本发明属于光学检测领域，涉及点源透过率测试与极弱目标模拟系统及其测试方法，尤其涉及一种针对探测类相机点源透过率、极限探测能力参数的测试系统及测试方法。
背景技术：
国外对光学系统点源透过率(pointssourcetransmittance)测试的分析工作起步早，utahstateuniversity的spacedynamicslaboratory在上世纪70年代就建立了pst测试装置blackhole，pst能到10-15，达到了瑞利散射背景。2008年，美国ballaerospace&technologiescorp公司开发了一种新型的杂散光测试系统，这个系统需要一个全黑的以及清洁度等级为五级的实验环境，这套系统尺寸58英寸×20英寸，有一个双柱罐结构的腔体，用来反射掉测试时仪器外部的反射光线，通过实验结果初步验证了10-9以下的pst性能。
目前，国内中科院上海技物所已建成三波段点源透过率测试系统，三个波段分别为0.66um、2.2um、10.6um，pst测试范围：10-5～1；pst测试精度：lg(测量值/真实值)优于0.5。
星模拟器常用于模拟探测相机、星敏感器等光学系统所探测的目标，能够模拟目标的照度、光谱等指标，一般可用于检测探测相机或星敏感器等光学系统的探测能力等关键指标。现代探测相机的典型目标为大气外反射太阳光的敌方卫星和导弹等被动目标，此类目标受太阳高度角、目标反射率低、距离远等客观因素限制，其信号通常很弱，目标照度所对应的星等值高，因此需要考核探测相机对此类高星等目标的探测能力。同时，深空探测项目的开展，促进了星等观测能力更强的星敏感器的发展，星敏感器的地面检测及标定，要求星模拟器具备模拟不小于10星等目标的能力。
目前，国内对探测相机等光学系统的星等探测能力检测主要通过天文观测进行，受大气密度、透过率、天光背景等不确定因素影响，难以获得令人信服的检测结果。一些作者对实验室弱光星模拟器进行了研究，针对高星等的标定问题，发展了直接法和间接法。直接法采用基于光电倍增管的单光子计数器作为能量检测设备，最高检测星等达到了16等星。间接法星模拟器主要包括积分球点光源和平行光管，结合连续可调光阑，在平行光管出光口处模拟目标照度，通过间接精确测量影响目标照度的各个要素，对模拟星等进行标定。间接法目前在太阳光波段实现了14等星的模拟，在紫外波段的模拟能力达到了16等星。
探测相机所要完成的任务即是探测远距离微弱点目标，其光学镜头与遮光罩的核心指标即为点源透过率(pst)，系统关键指标为极限探测能力、能量集中度等。
pst测试和极弱目标模拟，均是对探测类相机的测量，但两者之间仍有区别。为了提高探测相机的探测能力，需要对光学系统的pst进行控制。为了能够在实验室对探测相机的探测性能进行标定，需要建立弱光星模拟器。现阶段pst测试的下限很难突破，弱光星模拟器也受到测试环境的诸多影响，且单独测试上述参数时，设备成本较高。
技术实现要素：
为了解决现阶段pst测试的下限难突破，弱光星模拟器受到测试环境的诸多影响及成本高等问题，本发明提供了一种能够实现探测类相机镜头点源透过率测试、系统关键指标测试的极弱目标模拟系统。通过低气压环境的构建，可以较大程度的解决环境对这两种测试系统的影响。利用两个测试系统的共性，大型部件公用，可以有效地节约建设成本。
本发明的技术解决方案是提供一种点源透过率测试与极弱目标模拟系统，其特殊之处在于：上述系统包括点源透过率测试系统、极弱目标模拟系统及主控系统；
