成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置及方法与流程

本发明属于光学计量测试领域，涉及一种辐射参数和成像参数定标装置及方法，尤其涉及一种可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数高准确度定标装置及方法。

背景技术：

成像光谱仪用于探测、识别和分辨目标及背景，是新一代“图谱合一”的先进军用光学侦察系统，包括从近紫外到远红外的各类多光谱、超光谱成像光谱仪。成像光谱仪按照其分光原理主要有色散型成像光谱仪(包括棱镜和光栅两种分光模式)、aotf可调谐声光型成像光谱仪、干涉型成像光谱仪等；按照其应用领域目前主要有星载成像光谱仪和机载成像光谱仪等；按照波段可分为可见、近红外和远红外型成像光谱仪；按照分辨率可分为低分辨、中分辨和高分辨型成像光谱仪。

由于成像光谱仪具有超强大采集信息的能力，因而从技术上其定标包括辐射定标、光谱定标、成像参数定标三大部分，其中辐射定标参数主要包括光谱辐射亮度响应度、动态范围、均匀性、最小可探测灵敏度等；光谱定标参数包括光谱范围、光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置偏差等；成像参数定标包括图像分辨率、视场、放大倍率、图像畸变等。

目前，俄罗斯、英国、美国、日本、加拿大等国家都相继开展成像光谱仪辐射定标研究，以俄罗斯全俄物理光学研究院和英国国家物理实验室为代表，俄罗斯全俄物理光学研究院在紫外、可见及近红外波段采用积分球光源与单色仪相结合的方法、在中远红外波段采用面源黑体与滤光片相结合的方法等开展了波长范围为250nm～14μm的各类成像光谱仪的辐射亮度定标，英国国家物理实验室采用连续可调谐的激光器、积分球以及系列标准靶标相结合的方法在紫外、可见及近红外波段进行成像光谱仪的辐射定标、光谱定标和成像参数定标，在近紫外到近红外波段辐射定标不确定度达到4％左右。

国内在成像光谱仪的辐射定标和光谱定标方面开展了研究工作，安徽光机所采用的是基于光谱辐照度灯的方法，用光谱辐射计标定积分球光源的光谱辐射亮度，再由积分球光源实现可见到近红外成像光谱仪光谱辐射亮度定标，使用这种方法进行辐射定标的传递链过长，光谱辐射亮度定标不确定度较大为5.74％，无法满足可见到近红外成像光谱仪光谱辐射亮度高准确度定标的要求。中国兵器工业第205研究所主要利用高稳定辐射源结合成像系统、分光系统和积分球产生均匀的单色辐射经过大口径平行光管形成准直辐射后分别由带有精密光阑的标准辐射计和被测成像光谱仪接收，由标准辐射计标定出被测成像光谱仪的入瞳面上的光谱辐射照度，从而实现可见到远红外成像光谱仪全波段绝对辐射定标，同时单色准直辐射还可对可见光到远红外成像光谱仪进行光谱定标，如专利zl201210303628.x就是利用该方法实现可见光到远红外成像光谱仪光谱辐射照度定标，但这种方法只能实现成像光谱仪光谱辐射照度定标和光谱定标。

技术实现要素：

针对现有技术中可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标不能高准确度定标的难题，本发明提出一种可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置及方法，具体地说，该定标装置及方法利用带有靶标接口的高稳定大口径标准积分球光源结合大口径平行光管形成准直辐射由被测可见到近红外成像光谱仪接收，由经光谱辐射亮度标准灯标定过的标准光谱辐射计分别标定出积分球光源出口和准直辐射的光谱辐射亮度，从而分别实现带有照相系统和望远系统的可见到近红外成像光谱仪全波段辐射亮度高准确度定标。由被测可见到近红外成像光谱仪对安装在大口径标准积分球光源靶标接口上的系列标准靶标成像，从而实现被测成像光谱仪成像参数定标。

本发明的技术方案为：

所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：包括大口径标准积分球光源系统，光谱辐射亮度标准灯系统，标准光谱辐射计，大口径平行光管，被测可见到近红外成像光谱仪和装有测控软件包的计算机；

所述大口径标准积分球光源系统由带有靶标接口的大口径标准积分球、光源组、可变光阑、监视探测器、供电系统、散热单元、系列标准靶标和积分球支架组成；

所述系列标准靶标包括标准分辨率靶、标准玻罗靶、标准十字靶和标准网格靶，用于被测可见到近红外成像光谱仪不同成像参数的定标，根据定标的成像参数的不同，选择相应的标准靶标安装在大口径标准积分球的靶标接口上；所述成像参数包括图像分辨率、放大倍率、视场、图像畸变；

