（凝聚态物理专业论文）基于等色温自动调光积分球光源的辐射定标研究.pdf

摘要 本论文利用积分球实现了等色温，亮度可自动、连续调整的漫射扩展光源的改进， 该积分球光源由卤钨灯、氙灯、大口径积分球、光栏、步进电机、衰减片、单元硅探 测器、光谱辐射计、稳流电源、电控箱等组成。利用光谱辐射照度标准灯、标准漫反 射白板以及光谱辐射计通过标准辐射量值传递的方法对积分球光源进行绝对辐亮度定 标，并利用硅光电二极管探测器和光谱辐射计对积分球系统的光谱辐亮度及其它成像 设备的光谱响应特性进行检测。 本文在研究和比较几种常规辐射定标方法( 色温不变) 优缺点的基础上，提出了 积分球光源的改造方案，通过对两种不同色温的内部照明光源的光谱辐射特性和对积 分球内部的几种涂料的光谱反射特性进行分析和对比，并且根据对比数据研制了一套 由辐射定标照明源和辐射计组成的定标装置，介绍了该装置的辐射定标新方法、步骤， 并对结果进行了讨论。该装置能够实现全视场、端对端的辐射定标，并具有功能完善、 便携、可操作性强等优点。利用该装置对积分球和其它光电设备进行了绝对辐射定标， 证实能够满足辐射定标与测量精度的要求。在辐射测量系统的研制过程中，辐射定标 的作用是确定该系统入射辐射量与系统信号输出之间的定量转换关系，因此辐射定标 是系统实现绝对辐射测量的基本步骤；由于辐射定标方法和结果对辐射测量的准确度 有直接影响，故辐射定标是系统研制中的一项关键技术。 关键词：光谱辐射计辐射测量辐射定标积分球色温 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eu s eo fi n t e g r a t i n gs p h e r et oa c h i e v et h eg o a l s ，s u c ha sc o l o r t e m p e r a t u r e ，b r i g h t n e s sa u t o m a t i c a l l y , a d j u s t i n gf o r t h ee x p a n s i o n o fd i f f u s el i g h ts o u r c e ，t h e i n t e g r a t i n gs p h e r ef r o mh a l o g e nt u n g s t e nl i g h t s ，x e n o nl i g h t s ，l a r g e 。d i a m e t e ri n t e g r a t i n g s p h e r e ，l i g h tb a r , s t e p p i n gm o t o r , t h ea t t e n u a t i o nf i l m ，s i l i c o nm o d u l e sd e t e c t o r , s p e c t r a l r a d i o m e t e r , p o w e rs u p p l 5 e l e c t r o n i cc o n t r o lb o xc o m p o n e n t s u s eo ft h es p e c t r u mo f r a d i a t i o ns t a n d a r di l l u m i n a t i o nl i g h t s ，s t a n d a r dw h i t eb o a r d ，a sw e l la sd i f f u s er e f l e c t a n c e s p e c t r o r a d i o m e t e rm o n e yp a s s i n gt h r o u g ht h er a d i a t i o ns t a n d a r dm e t h o do fi n t e g r a ls p h e r e r a d i a n c el i g h ts o u r c ef o rt h ea b s o l u t ec a l i b r a t i o n ，a n dt h eu s eo fs i l i c o np h o t o d i o d ed e t e c t o r s a n ds p e c t r a lr a d i o m e t e ro nt h ei n t e g r a ls p h e r es y s t e ms p e c t r a lr a d i a n c ea n do