上述点源透过率测试系统包括沿光路依次设置的激光光源系统、斩波器、准直镜组件、接收系统及探测系统；上述点源透过率测试系统还包括准直镜低压气罐、低气压双柱罐、多自由度转台及锁相放大器；待测相机承载于多自由度转台之上，位于准直镜组件的出射光路上，上述接收系统位于准直镜组件与待测相机之间，上述探测系统位于待测相机的焦面位置，上述锁相放大器分别与斩波器和探测系统相连；所述准直镜低压气罐与低气压双柱罐联通；上述激光光源系统、斩波器、准直镜组件位于准直镜低压气罐内；上述接收系统、多自由度转台、探测系统及锁相放大器位于低气压双柱罐内；
上述极弱目标模拟系统包括沿光路依次设置的弱光均匀光源及星点分化板；上述极弱目标模拟系统还包括与点源透过率测试系统共用的准直镜组件、准直镜低压气罐、低气压双柱罐及多自由度转台；上述星点分划板设置在弱光均匀光源与准直镜组件之间并处于准直镜组件焦平面上；上述弱光均匀光源及星点分化板均位于准直镜低压气罐内；
上述主控系统与激光光源系统、弱光均匀光源、斩波器、锁相放大器、接收系统、探测系统、多自由度转台、低气压双柱罐相连。
优选地，上述主控系统包括设备控制模块、数据采集模块、系统标定模块、点源透过率测试模块、弱目标模拟模块与数据存储与处理模块；
上述设备控制模块用于完成系统各受控设备(激光光源系统、弱光均匀光源、斩波器、锁相放大器、接收系统、探测系统、多自由度转台、低气压双柱罐)运行参数的远程控制，返回控制结果或设备状态，并在自动测试过程中对参与设备进行自动调节；
上述数据采集模块用于采集探测系统的数据响应值；
上述系统标定模块，用于标定星等与弱光均匀光源辐亮度、星点直径参数之间的对应关系；
上述点源透过率测试模块，用于利用数据采集模块采集的数据，计算对应视场待测相机的点源透过率；
上述弱目标模拟模块，用于根据标定结果调整弱光均匀光源亮度，模拟不同星等；
上述数据存储与处理模块，实现系统标定与pst测试过程中采集和产生的各类数据的组织，管理和处理。
优选地，该系统还包括校准系统，上述校准系统包括标准镜头及弱光校准装置；标准镜头主要用来对pst测试系统进行标定和校准。弱光校准装置主要用来对点源透过率测试与极弱目标模拟系统中的弱目标模拟功能进行实验室内的标定和校准，包括前置镜组件和探测组件，前置组件用以扩充增大探测组件的接收光能面积，探测组件接收能量并记录输出。
优选地，低气压双柱罐内壁材料为黑色亚克力板，表面粗糙度优于5nm，罐体上设有抽真空口，可通过该抽真空口对低气压双柱罐抽真空，真空度能够达到50pa，黑色双柱罐后端沿准直镜组件光轴延长线安装有消光陷阱；准直镜低气压罐内壁涂吸光材料，罐体上设有抽真空口；上述准直镜低气压罐与低气压双柱罐通过法兰联通。
优选地，激光光源系统的波长为0.52μm、0.66μm或0.75μm，但不限于这些波长，输出功率≥500mw，经过光束整形，发散角与准直镜组件发散角匹配，光束均匀性≥80％；上述准直镜组件口径φ500mm，焦距12m，镜面粗糙度优于0.8nm，但不限于这些参数；
优选地，多自由度转台为6自由度转台，可实现俯仰、横滚、升降等方向的运动，承载能力≥500kg，具备低气压工作能力；
优选地，低气压双柱罐的尺寸为6700mm×4200mm×3700mm；准直镜低气压罐的尺寸为φ2500mm×3500mm。
优选地，接收系统为功率计；
探测系统为光电倍增管；光电倍增管安装在三维调整平台上，可实现上下、左右、前后位置的调节；
优选地，标准镜头口径为200mm，含遮光罩，轴外80°pst≤10-12；
上述弱光校准装置中前置镜组件的口径为350mm，焦距600mm，探测器为emccd，光谱范围0.4μm～1.0μm，量子效率≥90％，弱光校准装置极限探测能力≥+18mv。
本发明还提供一种基于上述的点源透过率测试与极弱目标模拟系统的点源透过率测试方法，包括如下步骤：
步骤一：将待测相机放置于多自由度转台上，通过主控系统调整多自由度转台使待测相机与准直镜组件同轴，待测相机遮光罩口位于多自由度转台方位转动轴线上，探测系统位于待测相机的焦面处；