所述光谱辐射亮度标准灯系统包括光谱辐射亮度标准灯、支架及供电系统，光谱辐射亮度标准灯量值可直接溯源到高温黑体；

所述标准光谱辐射计的视场与所述光谱辐射亮度标准灯的钨带相匹配，使带有靶标接口的大口径标准积分球与光谱辐射亮度标准灯具有完全相同的测量视场，在测量视场、波长范围、波长分辨率相同的条件下实现标定带有靶标接口的大口径标准积分球光源光谱辐射亮度；

所述大口径平行光管包括平面反射镜及支架、离轴抛物面镜及支架、以及一维电动平移台，大口径平行光管在定标带有望远系统的被测可见到近红外成像光谱仪时使用，由所述平面反射镜进行折转光路，平面反射镜通过支架安装在所述一维电动平移台上，并由所述计算机控制移入光路，将大口径标准积分球光源系统出射的辐射反射到离轴抛物面镜上，积分球光源出射口位于离轴抛物面镜的焦面上，经离轴抛物面镜反射的光束为准直光束；

所述装有测控软件包的计算机包含有硬件控制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块：

所述硬件控制模块控制大口径标准积分球光源系统中的可变光阑变大或变小，控制大口径标准积分球光源系统中的光源组点燃或熄灭，控制所述一维电动平移台的移动；

所述页面模块在计算机屏幕上显示功能按钮组、可变光阑运动控制栏目、光源组控制栏目、一维电动平移台运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并调用所述硬件控制模块完成对可变光阑、光源组、一维电动平移台的控制；

所述信号采集模块根据功能按钮组接收的采集按钮命令，采集所述被测可见到近红外成像光谱仪的图谱信号；

所述计算模块依据所述信号采集模块采集的数据，计算被测可见到近红外成像光谱仪的辐射参数和成像参数；

所述存储模块对原始数据和测量数据进行保存；

所述输出模块调用存储模块中的数据以输出测量数据和最终测量结果。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：所述标准光谱辐射计包括依次放置的光学系统、电动快门、ccd瞄准系统、视场光阑、分光系统、成像系统、近紫外-近红外探测器，并包括前置放大器、a/d转换器和计算机的信号采集、处理与控制系统。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：所述光学系统由多片透镜胶合而成，其工作波长为300nm～2000nm、焦距为100mm、相对孔径为f/3、材料为石英材料；

所述电动快门用于扣除背景辐射，其叶片正面镀高反射率铝膜，反面均匀涂制黑漆，电动快门控制器与所述计算机相连。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：所述ccd瞄准系统由中间带有圆孔的金属反射镜和ccd组成，金属反射镜与入射光束成45°，光学系统的会聚光束通过金属反射镜的圆孔到达视场光阑，由金属反射镜正面反射的光进入ccd瞄准系统；通过微调光学系统，能够使ccd上成像的黑点对准光谱辐射亮度标准灯中钨带的像的中心，进而使标准光谱辐射计光路达到最佳状态；ccd瞄准系统输出信号线与所述计算机相连；金属反射镜的圆孔口径为r＝x/6cos45°，x表示金属反射镜与视场光阑之间的距离，金属反射镜的圆孔起限制光阑作用。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：所述视场光阑尺寸可调，且其最大尺寸为光谱辐射亮度标准灯的钨带尺寸，视场光阑电机控制器与所述计算机相连。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：分光系统由滤光片组和光栅组组成，覆盖300nm到2000nm波长范围，滤光片组含有截止波长分别为286nm、450nm、680nm、1050nm以及1850nm的五块滤光片，五块滤光片对称安装在滤光片轮上，滤光片轮由受所述计算机控制的电机驱动；光栅组含有闪耀主波长分别为350nm、750nm和1250nm的三块光栅。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：成像系统由球面反射镜和平面射组成，将视场光阑的像成在近紫外-近红外探测器光敏面上；

近紫外-近红外探测器由硅探测器和ingaas探测器组成，输出信号经所述前置放大器进行电压放大，由a/d转换器转换成数字信号并输入计算机。

进一步的优选方案，所述一种成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置，其特征在于：所述大口径标准积分球光源系统包括积分球、8支卤素灯、1支卫星灯、卫星灯可变入射光阑、靶标接口以及监视探测器；所述积分球带有9个入射光孔、1个出射光孔以及1个监视探测器接口光孔，积分球开口的总面积不超过球内部反射面积的10％，球体内壁上均匀喷涂多层高反射比、无光谱选择性的spectralon材料；所述卫星灯可变入射光阑安装在所述积分球卫星灯入射光孔上，并由步进电机控制；所述靶标接口安装在积分球出射光孔上；所述监视探测器安装在所述积分球监视探测器接口光孔上。