t h e rp h o t o | i m a g i n ge q u i p m e n tt od e t e c ts p e c t r a lr e s p o n s e t h i sa r t i c l ei nt h er e s e a r c ha n dc o m p a r i s o no fs e v e r a lc o n v e n t i o n a lr a d i a t i o nc a l i b r a t i o n m e t h o d ( s a m ec o l o rt e m p e r a t u r e ) t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o nt h eb a s i so ft h ep o i n t s p u tf o r w a r dt h ei n t e g r a t i n gs p h e r eo fl i g h tr e h a b i l i t a t i o np r o g r a m s ，t h r o u g ht w od i f f e r e n t c o l o rt e m p e r a t u r eo fl i g h tw i t h i nt h es p e c t r u mo fr a d i a t i o nl i g h ts o u r c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f s p h e r eaf e wp o i n t si n s i d et h ep a i n to ft h es p e c t r a lr e f l e c t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n a ly s i s a n dc o m p a r i s o na n dc o n t r a s tb a s e do nd a t ad e v e l o p e db yar a d i o m e t f i cc a l i b r a t i o ns o u r c eo f l i g h t i n ga n dc o m p o s i t i o no ft h er a d i o m e t e rc a l i b r a t i o nd e v i c e ，i n t r o d u c e dt h ed e v i c eo ft h e n e wr a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nm e t h o d s 。s t e p s ，a n dt h er e s u l t sw e r ed i s c u s s e d t h ed e v i c ec a n b ea c h i e v e dw i d ef i e l do fv i e w , t h ee n d t o e n dr a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nw i t hp e r f e c tf u n c t i o n s ， p o r t a b l e ，e a s yt oo p e r a t e ，a n do t h e ra d v a n t a g e s t h e u s eo ft h ed e v i c eo nt h eo t h e rp o i n t st h e b a l la n dm a d eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c ei sr a d i a t i o n c a l i b r a t i o n ，a n dc o n f i r m e dt om e e tt h e r a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o na n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nt h er a d i a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ， r a