步骤二：关闭低气压双柱罐门，主控系统控制抽真空装置对低气压双柱罐抽真空；
步骤三：当低气压双柱罐内真空度达到设定值后，关闭抽真空装置；
步骤四：主控系统选择激光光源系统波长，后将激光光源系统移至准直镜组件焦面上；主控系统控制斩波器转动，并控制锁相放大器、探测系统匹配采集；
步骤五：将多自由度转台转动至设定角度，探测系统采集当前待测相机输出的辐射照度e(θ)；
步骤六：控制系统控制多自由度转台每隔一定角度转动一次，探测系统采集对应的待测相机输出的辐射照度e(θ)；
步骤七：根据采集的不同视场的辐射照度，计算对应视场待测相机的点源透过率；
其中：
pst(θ)为待测相机不同视场的点源透过率；
e(θ)为不同角度下待测相机像面产生的辐射照度；
e0为待测相机入瞳处的辐照度。
本发明还提供一种基于上述的点源透过率测试与极弱目标模拟系统的待测相机探测能力测试方法，包括如下步骤：
步骤一：标定星等与弱光均匀光源辐亮度、星点直径参数之间的对应关系；
步骤二：将待测相机放置于多自由度转台上，调整多自由度转台使待测相机与准直镜组件同轴；
步骤三：关闭低气压双柱罐门，主控系统控制抽真空装置对低气压双柱罐抽真空；
步骤四：当罐内真空度达到50pa后，关闭抽真空装置；
步骤五：主控系统将弱光均匀光源移入准直镜组件焦面位置并照亮焦面处星点分划板；
步骤六：主控系统根据步骤一的标定结果调整弱光均匀光源亮度，模拟不同星等；
步骤七：待测相机对模拟的星等成像，调整多自由度转台，实现不同视场下待测相机探测能力的标定；
按照下式计算星等照度
式中d为星点直径，f为平行光管焦距，τ(λ)为平行光管的光谱透过率，l(λ)为弱光均匀光源出口光谱辐亮度，最大光谱光视效能km＝683lm/w，v(λ)为明视觉函数；
按下式计算待测相机不同星等下对应的信噪比snr；
其中：smax为星点图像最大灰度值；计算方式为：获取星点图像灰度值最大像元对应的像素坐标(m，n)，计算该像元左上、左下、右上、右下四个方向上2×2相邻像素的灰度均值，取四个方向中的最大值作为smax，按下式计算：
smax＝max(s左上，s左下，s右上，s右下，)
s左上，s左下，s右上，s右下，按下式计算：
s左上＝(p(m-1，n-1)+p(m，n-1)+p(m-1，n)+p(m，n))/4
s左下＝(p(m-1，n+1)+p(m，n+1)+p(m-1，n)+p(m，n))/4
s右上＝(p(m+1，n-1)+p(m，n-1)+p(m+1，n)+p(m，n))/4
s右下＝(p(m+1，n+1)+p(m，n+1)+p(m+1，n)+p(m，n))/4
其中p为像元灰度值；
baverage为背景平均值，背景区域的选取方式为：以信号最大值像元为中心点，将9×9区域以外，15×15区域以内的像元定位背景区域；
σnoise为背景均方根。
本发明的优点是：
1、本发明创造性的将点源透过率测试与极弱目标模拟两大系统紧密的结合在一起，实现了主要组件的共用性，最大限度的节约了测试设备的购置成本；通过低气压环境的构建，可以较大程度的解决环境对这两种测试系统的影响。
2、本发明抓住了点源透过率测试、极弱目标模拟的共性，均是对微弱目标的探测，而空气中灰尘颗粒的rayleigh散射、米氏散射效应，是制约点源透过率测试能力的一大因素，试验表明，空气在万级洁净度下，点源透过率测试系统的下限为10-9，将空气洁净度提升至千级，点源透过率测试系统的下限提升到10-10；根据布朗运动的理论分析，将气压降低到50pa，空气洁净度等级可显著提高，相应的空气中灰尘颗粒造成的mie、rayleigh散射效应将大大降低，本发明将点源透过率测试、极弱目标模拟系统的真空度降低到50pa，点源透过率的测试下限可达到10-15，极弱目标模拟下限可至+18mv；