利用上述装置实现可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：搭建可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置

在大口径标准积分球光源系统出射方向安装大口径平行光管，使得大口径标准积分球光源系统出口刚好处于大口径平行光管的焦面上，形成准直辐射；大口径标准积分球光源系统中的可变光阑及电源组的控制器与计算机相连，大口径平行光管中控制平面反射镜移动的一维平移台的控制器与计算机相连；在垂直于大口径平行光管出射面且离大口径平行光管一定距离的位置处通过支架安装被测可见到近红外成像光谱仪且被测成像光谱仪的信号输出线与计算机相连；

第二步：调节光路

分别打开大口径标准积分球光源系统中可变光阑及电源组的控制器开关、光谱辐射亮度标准灯的电源开关以及标准光谱辐射计的电源开关，将大口径标准积分球光源系统的电源电流值以及光谱辐射亮度标准灯的电源电流值设置在规定值，调节大口径平行光管中离轴抛物面反射镜和平面反射镜的位置，使积分球出口出射的均匀辐射经过平面反射镜反射后入射到离轴抛物面反射镜中心，形成定标所需的准直辐射；调节光谱辐射亮度标准灯的支架、标准光谱辐射计的支架和被测可见到近红外成像光谱仪的支架，使得光谱辐射亮度标准灯、标准光谱辐射计和被测可见到近红外成像光谱仪的中心高度与准直辐射的中心高度一致；

第三步：光谱辐射亮度标准灯对标准光谱辐射计的标定

在垂直于光谱辐射亮度标准灯出射面的方向，将标准光谱辐射计放置于距光谱辐射亮度标准灯一米处，标准光谱辐射计的光学系统会聚光束由ccd瞄准系统中带有圆孔的金属反射镜反射后进入ccd，通过观察ccd，微调光学系统，使ccd上成像的黑点对准光谱辐射亮度标准灯中钨带的像的中心，保证光谱辐射亮度标准灯的钨带通过标准光谱辐射计的成像系统成像于标准光谱辐射计的视场光阑上；

通过计算机控制标准光谱辐射计关闭快门，计算机控制滤光片轮和光栅鼓的转动，使所需滤光片和光栅移入光路，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景；之后计算机控制标准光谱辐射计打开快门，标准光谱辐射计测量光谱辐射亮度标准灯300nm到2000nm的信号v(λ)标准灯，计算机根据以下公式计算标准光谱辐射计的定标系数c(λ)并保存该组数据：

式中l(λ)标准灯表示光谱辐射亮度标准灯的光谱辐射亮度，该量值直接溯源到标准高温黑体；

第四步：标准光谱辐射计对大口径标准积分球光源系统的标定

在垂直于大口径标准积分球光源系统出射面的方向，将标准光谱辐射计放置于距大口径标准积分球光源系统出口一米处，使标准光谱辐射计对准大口径标准积分球光源系统的出口，通过调节标准光谱辐射计支架，使大口径标准积分球光源系统的出口通过标准光谱辐射计的成像系统成像于标准光谱辐射计的入射狭缝上；

计算机控制标准光谱辐射计关闭快门，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景；然后计算机控制标准光谱辐射计打开快门，标准光谱辐射计测量大口径标准积分球光源系统300nm到2000nm的信号v(λ)积分球，计算机根据以下公式计算大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度并保存该组数据；

式中l(λ)积分球表示大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度，v(λ)积分球表示标准光谱辐射计测量大口径标准积分球光源系统300nm到2000nm的输出信号，v(λ)背景表示关闭快门后，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景，c(λ)表示标准光谱辐射计的定标系数；

第五步：成像光谱仪辐射参数和成像参数定标

1)、光谱辐射亮度响应度

被测成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，根据以下公式计算其光谱辐射亮度响应度：

其中：v(x,y,λ)为成像光谱仪像元的输出信号；ρ(λ)为大口径平行光管的光谱反射率；ρ(λ)通过标准光谱辐射计分别测量大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号和大口径标准积分球光源系统辐射信号计算得到；

2)、动态范围

被测成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，采用成像光谱仪饱和时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度l1(λ)积分球与暗电压时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度l0(λ)积分球表示：