d i a t i o nc a l i b r a t i o no ft h es y s t e mi st od e t e r m i n et h er o l eo ft h ei n c i d e n tr a d i a t i o na n d o u t p u ts i g n a ls y s t e mb e t w e e nt h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n v e r s i o n ，t h e r a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o ns y s t e mi sa b s o l u t e l ye s s e n t i a ls t e pi nm e a s u r i n gr a d i a t i o n ；d u et ot h e r a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nm e t h o d sa n dt h er e s u l t so ft h er a d i a t i o nm e a s u r e m e n ta c c u r a c yh a sa d i r e c ti m p a c t ，t h er a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o ns y s t e mi st od e v e l o pak e yt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s p e c t r o r a d io m e t e rln t e g r a tin gs p h e r e c oio rt e m p e r a t u r e r a d i a t i o nc a l b r a t i o r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基王笠鱼迢自塾逦羞塑坌鉴迸遢 的缉盟定拯硒塞是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者繇4 毫耳年哆日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：二拯珥年土月乒同 指导导师签名： 钍月乡日 1 1 引言 第一章绪论帚一早殖比 在实验室，对光电系统的辐射定标，主要用近距离扩展光源法，为其进行辐亮度 响应度定标。可见光波段的定标一般采用大口径的积分球光源( 定标前，要通过高精 度参考标准辐射计，把国家标准辐照度灯的辐射数据传递到积分球上) ，红外波段的辐 射定标主要采用大面积黑体作为标准辐射源，且辐射源的辐射面积必须保证能够充满 被定标仪器的视场，才能满足全视场辐射定标的要求。通过改变辐射源的输出辐亮度， 可以建立光电系统的辐亮度响应函数。如图1 1 ，1 2 所示。 探 测 器 器 大面积黑体 探 钡 器 仪器 图1 1 积分球辐射定标方法图图1 2 大面积黑体辐射定标法 本文主要通过以下两个方面进行了分析： 1 通过积分球内部涂料光谱特性、余弦特性、稳定性的对比我们选用反射率大于9 9 的f 4 ( 聚四氟乙烯) 作为积分球内表面涂料，这将有利于低透射、弱反射光信号的 测量，这不仅可以大提高测量的灵敏度，而且也改善测量的信噪比，非常有利于测 量。 2 通过对积分球内置照明光源的类型和功率分析，在保证积分球内部光源色温不变的 条件下，得到更多的亮度等级，大大的提高了内置照明光源的动态范围。通过改善 内置光源的光谱分布特性( 氙灯和溴钨灯的光谱特性) ，大大提高了实验室定标的 精度。 1 2 积分球辐射定标的发展历史 1 2 1 积分球辐射特性测试的现状 积分球辐射源是各类光学辐射测量仪器，特别是大口径光电成像系统辐射定标的 主要设备。积分球是一个内壁均匀喷涂高反射率漫射材料( 如聚四氟乙烯、硫酸钡等) 并内置多个小体积光源的球形腔体。在利用积分球辐射源进行辐射定标工作时，可通 过改变内部点亮的灯的个数来调节其辐射输出，我们以亮阶来表示积分球辐射源町调 的辐亮度等级。由于积分球内壁漫反射涂层的“积分”作用，理论上我们可以在积分 球出光口平面上任意位置获得均匀的朗伯照明，且通过点亮灯的个数来调节亮阶，并 能保持色温不变实际上，积分球辐射源本身构造涉及众多的技术环节，而其能成为辐 射定标源的关键是对光谱辐射性能的实验评价和完备的标准传递功能。