3、本发明提供了用于对系统周期性校准的标准物质，可以通过校准物质的测量结果，反应大型测试系统的稳定性；
4、本发明的所有部组件均受主控系统控制，其测试过程均为自动化过程，可大大提高测试效率，该系统的设计理念值得被推广和借鉴，适合在工程应用中直接实施。
附图说明
图1是本发明所提供的点源透过率测试与极弱目标模拟系统的结构示意图；
图2是本发明所提供的点源透过率测试系统结构示意图；
图3是本发明所提供的极弱目标模拟系统结构示意图；
图4是本发明所提供的点源透过率测试与极弱目标模拟系统的三维模型示意图；
其中：
1-激光光源系统；2-弱光均匀光源；3-斩波器；4-准直镜组件；5-待测相机；6-多自由度转台；7-接收系统；8-探测系统；9-准直镜低气压罐；10-低气压双柱罐；11-锁相放大器；12-主控系统；13-星点分划板；14-标准镜头；15-弱光校准装置。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
从图1及图4可以看出，本实施例点源透过率测试与极弱目标模拟系统主要包括点源透过率测试系统、极弱目标模拟系统、校准系统及主控系统；
从图2可以看出，点源透过率测试系统包括激光光源系统1、斩波器3、准直镜组件4、接收系统7、探测系统8、多自由度转台6、准直镜低气压罐9、低气压双柱罐10及锁相放大器11；
其中激光光源系统1的波长为0.52μm、0.66μm、0.75μm但不限于这些波长，输出功率≥500mw，经过光束整形，发散角与准直镜组件发散角匹配，光束均匀性≥80％；准直镜组件4的口径φ500mm，焦距12m，镜面粗糙度优于0.8nm，但不限于这些参数；接收系统7为功率计；探测系统8为光电倍增管；光电倍增管安装在三维调整平台上，可实现上下、左右、前后位置的调节；多自由度转台为6自由度转台，可实现俯仰、横滚、升降等方向的运动，承载能力≥500kg，具备低气压工作能力；准直镜低气压罐9的尺寸为φ2500mm×3500mm，具备抽真空功能，内部涂吸光材料；低气压双柱罐8的尺寸为6700mm×4200mm×3700mm(长×宽×高)，内壁材料为黑色亚克力板，表面粗糙度优于5nm，具备抽真空功能，真空度可达50pa，黑色双柱罐后端沿准直镜组件光轴沿线安装有消光陷阱。
斩波器3位于激光光源系统1与准直镜组件4之间；待测相机承载于多自由度转台6之上，位于准直镜组件4的出射光路上，接收系统7位于准直镜组件4与待测相机之间；探测系统8位于待测相机焦面位置；锁相放大器11分别与斩波器3和探测系统8相连；激光光源系统1、准直镜组件4、斩波器3位于准直镜低气压罐9中；多自由度转台6、接收系统7、探测系统8、锁相放大器11位于低气压双柱罐10内；准直镜低气压罐9与低气压双柱罐10通过法兰联通；
在杂散光测试前，先将待测相机光学系统放置于双轴罐内，整个测试装置位于低气压罐内，基本消除了空气中灰尘颗粒导致瑞利散射所产生的环境杂散光的影响，选用激光光源为点光源，设置在准直镜组件焦面处，准直为一均匀的大口径光束，完全充满被测光学系统入瞳。使用斩波器对入射光进行调制，将待测相机安置在多自由度转台上，在光学系统像面处安装探测器，从待测相机光学系统临界视场向外每隔一固定角度转动转台，使用锁相放大器对接收信号进行锁相放大并采集，采集不同位置光辐照的响应度，该响应度与待测相机光学系统入瞳处的响应度的比值即为其视场外视场角为θ的pst值。