3)、最小可探测灵敏度

在大口径标准积分球光源系统的靶标接口上安装标准矩形靶，调节大口径标准积分球光源系统的可变光阑，输出光信号在光谱分布不变条件下输出的光谱辐射亮度连续可调，观察被测成像光谱仪的输出信号和图像轮廓，当成像光谱仪的输出信号刚好能被成像光谱仪探测时记下此时成像光谱仪的输出信号v0(x,y,λ)和标准积分球光源的光谱辐射亮度l2(λ)积分球，按照以下公式计算成像光谱仪的最小可探测灵敏度。

4)、图像分辨率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准分辨率靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准分辨率靶上等间隔排列的黑白相间线条，被测成像光谱仪从分辨率低的单元向分辨率高的单元观察，找出四个方向的线条全部能分辨开的单元号，根据该单元号和分辨率靶号得到线条宽度，由下式求得被测成像光谱仪图像分辨率：

其中：n0为对应标准分辨率靶的最高空间频率(lp/mm)，fc’为准直系统的焦距，f’为被测成像光谱仪的焦距；

5)、放大倍率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准玻罗靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准玻罗靶上不同间隔的刻线，不同间隔刻线间的距离作为目标的实际高度；经由被测成像光谱仪采集图像后，计算标准玻罗靶不同间隔刻线的像高，由以下公式计算被测成像光谱仪的放大倍率：

其中：d′为被测成像光谱仪观察时的目标像高；d为目标的实际高度；l为像元尺寸；n为成像光谱仪上产生信号的像元数；

6)、图像畸变

采用大口径标准积分球光源系统照射标准网格靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准网格靶上的网格刻线，调节大口径标准积分球光源系统的输出信号和被测成像光谱仪焦距，观察被测成像光谱仪图像，当成像清晰时进行采集，计算被测成像光谱仪的图像畸变并输出测量结果：

其中：г0为被测成像光谱仪中心轴放大倍率；гmax为被测成像光谱仪径向或切向最大的放大倍率；d'1为与гmax对应的目标像高；d'0为与中心放大倍率对应的目标像高；n0为与гmax对应的像元数、n'为与γ0对应的像元数。

有益效果

本发明的整体技术效果体现为：

(一)本发明利用带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统结合可切换的大口径平行光管形成发散辐射或准直辐射由被测可见到近红外成像光谱仪接收，由经光谱辐射亮度标准灯标定过的标准光谱辐射计分别标定出积分球光源出口和准直辐射的光谱辐射亮度，从而对带有照相系统或望远系统的被测可见到近红外成像光谱仪全波段辐射参数实现高准确度定标。由被测可见到近红外成像光谱仪对安装在大口径标准积分球光源靶标接口上的系列标准靶标成像，从而实现被测成像光谱仪成像参数定标。本发明解决了目前可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标的难题，具有定标准确度高，定标参数多的特点。

(二)本发明中的带有靶标接口的大口径标准积分球光源有8支卤素灯、1支卫星灯。其中卫星灯前安装有可变入射光阑由计算机控制步进电机进行自动调节，8支卤素灯由计算机控制其中任意一盏或几盏点亮或者熄灭，从而可实现50μw/cm²·nm·sr～1000μw/cm²·nm·sr的大动态范围等色温的光谱辐射亮度调节。

(三)本发明中的带有靶标接口的大口径标准积分球光源中的靶标接口可根据需要安装或拆卸标准分辨率靶、标准玻罗靶、标准十字靶和标准网格靶等，因此带有靶标接口的大口径标准积分球光源既可以作为均匀的大动态范围的光谱辐射亮度光源，又可以作为成像参数定标时不同的目标源，从而使得可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标在同一套装置上实现。

(四)本发明中标准光谱辐射计采用小视场设计，其视场刚好与光谱辐射亮度标准灯的钨带相匹配，有效扣除背景对标定结果带来的影响，并且使得带有靶标接口的大口径积分球光源与光谱辐射亮度标准灯具有完全相同的测量视场，因此可以在测量视场、波长范围、波长分辨率等相同条件下实现光谱辐射亮度标准灯对带有靶标接口的大口径标准积分球光源及其经过大口径平行光管的光谱辐射亮度的标定，大大提高了标定准确度。同时利用标准光谱辐射计还可实现大口径平行光管的光谱反射率的高准确度测量。

附图说明

图1是可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置组成示意图。

图2是带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统组成示意图。

图3是标准光谱辐射计组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本实施例提供的定标装置由带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1、系列标准靶标2、光谱辐射亮度标准灯3、标准光谱辐射计4、大口径平行光管5、待测可见到近红外成像光谱仪6及计算机7组成。