评价积分球辐 射源的技术指标主要有色温、输出光的稳定性、出光口平面和角度辐射均匀性以及输 出辐射亮度等级等【1 】【2 】。 积分球作为一个均匀漫射扩展光源用于辐射度量和测试已有几十年的历史了，有 关其球面照度的理论研究文献也很多，这些研究充分讨论了在不同几何条件和不同遮 挡条件下，对积分球内壁照度均匀性的影响。这些研究对于光源的光通量测试以及分 光测量系统中应用积分球的情形，都有理论指导意义。而对于在积分球开口处进行的 光学测试，这些理论计算给出的球面照度分布与实际测量结果也具有很好的一致性。 随着近年来新型光电器件女i i c c d 、c m o s 、i r f p a 等在光电成像、探测领域的大量应用， 以及新型光电成像系统，如地基大口径光电探测设备、遥感观n 成像设备等应用范围 的扩大，积分球光源的应用范围也逐渐得到拓展。在这类测试应用中，积分球的作用 是提供一个均匀的辐照照明源，在某些情况下，这类测试在积分球开口处能够直接利 用积分球理论来评价辐射照明的均匀性和强弱【2 1 。但是在标定测试时，常遇到下列情况： ( 1 ) 需要进行标定测试的光电器件或光电系统结构较为复杂，标定测试不能在积分 球开口处进行。 ( 2 ) 需要进行标定的光电器件或光电系统的口径较大，满足标定口径的积分球直径 十分大，造价过于昂贵。 这样，标定测试工作必须在离开积分球开口一段距离的地方进行。由此可见，对 于一个均匀的辐射场，它在传播过程中的变化情况及其随传播距离的衰减情况的了解 就变得非常重要。 积分球最早在1 9 世纪9 0 年代用于光源的光度测量，很快就在许多方面得到了应用。 w a l k e r 提出了一种积分球定标的新方法，h e a t h 曾用该技术标定了s b u v 2 遥感仪器并 得到了较好的结果1 2 j 。困于当时的技术水平，积分球的涂料是硫酸钡，在内置卤钨灯的 照射下反射率小于3 5 0 n m ，有着明显的衰减，使数据的重复性受到影响。而且卤钨灯照 明的积分球在紫外波段很难有较高的亮度输出。给准确定标仪器带来困难。近年来， 得益于技术的发展，内部涂料为高分子材料( 聚四氟乙烯) 的积分球才实现了商业化。 2 0 0 0 年，中国计量研究院，李平、熊利民等人对积分球辐射场的均匀性给出了数 值分析1 3 j 。2 0 0 4 年，长春光机所对内表面涂有硫酸钡的积分球进行辐射定标，实测的双 向反射分布函数与假定漫反射板为朗伯表面根据测量的半球反射率计算的双向反射分 布函数的相对差值为6 7 ，实测的双向反射分布函数随散射角的变化可达2 8 i4 1 。2 0 0 5 年，安徽光机所，徐小锋等人也对积分球的均匀性进行了检测1 5 1 0 同年1 0 月，北京理工 大学的汤页清等人对积分球的系统均匀性误差进行具体分析【6 。2 0 0 7 年3 # j ，安徽j 匕机 所已经采用本地控制和远程串口控f i j | j 两种方式，实现对光源的通电、断电、预冷和预 热的控制等，远程控制采用r s 2 3 2 串口实现与p c 机通信n 且设计实现了对像增强器处 检测照度的监控，保证检测照度稳定更好的检测积分球的均匀性。这是目前最先进的 检测手段之一【1 1 1 2 】1 6 】。 1 2 2 辐射定标技术的国内现状 早在上世纪5 0 年代初，中国科学院仪器馆( 长春光机所的前身) 根据王大珩先生 的建议开展了光度基准和光辐射标准的研究工作，研制出铂凝固点黑体原器，解决了 耐用氧化钍坩埚制作和光度测量光学系统透过率的精密测量等关键技术。在6 0 年代， 根据国家的统筹安排，光度基准工作转移到中国计量科学研究院，经进一步完善后在 国际比对中得到国际承认。此项成果于1 9 7 9 年获全国科技大会重大成果奖。在这一期 间还进行了金点黑体炉与中温黑体炉的研制、黑体腔发射率的理论计算，不仅解决了 红外辐射标准源问题，还为国家的辐射温标的建立打下了技术基础，这些工作后来也 都移植到中国计量科学研究院【4 1 0 6 0 年代，进行了g i l h a m 型电校准绝对辐射计的研制，为核爆光冲量计提供了辐射 定标，并广泛利用于激光和其它光源光功率的测量，用来标定各种光探测器。这一工 作也移植到中国计量科学研究院，用来建立新的光度基准，在国际比对中获得认可， 获1 9 8 1 年国家科技进步一等奖【5 l 。 在7 0 年代初，长春光所将电校准绝对辐射计改进成补偿型绝对辐射计，广泛应用 于激光等光源的光功率测量，并形成产品。 