从图3可以看出，极弱目标模拟系统包括弱光均匀光源2、星点分划板13、准直镜组件4、多自由度转台6、准直镜低气压罐9、低气压双柱罐10；其中准直镜组件4、多自由度转台6、准直镜低气压罐9、低气压双柱罐10与点源透过率测试系统共用，弱光均匀光源2与星点分划板13均位于准直镜低气压罐9内；星点分划板13设置在弱光均匀光源2与准直镜组件4之间并处于其焦平面上；待测相机设置在经准直镜组件4后的出射光路上；待测相机承载于多自由度转台上；
弱光均匀光源出口处的光照亮星点分划板13中星点孔，则在准直镜组件出口处发出一束平行光，对着平行光管看去，正如来自无穷远处的星光辐射。弱光均匀光源亮度可调、准直镜组件焦面处星点直径可变，通过调整可以模拟不同星等照度，计算公式如公式(2)所示，待测相机放置于黑色双柱罐内，双柱罐内为低气压状态，以减小空气中灰尘颗粒导致瑞利散射所产生的环境杂散光的影响，待测相机对准准直镜组件成像，标定其极限探测能力。
按照下式计算星等照度
式中d为星点直径，f为平行光管焦距，τ(λ)为平行光管的光谱透过率，l(λ)为弱光均匀光源出口光谱辐亮度，最大光谱光视效能km＝683lm/w，v(λ)为明视觉函数。
校准系统包括标准镜头14与弱光校准装置15；标准镜头14及弱光校准装置15均位于低气压双柱罐内。标准镜头14用以对点源透过率测试系统进行周期性校准，弱光校准装置15主要用来对点源透过率测试与极弱目标模拟系统中的弱目标模拟功能进行实验室内的标定和校准，包括前置镜组件和探测组件。前置组件用以扩充增大探测组件的接收光能面积。探测组件接收能量并记录输出。本实施例中标准镜头为口径200mm，含遮光罩，轴外80°pst≤10-12；弱光校准装置的口径为350mm，焦距600mm，探测器为emccd，光谱范围0.4μm～1.0μm，量子效率≥90％，极限探测能力≥+18mv。
采用标准镜头14进行校准时，可将其自身设计pst与设备对其实测的pst做比较来验证测量系统的准确性。目前此手段引用于调制传递函数测量仪的校准原理；
点源透过率测试与极弱目标模拟系统建成后，其弱目标模拟精度需要在每年进行校准。传统的测试设备一般可送检标校，然而该设备由于复杂程度高，因此，需要在建设初期研制一种可用于标定测试系统精度的弱光校准装置。一方面可以作为长期校验设备的标准，另外一方面也可作为星等模拟溯源的标准。
该弱光校准装置由两部分构成，分别为前置镜组件和探测组件。前置组件用以扩充增大探测组件的接收光能面积。探测组件接收能量并记录输出。
弱光校准装置需要校准的极限星等为+17mv，在大气层外对应的辐照度为emv+17＝4.69×10-15w/m2；则+17mv星在ccd像面上的辐照度为：
其中，τopt为光学系统透过率，取τopt＝0.8，d为光学系统的有效通光孔径，d＝160mm；d为弥散圆直径，取d＝0.030mm，则eccd＝1.07×10-7w/m2。
设ccd的像元尺寸为13μm×13μm，则一个像元接收的能量为：
φ＝eccd×s＝1.07×10-7×(13×10-6)2＝1.8×10-17w
按照公式(1)计算单个光子的能量，此处取典型值λ＝550nm进行计算。
eph550＝3.61×10-19w，ccd的量子效率为85％，单像元接收的能量满足探测的需求。
得出结论：弱光校准装置可通过室外观星、实验室间比对活动进行校准。在外场进行10mv～18mv区间的标定。
主控系统与激光光源系统、弱光均匀光源、斩波器、锁相放大器、接收系统、探测系统、多自由度转台、低气压双柱罐相连，主控系统主要包括设备控制模块、数据采集模块、系统标定模块、点源透过率测试模块、弱目标模拟模块及数据存储与处理模块；
设备控制模块主要完成系统各受控设备运行参数的远程控制，返回控制结果或设备状态，并在自动测试过程中对参与设备进行自动调节。
数据采集模块对系统各组成设备的工作状态进行监视，分别采集探测器的数据响应值。