根据图2所示，带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1含有标准积分球1-1、一组卤钨灯1-2、卫星灯1-3、可变入射光阑1-4、监视探测器1-5、系列标准靶标接口1-6、散热单元1-7、供电系统1-8。标准积分球1-1由直径为1000mm的空心球体、1个卫星灯入射光孔、8个卤钨灯入射光孔、1个出射光孔以及1个监视探测器接口光孔组成，标准积分球1-1所有开口的总面积不超过球内部反射面积的10％。球体内壁上均匀喷涂多层反射比高、无光谱选择性的spectralon材料，该材料可以水洗、适用于室内外环境、化学稳定性高、易复制。一组卤钨灯1-2选用8支功率为250w的卤钨灯，在卤钨灯前设计了锥形挡板，挡板用钢板制作，并焊接在积分球上，挡板表面用spectralon材料进行均匀喷涂。卫星灯1-3选用2000w的卤素灯。标准积分球1-1上卫星灯1-3的入射光孔处安装有步进电机控制的可变入射光阑1-4，用于改变卫星灯的入射通量，可变入射光阑1-4选用北京卓立汉光仪器有限公司的apid12-1-d型可变光阑。监视探测器1-5安装在所述积分球监视探测器接口上，监视探测器选用日本hamamatsu公司的s1337型硅光电二极管和5730a-12型ingaas光电二极管。系列标准靶标接口1-6用于安装系列标准靶标2，其外径为330mm，其上均布8个安装孔，用于将其安装在积分球上，靶标框采用硬铝2a12加工，在靶标框中加工台阶孔，然后将系列大口径靶标用螺纹压圈固定在靶标框中。散热单元1-7采用散热片和风扇进行散热。供电系统1-8采用南京艾得克斯公司的程控电源，考虑到标准积分球光源光谱辐射亮度和均匀性等综合指标要求，供电系统1-8可每2盏灯一组递增或递减，保证在每个级次上不仅能达到光谱辐射亮度的指标要求，还能达到均匀性的指标要求。

系列标准靶标2主要有标准分辨率靶、标准玻罗靶、标准十字靶和标准网格靶等，系列标准靶标2的口径为φ170mm。标准分辨率靶主要采用wt1005-62型标准分辨率靶；标准玻罗靶刻线间距分别为2mm、4mm、10mm、20mm，刻线宽度为0.1mm；标准十字靶刻线宽度为0.1mm；标准网格靶直线的线性度小于0.5μm，网格的阵列间距为1mm，遮光区透过率为0.1％。

光谱辐射亮度标准灯3选用全俄光学物理研究院的标准钨带灯，光谱范围为250nm到3000nm，光谱辐射亮度由全俄光学物理研究院标定。

根据图3所示，标准光谱辐射计4由光学系统4-1、电动快门4-2、ccd瞄准系统4-3、视场光阑4-4、分光系统4-5、成像系统4-6、近紫外-近红外探测器4-7和含有前置放大器、a/d转换器和计算机的信号采集、处理与控制系统4-8组成。信号采集、处理与控制系统4-8对ccd瞄准系统4-3和近紫外-近红外探测器4-7的信号采集并进行处理，并且对电动快门4-2、视场光阑4-4和分光系统4-5进行控制。光学系统4-1由多片透镜胶合而成，以满足较高的像质要求，其工作波长为300nm～2000nm、焦距为100mm、相对孔径为f/3、材料为石英材料。电动快门4-2选用美国mg公司的04esc121型电动快门，其叶片部分正面镀高反射率铝膜，反面均匀涂制黑漆，电动快门控制器由信号采集、处理与控制系统4-8控制。ccd瞄准系统4-3由中间带有圆孔的铝制金属反射镜和ccd组成，铝制金属反射镜与入射光束成45°，铝制金属反射镜的圆孔的口径为r＝x/6cos45°，x表示金属反射镜与视场光阑4-4之间的距离，金属反射镜的圆开孔起到限制光阑的作用。ccd选择英国andor公司的a934型ccd探测器，ccd探测器的信号输出到信号采集、处理与控制系统4-8。视场光阑4-4形状为长方形，由两个横向狭缝和纵向狭缝组成，狭缝由步进电控制调节其尺寸，设计其尺寸最大为光谱辐射亮度标准灯的钨带尺寸，步进电机控制器由信号采集、处理与控制系统4-8控制。分光系统4-5由滤光片组和光栅组组成，覆盖300nm到2000nm波长范围。滤光片组由五块滤光片组成，第一块滤光片截止波长为286nm、适用范围为300nm～550nm，第二块滤光片截止波长为450nm、适用范围为550nm～700nm，第三块滤光片截止波长为680nm、适用范围为700nm～1060nm，第四块滤光片截止波长为1050nm、适用范围为1060nm～1850nm，第五块滤光片截止波长为1850nm、适用范围为1850nm～2000nm，五块滤光片对称安装在滤光片轮上，滤光片轮电机控制器由信号采集、处理与控制系统4-8控制。光栅组含有闪耀主波长分别为350nm、750nm和1250nm的三块光栅，第一块光栅为1200刻线，闪耀主波长为350nm,光谱适用范围为300nm～500nm，第二块光栅为600刻线，闪耀主波长为750nm,光谱适用范围为500nm～1000nm，第三块光栅为300刻线，闪耀主波长为1250nm,光谱适用范围为1000nm～2000nm。成像系统4-6由球面反射镜和平面射组成，将视场光阑4-4的像成在近紫外-近红外探测器4-7的光敏面上，球面反射镜和平面射镜表面镀铝，球面反射镜焦距为100mm。近紫外-近红外探测器4-7由硅探测器和ingaas探测器组成，分别选用日本滨松s9219型硅探测器和5730a-12型ingaas探测器，近紫外-近红外探测器4-7的信号输出到信号采集、处理与控制系统4-8。信号采集、处理与控制系统8由前置放大器、a/d转换器、存储器和内置测控软件的计算机组成。近紫外-近红外探测器4-7输出的电信号经前置放大器进行电压放大，再经a/d转换器转换成数字信号由存储器保存并输入内置测控软件的计算机。

