朝积分球内部，反射面和积分球内壁齐平。
所述的标准辐亮度探测器包括有硅标准辐亮度探测器、铟镓砷标准辐亮度探测器和扩展铟镓砷标准辐亮度探测器三种类型，三种标准辐亮度探测器联合覆盖400-2400nm工作波段；三种标准辐亮度探测器的绝对辐射量值均溯源于低温绝对辐射计，在标准传递过程中，根据待定标设备的工作波段选择相应的标准辐亮度探测器或标准辐亮度探测器组合。
所述的电控平移台为电控线性位移平移台，用于实现标准辐亮度探测器和待定标仪器的交替测量。
所述的超连续激光光源、激光波长计、监视探测器、标准辐亮度探测器和待定标设备均由控制计算机控制。
如果待定标设备的入瞳超出了消相干积分球的出光口的大小，在消相干积分球的出光口后端放置一离轴抛物面反射镜四，离轴离轴抛物面反射镜四的有效焦点位于消相干积分球的出光口处，只要经离轴抛物面反射镜四准直的光束发散角不小于待定标设备的视场角，离轴抛物面反射镜四的有效口径不小于待定标设备的入瞳大小，就可以实现光源和待定标设备之间的视场匹配和孔径匹配，经过离轴抛物面反射镜四准直后的光束分别正对位于电控平移台上的标准辐亮度探测器和待定标设备的入光口。
所述的单色仪输出准直镜为离轴抛物面反射镜，其焦点位置位于单色仪出射狭缝，其作用是使单色仪的输出单色光为准直输出。
所述的聚焦透镜将单色仪准直输出的准直光束聚焦成小光斑，方便后续光路的接收。
所述的分束器实现单色仪输出光束按强度分光，少量的光能量经分束器表面反射后由激光波长计接收。大多数的光能量透过分束器，进入到消相干积分球中。
本发明的优点是：本发明采用超连续激光作为单色仪的照明光源，实现了传统单色仪系统输出单色光强度的极大提升，使单色仪系统可以适用于遥感器的绝对光谱辐亮度响应度的定标，扩大了单色仪系统在辐射计量、遥感器辐射定标中的应用范围。借助单色仪系统灵活控制的特点，也极大地提高了辐射定标中光谱扫描定标的便捷性，可以有效减少遥感器光谱定标、辐射定标的周期。本发明中，提出单色仪输出波长和带宽溯源到高精度激光波长计，与传统的基于谱线灯和单点激光器的单色仪检校方法相比，通过激光波长计能够有效增加单色仪检校的波长检测点甚至可以实时监视单色仪系统的输出波长和带宽，有效提高单色仪的检校精度，进而有效提高遥感器实验室定标的精度水平。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为增加离轴抛物面反射镜四后的结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于超连续激光和单色仪的细分光谱扫描定标装置，包括有超连续激光光源1、狭缝耦合光路2、单色仪3、单色仪输出准直镜4、聚焦透镜5、分束器6、激光波长计7、消相干积分球8、电控平移台10、标准辐亮度探测器9和待定标设备11，超连续激光光源1经过其准直器输出宽波段激光，光束经过狭缝耦合光路2之后耦合到单色仪3的入射狭缝中，经过单色仪3调谐之后，单色仪3的出射狭缝中输出单色光，单色仪3的出射狭缝位于单色仪输出准直镜4的有效焦点处，经单色仪输出准直镜4准直后，输出准直光束，准直光束经过聚焦透镜5之后，光束再次聚焦，聚焦的光束经过光路后端的分束器6，其表面反射一部分光束，这部分反射的光束聚焦到激光波长计7的入射光纤端面上，激光波长计7实时判读当前单色仪3输出的波长和带宽；经聚焦透镜5聚焦的光束的另一部分透过分束器6，通过消相干积分球8的入光口81进入消相干积分球8，所述的消相干积分球8内设有旋转漫反射板82、挡板83和监视探测器84，进入消相干积分球8内的光落在旋转漫反射板82上，并通过挡板83防止旋转漫反射板82的一次反射光直接从消相干积分球8的出光口85出射，经消相干积分球8内部多次反射匀光后，从消相干积分球8的出光口85出射，监视探测器84实时监视消相干积分球8光源的稳定性，并根据消相干积分球8内辐亮度的变化，反馈微调超连续激光的输出功率，所述的标准辐亮度探测器9和待定标设备11安装在电控平移台10上，通过电控平移台10移动切换，将标准辐亮度探测器9和待定标设备11的入光口分别正对消相干积分球8的出光口85，标准辐亮度探测器9测量得到消相干积分球出光口85的参考光谱辐亮度，通过与待定标设备11的测量结果比对，实现基于标准探测器的替代辐射定标。
所述的超连续激光光源1工作波段覆盖400-2400nm。