上述的光度、辐射度与辐射测量工作为后来的我国遥感事业打奠定了技术基础。 进入7 0 年代，长春光机所以多光谱相机为开端，开展多种遥感器的研制，并进行 有关的辐射测量与定标。包括可见与短波红外地物光谱辐射计，参加三江地区综合遥 感实验，建立室内遥感模拟实验室与净月潭遥感实验站，研制中国昼光光谱测定装置， 并进行常规测量。在使用多光谱相机时首先尝试了对摄影底片灰标密度进行辐射定标。 7 0 年代后期开始，安徽光机所开展了短波段光学研究，承担了重大的短波段空间 光学仪器研制任务，并将光辐射测量与定标工作延伸到紫外与真空紫外区域。在已有 的绝对辐射测量技术的基础上，承担了太阳常数监视器的研制任务，开发补偿型双腔 绝对辐射计，提高绝对辐射测量精度。 8 0 年代初长春光机所从色像合- n 谱像合一这种传统思想出发，提出谱像合一仪 器的研究，为国家科委和8 6 3 计划所采纳。 从8 0 年代后期到9 0 年代，长春光机所开始承担重大的光学遥感器研制课题，遥 感器的辐射定标成为迫切需要解决的问题。为此进行了相应的研究，建立了光学遥感 器辐射定标系统，以及c c d 性能测试装置。 进入9 0 年代，长春光机所结合成像光谱仪、海洋水色成像仪等课题，建立了遥感 器辐射定标系统，进行了遥感器的辐射定标。以成像光谱仪的辐射定标为例，介绍光 学遥感器的辐射定标技术，并展望这种技术的发展趋势。 进入2 1 世纪，长春光机所随着近年来新型的光电器什c c d 、t d i 等器件的大毓j 、辽 用，以及新型的光电成像系统，如数码相机在市场上的迅速崛起，利用积分球进行辐 射定标应用范围逐渐拓展。 1 3 论文研究目的和内容 1 3 1 研究的目的和意义： 积分球的功用是收集光源入射光通量，并将此光源均匀地散布于球壳中。目前在 一些高精度测量中已经较为广泛地采用积分球来获得均匀性好的光源，这些光源输出 动态范围的调节一般是通过灯功率调节、出口光栏调节、灯的数量控制等办法来实现 的。单纯通过光栏进行调节不能带来很大的动态范围，而且出光孔径受到限制；通过 电流控制调节灯的功率会引起色温变化，并且给光源的工作稳定性带来影响；通过增 加灯的数量解决动态范围的问题增大了光源结构的复杂性，在体积、效率上也会带来 很多矛盾。本文给出了一种积分球漫射光源的设计，能够实现高达1 2 0 d b 的大动态范 围且色温稳定的照度输出。 积分球出射光源具有漫射特性，光源的均匀性好。由于积分球内壁漫反射涂层的 “积分 作用，理论上我们可以在积分球出光面任意位置获得均匀的朗伯辐射。采用 高精度稳流源和卤钨灯通过电流控制实现色温要求( 电流恒定光源色稳恒定) ，光源 色温保持在2 8 5 6 k ，光源工作稳定i 酬。再通过串口，利用p c 机来控制步进电机调节光 栏，进而改变积分球内部的光通量来实现不同检测条件下的亮度要求，可用于光电测 量成像系统的定标及校正。本设计具有很大的经济效益和现实意义。研究的目的就是 为此类高精度检测提供色温稳定、照度可调、低照度照明、均匀性好、可靠性高的漫 射光源。 近几年来，随着辐射定标技术的日渐成熟，利用积分球对测量成像系统的意义更 加重大。通过辐射定标，可以确定从系统辐射输入到最终电子学信号输出之间的定量 关系，即响应度、响应度均匀性、动态范围、探测器响应度与积分时间的关系等，这 些都是光电系统的重要性能指标。经辐射定标后，光电系统输出数码值和辐射量建立 了对应关系，对测量目标有了明确的辐射度量。随着探测器的进步，辐射计传递标准 的精度逐步提高，使辐射定标的精度有了明显的改善。研究提高辐射定标精度的方法， 是未来辐射定标发展的方向。 1 3 2 主要研究内容： 1 积分球的原理及改造： 积分球辐射定标设备用于定标光电成像设备。将国家光谱辐亮度基准传递给光 谱辐射计，利用定标过的光谱辐射计定标可充满相机口径( 入瞳) 的扩展积分球光 源。需要改造的具体内容包括标准积分球光源改造、辅助设备改造两项工作。 2 实验室j t 标： 4 主要包括：系统信号平均输出( d n ) ，动态范围定标，响应度定标，响应度非 均匀性定标，探测器响应度一积分时间关系，信噪比( s n r ) 测试等。 3 软件开发： 利用v c + + 语言编辑r s 2 3 2 串口程序，用来控制步进电机，进而来控制可调光 栏，通过改变光源进入积分球内部的光通量，来达到不同测试条件下的辐射亮度要 求，进而来实现由手动调光改为自动调光的过程卜“。 为了准确地完成目标与背景辐射特性的测量任务，除了应该尽可能明确测量目 标和预期结果，以及设计适合需要的参考标准辐射计以外，另一个极为重要的环节， 就是必须准确地掌握辐射计的性能【1 3 l 【1 4 】，这不仅关系到测量工作的成败，而且也直 接影响到对测量结果的解释。