计算机内置测控软件的功能是：控制电动快门4-2打开关闭；控制视场光阑4-4使标准光谱辐射计的视场等于或小于光谱辐射亮度标准灯的钨带尺寸；控制分光系统4-5中滤光片轮的转动以使所需波段的滤光片移入光路；控制分光系统4-5中光栅鼓的转动选择合适的光栅移入光路；控制分光系统4-5中光栅旋转得到所需单色光；根据以下公式计算出待测光源的光谱辐射亮度：

式中，l(λ)积分球表示待测积分球光源的光谱辐射亮度，v(λ)积分球表示标准光谱辐射计测量待测积分球光源300nm到2000nm的输出信号，v(λ)背景表示关闭快门后，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景，c(λ)表示标准光谱辐射计的定标系数。

大口径平行光管5由平面反射镜及支架、离轴抛物面镜及支架和一维电动平移台组成。平面反射镜和离轴抛物面镜材料为k9玻璃，平面反射镜和离轴抛物面镜表面镀铝膜，平面反射镜口径为φ300mm，离轴抛物面镜焦距为2500mm，pv值优于λ/4，离轴量为480mm，口径为φ400mm。一维电动平移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动平移台，其定位精度为50μm。

所述大口径平行光管5在定标带有望远系统的待测可见到近红外成像光谱仪6时使用，由所述平面反射镜进行折转光路，平面反射镜通过支架安装在所述一维电动平移台上由所述计算机7控制移入光路，将所述带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1出射的光反射到离轴抛物面镜上，带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1出射口位于离轴抛物面镜的焦面上，经离轴抛物面镜反射的光束为准直光束，由待测可见到近红外成像光谱仪6接收。在定标带有照相系统的待测可见到近红外成像光谱仪6时，平面反射镜由所述计算机7控制移出光路，在距离所述带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1出射口一米并且垂直光路的方向，由待测可见到近红外成像光谱仪6接收来自带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1的发散光束。

计算机7装有数据采集卡和测量软件包。测量软件包含有硬件控制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块。

硬件控制模块的功能：其一是控制带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1的可变入射光阑1-4口径大小自动调节；其二是控制带有靶标接口的大口径标准积分球光源系统1上的一组卤钨灯1-2点燃或熄灭；其三是控制大口径平行光管5中一维电动平移台移入、移出光路，以便实现发散光路和准直光路的切换。

页面模块的功能是在计算机7屏幕上显示功能按钮组、可变入射光阑1-4运动控制栏目、一组卤钨灯1-2控制栏目、大口径平行光管5中一维电动平移台运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并调用所述硬件控制模块完成对所述积分球光源可变入射光阑1-4、一组卤钨灯1-2、大口径平行光管5中的控制。