系统标定模块，通过协调各参与设备协同工作，实现对光源经过光学系统整形后的性能状态的自动标定测试，标准探测器与用户探测器的响应度测试。
点源透过率测试模块，通过协调参与设备的协同工作，实现对被测光学系统不同光波波段条件下的杂光抑制能力的全自动测试。
弱目标模拟模块，通过各个设备的协同工作，实现极弱目标的模拟，完成被测相机极限探测能力和能量集中度的标定。
数据存储与处理模块，实现系统标定与pst测试过程中采集和产生的各类数据的组织，管理和处理。
利用上述系统通过如下方法实现点源透过率测试：
1)、将待测相机光学系统放置于多自由度转台上，调整多自由度转台使待测相机与准直镜组件同轴，待测相机遮光罩口位于多自由度转台方位转动轴线上，探测系统位于待测相机的焦面处；
2)、关闭低气压双柱罐门，主控系统控制抽真空装置为准直镜低气压罐、低气压双柱罐抽真空；
3)、当罐内真空度达到50pa后，关闭抽真空装置；
4)、主控系统选择激光器波长并将激光器移入准直镜组件焦面上；
5)、主控系统将多自由度转台转动至-85°，探测系统采集当前待测相机输出的辐射照度e(θ)；
6)主控系统控制多自由度转台每隔5°转动一次，探测系统采集对应的待测相机输出的辐射照度e(θ)；
7)按照点源透过率的定义：光学系统视场外视场角为θ的点源目标的辐射，经过光学系统后，在像面产生的辐射照度e(θ)与入瞳处的辐射照度e0的比值，计算光学系统点源透过率；
其中：
pst(θ)为待测相机光学系统不同视场外的点源透过率；
e(θ)为不同角度下像面产生的辐射照度；
e0为待测光学系统入瞳处的辐照度；
同时，还可利用上述系统通过如下方法实现极弱目标模拟和待测相机探测能力测试：
1)、标定星等与弱光均匀光源辐亮度、星点直径等参数之间的对应关系；
2)、将待测相机光学系统放置于多自由度转台上，调整多自由度转台使其与准直镜组件同轴；
3)、关闭低气压双柱罐门，主控系统控制抽真空装置为准直镜低气压罐、低气压双柱罐抽真空；
4)、当罐内真空度达到50pa后，关闭抽真空装置；
5)、主控系统将弱光均匀光源移入准直镜组件焦面位置并照亮焦面处星点分划板；
6)、主控系统调整弱光均匀光源亮度，模拟不同星等；
7)、待测相机对此弱目标成像，通过多自由度转台的调整，待测相机可实现不同视场探测能力的标定；
按照下式计算星等照度
式中d为星点直径，f为平行光管焦距，τ(λ)为平行光管的光谱透过率，l(λ)为弱光均匀光源出口光谱辐亮度，最大光谱光视效能km＝683lm/w，v(λ)为明视觉函数；
按下式计算待测相机不同星等下对应的信噪比snr。
其中：snr为信噪比；
smax为信号最大值；
baverage为背景平均值，背景区域的选取方式为：以信号最大值像元为中心点，将9×9区域以外，15×15区域以内的像元定位背景区域；
σnoise为背景均方根。
本发明的点源透过率测试与极弱目标模拟系统，可以满足探测类相机主要光学参数的测量需要，通过将整个系统放置在低气压环境中，可以有效地抑制空气中灰尘颗粒的散射效应，使点源透过率和极弱目标模拟均达到常压时无法达到的状态，是检验探测类相机性能的强大测试系统。
本发明的点源透过率与极弱目标模拟系统的主要部件是共用的，大大节省了系统的成本，非常适合在工程应用中进行推广。
本发明的点源透过率与极弱目标模拟系统还考虑了周期性校准的校准系统，通过定期对测试系统进行校准可有效反应系统的稳定性，这也是作为测试设备必不可少的质量控制环节。
本发明的点源透过率测试与极弱目标模拟系统中的激光光源切换、激光光源与弱光均匀光源的切换均为电动切换，提高了测试系统的测试效率，保证了其数据可靠性。弱光校准装置的emccd可以用来实现对待测相机点源透过率像面云图的标定。