例如，一般的辐射计直接给出的结果是辐射计的电压 或电流输出信号等。为了把这些信号变换成被测的目标或背景辐射量信息，除了应 该知道辐射计的其它性能指标外，首先应该精确的知道研制的辐射计的响应度，亦 即辐射计的输出是如何随着来自被测目标的辐射输入变化的。通常，在目标与背景 的红外辐射测量中，主要感兴趣的是三个辐射量：辐射功率p 、辐照度h 、辐亮度l ， 也就是要求对参考标准辐射计进行辐射定标。 采用辐射定标方法 用国家级辐射标准定标研制的参考标准辐射计； 用该标定好的辐射计定标研制的辐射标校器； 用输出辐射亮度已知的( 已经标校好的) 辐射标校器，照明激光回波辐射测量 系统，建立该系统的响应度函数。 1 4 主要设备硬件 1 积分球 2 光谱辐射计 3 光电探测器 4 p c 机 5 光栏 6 步进电机 7 单片机 8 4 盏卤钨灯8 盏氙灯 9 数据采集卡 1 0 运动控制卡 实验地点：中科院长春光学机密机械与物理研究所应用光学检测国家重点实验室。 第二章积分球原理及辐射标定方法 在光辐射测量中，积分球型光源占有十分重要的地位，它提供了均匀稳定的大 面积辐射光源广泛应用于各种光谱辐射计的辐射定标。由于紫外波段的特殊性，应 用于这一波段的积分球系统与可见近红外系统有着明显的不同。本章将从实际应用 出发，讨论在各个波段下根据积分球型光源进行光谱辐亮度定标的方法。 2 1 积分球理论 首先，讨论空间表面1 在自由空间传输到表面2 的辐射通量( 图2 1 ) 。 a l a 2 图2 1 空间表面之间辐射能的传输 由表面1 上面元d a l ，传输到表面2 上面元北，的辐射通量可以写为： d 奴2 ；工l d 4 1 d q lc 。s 日l ；1 d 4 1c o s 臼l d a 2 c 了o s p 2 ( 2 1 ) 厂1 2 这样表面1 传输到表面2 的总辐射通量为： 九= ，厂，竺等。幽： ( 2 - 2 ) 式中，l 1 为表面1 的辐亮度；0 1 ，0 2 为面元d a l ，d a 2 的法线与传输方向r 1 2 的夹角： r 1 2 为面元d a l 到面元d a 2 的连线距离一般来说，l 1 是位置d a l 的函数。 现假设表面1 是一均匀朗伯面，这样l l 与d a l 的位置无关，而且有关系： l i = m j p ，m 1 是表面1 的辐射出射度。故为： 九= m 一, f f 型警岛- 剃z 沼3 ， 表面1 发出的总辐射通量f 1 = m 。a 1 。表面2 接收到的辐射通量占光源表面1 发出 的辐射通量的比值为： 2 鲁2 石1 = f 型字t 幽z ( 2 4 ) f 1 2 是无量纲的，它只和表面1 、2 的形状、位置、大小、方向有关，也就是说它 是一个纯粹的几何量，称为辐射换热角系数【4 l1 8 1 。当两个表面的空间几何参数确定后， 求出角系数，就可由己知表面1 发出的总辐射通量f 1 求得表面2 上接收的辐射通量f2 ： f i = f 1 f 1 2 ，若表面1 、2 位于一个规则球形的内表面( 见图2 2 ) ，由几何关系，0 1 = 0 2 = 0 ， r 1 2 = 2 r c o s 0 ，及辐射换热角系数的定义： 2 图2 2 积分球内任意面元接受的直射辐照度 耻击警产删：- 砉意岛如等 协5 ) 小帆一庇龃丽d a 2 则即斋一繁一豢 ( 2 - 6 ) 该式说明，e l 和面元2 在球内的位置无关，即球内任意面元发出的辐射通量在球 内各内表面形成的直射( 一次照射) 辐照度正好等于该辐射通量除以球的内表面积。积分 球的这一特性广泛地被应用在光辐射测量中。上式是在中空完整球体一次反射的情况 下导出的，至于球内多次漫反射的情况，分析如下( 图2 3 ) ： 图2 3 积分球内任一点的辐照度 设有一束入射辐射通量照在积分球内表面a 上。当积分球内壁涂以反射比为p 、 具有朗伯漫反射特性的涂料时，表面a 上某一面元d a 的反射辐亮度l ，和它的辐照度 d a 之间存在下列关系： 。；出 ( 2 。7 ) 。 冗 上式，球内表而某一面元d a ，上的辐照度d e 。为： 拒。= 熹小熹晏等= 等 协8 ， 则入射辐射通量中经表面a 漫射在d a 上产生的一次漫射辐照度为： 耻严。z 奈妒= 嚣 ( 2 - 9 ) d a 上的总辐照度除了由表面a 直接漫射光对它的辐照度贡献外，还有表面a 照 射到球内其它部分( 如图中d a ”等) ，再由该部分漫射到d a 的二次漫射辐照度d e 。 