信号采集模块的功能是根据功能按钮组接收的采集按钮命令，采集所述被测可见到近红外成像光谱仪6的图谱信号并送入存储模块保存。

计算模块的功能是依据所述信号采集模块采集的数据，计算所述被测可见到近红外成像光谱仪6的辐射参数和成像参数。

存储模块的功能是利用存储器对原始数据和测量结果进行保存，原始数据和测量结果以文本文件形式保存，用户可以在excel或matlab软件中进行进一步处理。

输出模块的功能是调用存储模块中的数据以打印方式输出测量数据和最终测量结果。

本发明提供的可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标方法包括以下步骤：

第一步：搭建可见到近红外成像光谱仪6辐射参数和成像参数定标装置

在大口径标准积分球光源出射方向安装大口径平行光管5，使得大口径标准积分球光源出口刚好处于大口径平行光管5的焦面上，从而形成准直辐射，大口径标准积分球光源中可变光阑及电源组的控制器的控制线与计算机7相连，大口径平行光管5中控制平面反射镜移动的一维平移台的控制器的控制线与计算机7相连；在垂直于大口径平行光管5出射面且离大口径平行光管5一定距离的位置处通过支架安装被测成像光谱仪6且被测成像光谱仪6的信号输出线与计算机7相连。

第二步：调节光路

分别打开大口径标准积分球光源1中可变光阑及电源组的控制器开关、光谱辐射亮度标准灯3的电源开关以及标准光谱辐射计4的电源开关，将大口径标准积分球光源1的电源的电流值以及光谱辐射亮度标准灯3的电源的电流值设置在规定值，调节大口径平行光管5中离轴抛物面反射镜和平面反射镜的位置，使积分球出口出射的均匀辐射经过平面反射镜反射后入射到离轴抛物面反射镜的中心，从而形成定标所需的准直辐射；调节光谱辐射亮度标准灯3的支架、标准光谱辐射计4的支架和被测成像光谱仪6的支架，使得光谱辐射亮度标准灯3、标准光谱辐射计4和被测成像光谱仪6的中心高度与准直辐射的中心高度一致。

第三步：光谱辐射亮度标准灯3对标准光谱辐射计4的标定

在垂直于光谱辐射亮度标准灯3出射面的方向，将标准光谱辐射计4放置于距光谱辐射亮度标准灯3一米处，分别打开电动快门4-2、ccd瞄准系统4-3、视场光阑4-4、分光系统4-5、信号采集、处理与控制系统4-8的电源开关，所有电器预热20分钟。光学系统4-1的会聚光束由ccd瞄准系统4-3中带有圆孔的铝制金属反射镜反射后进入ccd，通过观察ccd，微调光学系统4-1，使ccd上成像的黑点对准光谱辐射亮度标准灯3中钨带的像的中心，从而保证光谱辐射亮度标准灯3的钨带通过标准光谱辐射计4的成像系统成像于标准光谱辐射计4的视场光阑4-4上，首先计算机7控制标准光谱辐射计4关闭快门，计算机7控制滤光片轮和光栅鼓的转动，使所需滤光片和光栅移入光路，计算机7控制光栅旋转得到所需单色光，标准光谱辐射计4按照设定波长间隔测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景，并输入计算机7保存；然后计算机7控制标准光谱辐射计4打开快门，计算机7控制滤光片轮和光栅鼓的转动，使所需滤光片和光栅移入光路，计算机7控制光栅旋转得到所需单色光，标准光谱辐射计4按照设定波长间隔测量光谱辐射亮度标准灯300nm到2000nm的信号v(λ)标准灯，并输入计算机7保存。计算机7根据下式计算标准光谱辐射计4的定标系数c(λ)并保存该组数据：

式中，l(λ)标准灯表示光谱辐射亮度标准灯的光谱辐射亮度，该量值直接溯源到标准高温黑体。定标结束，关闭电动快门4-2、ccd瞄准系统4-3、视场光阑4-4、分光系统4-5、信号采集、处理与控制系统4-8的电源开关。