所述的狭缝耦合光路2由三个离轴抛物面反射镜组成，分别是离轴抛物面反射镜一21、离轴抛物面反射镜二22和离轴抛物面反射镜三23，超连续激光光束经过离轴抛物面反射镜一21之后，发生聚焦，焦点位于离轴抛物面反射镜二22的焦点处，故光束经过离轴抛物面反射镜二22之后再次准直，离轴抛物面反射镜二22的焦距是离轴抛物面反射镜的m倍，故离轴抛物面反射镜一21和离轴抛物面反射镜二22就组成反射式开普勒型激光扩束镜，经过离轴抛物面反射镜二22之后的光束直径为m*d，其中d为超连续激光光源经过其准直器输出宽波段激光的直径，离轴抛物面反射镜三23将经过离轴抛物面反射镜二22之后的光束再次聚焦，焦点位于单色仪3的入口狭缝处，设离轴抛物面反射镜三23的有效焦距为f3，则经其聚焦之后的光束相对孔径为f3/(md)，设单色仪3的相对孔径为f/#mono，如果f3/(md)=f/#mono，则超连续激光就最佳匹配地耦合到了单色仪3中。
所述的单色仪3的狭缝可调，内置的光栅均为闪耀光栅，光栅组合适用于400-2400nm的工作波段，单色仪3内设有消级次滤光片转轮，可以实现400-2400nm区间任意波长窄带光谱的纯净输出。
所述的激光波长计7为中阶梯光栅光谱仪类型的激光波长计，工作波段范围覆盖400nm~1100nm，用于实施监视单色仪输出波长和带宽；激光波长计7光束输入方式为光纤耦合输入，可实时测量波长和带宽信息；激光波长计置于分束器反射面之后，接收经聚焦透镜聚焦、分束器表面反射的单色仪输出。若单色仪输出波长超过激光波长计工作波段范围，则调节单色仪消级次滤光片转轮至无滤光片通道，使用激光波长计测量单色仪系统高衍射级次光谱，确定输出波长。
所述的消相干积分球8内胆涂层为聚四氟乙烯材料，具有入光口、出光口、监视探测器安装口和旋转漫反射板安装口，旋转漫反射板安装口位于正对入光口的球壁上。旋转漫反射板82和积分球出光口85之间的球壁上安装有喷涂有聚四氟乙烯涂层的内置挡板83，防止旋转漫反射板82的一次反射光直接从积分球口出射。从单色仪出射的准单色光，经聚焦透镜5聚焦、分束器6分束后，光斑落在旋转漫反射板82中心区域，在旋转漫反射板82的作用下，实现激光的消相干。在旋转漫反射板82和积分球内壁高反射率漫射涂层的作用下，入射光得以充分匀化，在积分球口形成均匀的辐亮度面光源。监视探测器84安装在积分球出光口附近的球壁上，直接监视积分球内壁的辐亮度的变化，并根据积分球内辐亮度的变化，反馈微调超连续激光的输出功率，保证超连续激光输出的稳定性。监视探测器的安装位置应当避免监视探测器直接观测到积分球入光口81、旋转漫反射板82和内置挡板83。
所述的旋转漫反射板82由漫反射板和直流电机组成，漫反射板固定在直流电机转轴上，随电机的转动以转轴为中心旋转。漫反射板表面涂层材料为聚四氟乙烯，其漫反射面朝积分球内部，反射面和积分球内壁齐平。
所述的标准辐亮度探测器9包括有硅标准辐亮度探测器、铟镓砷标准辐亮度探测器和扩展铟镓砷标准辐亮度探测器三种类型，三种标准辐亮度探测器联合覆盖400-2400nm工作波段；三种标准辐亮度探测器的绝对辐射量值均溯源于低温绝对辐射计，在标准传递过程中，根据待定标设备的工作波段选择相应的标准辐亮度探测器或标准辐亮度探测器组合。
所述的电控平移台10为电控线性位移平移台，用于实现标准辐亮度探测器和待定标仪器的交替测量。
所述的超连续激光光源1、激光波长计7、监视探测器84、标准辐亮度探测器9和待定标设备11均由控制计算机12控制。
如果待定标设备的入瞳超出了积分球8的出光口85的大小，可以采用另一种方案。参考图2，积分球8的出光口85后端放置一离轴抛物面反射镜13，离轴离轴抛物面反射镜13的有效焦点刚好位于积分球8的出光口85处，此时从离轴抛物面反射镜13出射的光束为含一定发散角的准直光束，用来模拟无限远目标。在这种方案下，通过选择合适的离轴抛物面反射镜13的焦距和口径，并确保积分球8的出光口85位于离轴抛物面反射镜13的有效焦点处，只要经抛物面反射镜13准直的光束发散角不小于待定标设备11的视场角，离轴抛物面反射镜13的有效口径不小于待定标设备11的入瞳大小，就可以实现定标光源和待定标设备11之间的视场匹配和孔径匹配。标准辐亮度探测器9和待定标设备11安装在线性位移台10上，由线性位移台10移动切换，标准辐亮度探测器9和待定标设备11的入光口分别正对由离轴抛物面反射镜13准直的光束，监视探测器84实时监视积分球光源的稳定性。标准辐亮度探测器9测量得到积分球8出光口85的参考光谱辐亮度，通过与待定标设备11的测量结果比对，实现基于标准探测器的替代辐射定标。控制单色仪3调谐输出波长并使用激光波长计7实时测量单色仪3的输出波长，控制线性位移台10使待定标设备11的入光口正对由离轴抛物面反射镜13准直的光束，监视探测器84实时监视积分球光源的稳定性，并根据积分球内辐亮度的变化，反馈微调超连续激光的输出功率，保证超连续激光输出的稳定性。待定标设备11采集数据并经过数据处理后实现待定标设备的光谱定标。在本方案中，超连续激光光源1、激光波长计7、监视探测器84、标准辐亮度探测器9和待定标设备11均由控制计算机12控制。