疲- 篆以譬豢 协1 。， 其中l ”是面元d a ”的反射辐亮度。表面a 对d a ”的一次漫射辐照度贡献也是e 。 故有l ”= pe 0 伽。考虑到积分球有n 个开孔，开孔上有样品、探测器、光源等时，第i 个孔的反射比为p ；。开口面积和球内表面积之比，叫做开口系数毛。故积分球壁的平 均反射比p 为： p 2 p 【1 一；无) + ；肛正 2 1 1 毛= 舾= 鑫一鑫p 懈2 。晦 ( 2 - 1 2 ) 式中，s 是积分球内表面积的总和。 比较两式d a ，上一次和二次漫反射辐照度的贡献，容易写出由表面a 的反射辐亮 度经球内三次、四次n 次( n _ 8 ) 对d a 辐照度的贡献分别为p 五e o ，p 。e o d a 上的总辐照度： e zf f i 磊+ p e o + p 2 e o “一岳一器l 击l 由该式可知理想积分球内壁任意处的照度是均匀的。当将积分球开口看作朗伯表 面时有： 岛= 譬= 袅击1 协川 可以看出积分球开口亮度与球半径r 、内部涂料反射率p 以及开口面积与球面积 的比率等相关。在实际应用中，由于球体并非理想，内部涂料漫反射特性、均匀性的 缺陷以及开口面积等原因，利用上式只能近似的表达积分球光源的辐射特性，必须实 际测量才能给出准确的开口辐亮度数值。 2 2 辐射定标概述 光辐射量的精确测量，要求有专门的标准测量设备和可靠的测量技术，要达到这 个目的，只有借助于己标定过的参考标准及相关的测量技术【7 】i8 1 。 用于辐射定标的标准光源及探测器等，必须是经国家标准计量部门标定过的，专 门用于测定和校准光辐射测量仪器响应特一阽的设备。在仪器标准化中应用物理标准的 种类根据使用要求而变，主要取决于所要边剑的测帚精密程度。时物理标准和标准 光源的选择还与国家标准机构跟踪国际标准的能力有关。 光学辐射定标的发展与光度基准研究、光学辐射测量技术和光学遥感器的应用息 息相关，特别是近年来，随着航天科技的发展，光学遥感器广泛应用于不同领域，对 辐射定标提出了更新和更高的要求。 早在二十世纪五十年代初，国内根据王大珩先生的建议开展了辐射度学和光度学 方面的研究工作，相继建立了多种光度基准和光辐射标准。六七十年代随着多种遥感 器的研制，我国建立了遥感模拟实验室与遥感实验站，并进行了包括可见与短波红外 波段地物光谱辐射计在内的不同工作波段遥感器的辐射测量与定标工作。在使用多光 谱相机时首先尝试了对摄影底片灰标密度进行辐射定标f 9 1 。从八十年代后期到九十年 代，随着重大光学遥感器研制课题的开展，遥感器的辐射定标成为迫切需要解决的问 题，为此进行了相应的研究，建立了光学遥感器辐射定标系统【1 叫。 目前太阳光反射波段( o 4 2 4 p t r n ) 光学传感器的辐射定标的标度都来自于国家计 量单位提供的光谱辐照度标准灯，具体办法是用光谱辐照度灯和小面积白板形成小面 积光谱辐亮度工作标准，根据光度学定律计算白板的光谱辐亮度： 工( a ) 。堕j d 万 ( 2 1 5 ) 其中取为光谱辐照度标准灯在离开它一定距离的白板上产生的光谱辐照度，p 为 白板的漫反射率。标准辐照度灯提供的h 的标度来源于高温黑体炉，存在一定的不确 定度，按( 2 1 5 ) 式形成亮度工作标准时，还附加了白板反射率的不确定度、白板偏 离理想漫反射体引起的误差以及距离测量的不确定度。为了标定大孔径的光学遥感器， 还需要建立大开口积分球光源，用光谱辐照度计将辐亮度标度传递到积分球光源，这 里都会累加不确定度。因而用这种方法对光学传感器进行辐射定标时就不能满足高精 度测量的要求1 1 1 j 。 自上个世纪八十年代以来，国际上绝对辐射测量技术有了很大发展，自校准硅探 测器，陷阱探测器，低温辐射计，腔型绝对辐射计等将光辐射测量的精度提高到干分 之几的水平，为基于探测器进行传感器的辐射定标积累了良好的基础。j m p a l m e r 用 自校准硅光电二极管探测器和一系列窄带滤光片开展了基于探测器的光学遥感器辐射 定标工作。我国也开展了类似工作【1 2 】，长春光机所应用光学国家重点实验室开展了基 于探测器的成像光谱仪辐射定标研究f l o 】。研究表明o 4 1 o l x m 波段范围内基于探测器 的定标方法是标定光学遥感器的行之有效的方法，是一种提高光学遥感器辐射定标精 度的途径。但是由于在1 1 岬以上波段范围没有灵敏度较高的绝对型探测器，也没有 较强的光源，因此没能将工作扩展到红外区域。 