第四步：标准光谱辐射计4对大口径标准积分球光源的标定

在垂直于大口径标准积分球光源出射面的方向，将标准光谱辐射计4放置于距大口径标准积分球光源一米处，分别打开电动快门4-2、ccd瞄准系统4-3、视场光阑4-4、分光系统4-5、信号采集、处理与控制系统4-8的电源开关，所有电器预热20分钟。使标准光谱辐射计4对准大口径标准积分球光源的出口，通过调节标准光谱辐射计4支架，使大口径标准积分球光源的出口通过标准光谱辐射计4的成像系统成像于标准光谱辐射计4的入射狭缝上；首先计算机7控制标准光谱辐射计4关闭快门，计算机7控制滤光片轮和光栅鼓的转动，使所需滤光片和光栅移入光路，计算机7控制光栅旋转得到所需单色光，标准光谱辐射计4按照设定波长间隔测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景，并输入计算机7保存；然后计算机7控制标准光谱辐射计4打开快门，计算机7控制滤光片轮和光栅鼓的转动，使所需滤光片和光栅移入光路，计算机7控制光栅旋转得到所需单色光，标准光谱辐射计4按照设定波长间隔测量大口径标准积分球光源300nm到2000nm的信号v(λ)积分球，并输入计算机7保存。计算机7根据下式计算大口径标准积分球光源的光谱辐射亮度并保存该组数据：

式中l(λ)积分球表示大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度，v(λ)积分球表示标准光谱辐射计测量大口径标准积分球光源系统300nm到2000nm的输出信号，v(λ)背景表示关闭快门后，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号v(λ)背景，c(λ)表示标准光谱辐射计的定标系数。

第五步：成像光谱仪6辐射参数和成像参数定标

1)、光谱辐射亮度响应度

被测成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，根据以下公式计算其光谱辐射亮度响应度：

其中：v(x,y,λ)为成像光谱仪像元的输出信号；ρ(λ)为大口径平行光管的光谱反射率；ρ(λ)通过标准光谱辐射计分别测量大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号和大口径标准积分球光源系统辐射信号计算得到。

2)、动态范围

被测成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，采用成像光谱仪饱和时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度l1(λ)积分球与暗电压时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度l0(λ)积分球表示：

3)、最小可探测灵敏度

在大口径标准积分球光源系统的靶标接口上安装标准矩形靶，调节大口径标准积分球光源系统的可变光阑，输出光信号在光谱分布不变条件下输出的光谱辐射亮度连续可调，观察被测成像光谱仪的输出信号和图像轮廓，当成像光谱仪的输出信号刚好能被成像光谱仪探测时记下此时成像光谱仪的输出信号v0(x,y,λ)和标准积分球光源的光谱辐射亮度l2(λ)积分球，按照以下公式计算成像光谱仪的最小可探测灵敏度。

4)、图像分辨率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准分辨率靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准分辨率靶上等间隔排列的黑白相间线条，被测成像光谱仪从分辨率低的单元向分辨率高的单元观察，找出四个方向的线条全部能分辨开的单元号，根据该单元号和分辨率靶号得到线条宽度，由下式求得被测成像光谱仪图像分辨率：

其中：n0为对应标准分辨率靶的最高空间频率(lp/mm)fc’为准直系统的焦距；f’为被测成像光谱仪的焦距。

5)、放大倍率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准玻罗靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准玻罗靶上不同间隔的刻线，不同间隔刻线间的距离作为目标的实际高度；经由被测成像光谱仪采集图像后，计算标准玻罗靶不同间隔刻线的像高，由以下公式计算被测成像光谱仪的放大倍率：

其中：d′为被测成像光谱仪观察时的目标像高；d为目标的实际高度；l为像元尺寸；n为成像光谱仪上产生信号的像元数。

6)、图像畸变

采用大口径标准积分球光源系统照射标准网格靶，经准直系统准直后由被测成像光谱仪直接摄取标准网格靶上的网格刻线，调节大口径标准积分球光源系统的输出信号和被测成像光谱仪焦距，观察被测成像光谱仪图像，当成像清晰时进行采集，计算被测成像光谱仪的图像畸变并输出测量结果：

其中：г0为被测成像光谱仪中心轴放大倍率；гmax为被测成像光谱仪径向或切向最大的放大倍率；d'1为与гmax对应的目标像高；d'0为与中心放大倍率对应的目标像高；n0为与гmax对应的像元数、n'为与γ0对应的像元数。

本发明的可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置利用带有靶标接口的大口径标准积分球光源结合可切换的大口径平行光管形成发散辐射或准直辐射，由经光谱辐射亮度标准灯标定过的标准光谱辐射计分别标定出积分球光源出口和准直辐射的光谱辐射亮度，从而对带有照相系统或望远系统的被测可见到近红外成像光谱仪全波段辐射参数实现高准确度定标。然后由被测可见到近红外成像光谱仪对安装在大口径标准积分球光源靶标接口上的系列标准靶标成像，从而实现被测成像光谱仪成像参数定标。本发明解决了目前可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标的难题，能够为成像光谱仪的设计、研制和使用提供可靠依据。