九十年代以来，由于中温黑体炉技术有重大进展，基于红外标准光源的辐射定标 精度也有很大提高，因而光学遥感辐射定标研究中就提出在0 4 1 o # m 范围内基于探 测器进行光学传感器辐射定标，在1 1 m 以匕范围基于标准黑体炉进行辐射定标的综 合辐射定标方法，进+ 步提高了辐射定标精度并简化了定标过程。 9 近十年来，由于自校准探测器技术和低温量热计等基于探测器的绝对辐射测量技 术的发展，在实验室内光谱辐照度测量的不确定度己由2 x 1 0 - 3 提高到2 x 1 0 4 。发达国 家己将辐照度标准由高温黑体光源过渡转向基于自校准探测器、电校准绝对辐射计、 低温量热计等特殊类型探测器的技术【1 2 1 。最近t r w 公司p e t e r j 等人的实践也表明i 1 3 】， 利用自校准型探测器等绝对辐射测量探测器，可以提高光学遥感器的辐射定标精度。 根据被定标系统的用途，定标主要分为两类：即相对定标和绝对定标。相对定标 只需要确定场景中各像元之间、各探测器之间、各光谱段之间及不同时间上测量的辐 射度量的相对值。即以两次不同的测量为基础。是根据数字量的相对差别来识别目标 的特征，所以使用的是根据数据进行相对定标得到的图像，而不是光谱辐射度数据。 主要从事对目标特征进行解译、分类、绘图等。绝对定标是建立数字量与实际光谱辐 射度数据之间的对应关系，即建立地面测量参数( 如光谱反射比) 、大气影响修正等，同 光学遥感器入瞳面上的入射光谱辐射之间的关系，用以了解实际发生的物理过程，并 进行特征抽取1 1 4 】。 光谱辐射定标技术虽然三十多年前就开始应用到遥感技术中，但是发展很慢，而 且主要是相对定标的研究。近几年来，人们对辐射定标，特别是绝对定标的认识和兴 趣有了增长【l 引。主要原因在于： ( 1 ) 在多次重复进行的遥感中，利用以辐射度量为单位的数据可以比较各种光学遥 感器所得的数据，同时可以监视遥感器的响应及其变化； ， ( 2 ) 在地景的有效利用和开发、大气辐射模型的建立与检验中，使用辐射度量较为 方便； ( 3 ) 人们逐步认识到，从全球资料管理水平上讲，可以有效地利用资料信息及研究 全球现象，例如，地球大气与海洋研究都需要定量的信息，即辐射定标信息。 基于上述原因，光谱辐射定标技术，特别是各种绝对定标方法的研究，这几年在 国际上比较活跃从事上述研究的主要有下列部门：美国a r i z o n a 大学光学中心，主要 从事试验场绝对定标的研究。n a s a 的戈达德飞行中心及休斯公司的桑巴巴拉中心， 主要从事星上定标源的研究。法国图卢兹国家宇航中心从事s p o t 卫星的星上、地面 定标研究。此外英国、德国等国家也在开展这方面的研究1 1 4 】。国内开展这方面研究的 主要部门有：中科院长春光机所、安徽光机所、西安光机所和航天部5 0 8 所等。 2 3 辐射定标方法概述 定标是一项十分复杂和困难的任务，这种复杂性和困难性是和定标该系统的光源 以及环境背景辐射在光谱、空间、时间、偏振特性等的多变性相联系1 3 】。系统的定标 值本应与定标光源以及用它进行测量的待测光源或辐射源等的特性无关，只是系统自 身各种响应特性的客观度量，但实际上度鼍的客观性却受到定标光源、环境特性等的 影响。 光电辐射测量系统的响应度，是系统工作性能中最重要的一个参数。根据系统输 出电压( 电流或数码值) 对应入射辐射量的不同，可以分成辐射通量响应度、辐亮度 响应度、辐照度响应度，分别为 辐射通量响应度r = y 垂 辐亮度响应度r ，；v l ( 2 2 ) 辐照度响应度r f y e 式中，y 是测量系统的输出电压( 可以是电流值，也可以与之对应的数码值) ；、l 、 e 分别是测量系统入瞳处的输入辐射通量、辐亮度和辐照度。响应度定标就是要建立 测量系统入瞳处输入辐射度量和系统电子学信号输出之间的定量关系。 定标时，一般用辐射度量已知的光源( 经国家标准计量部门标定) 作为定标源，直接 对被定标系统照明。然而，该辐射度量值并非就是系统入瞳处的辐射度量，这是因为 定标源到系统入瞳之间有一定的距离，在该传输路径上介质的影响必须考虑进去。 定标 ，、 l 一 j p 叫 卜1 u 1 图2 4 定标光源不能充满仪器的测量视场 探测器 如果光源不能充满系统视场，那么就不能由系统输出的电压信号正确求得系统的 辐亮度响应。在图2 4 中，光源只占系统测量视场很小的一部分，由探测器和光学系统 所决定的系统视场要比系统对光源所张的视角大的多。这时探测器接收的辐射通量， 除了来自光源外，还有来自光源周围相当大一个范围内的背景辐射能，系统入瞳处不 是定标光源的辐亮度值，而是系统视场内定标光源辐亮度和背景辐亮度的权重平均辐 亮度。这样，以定标光源的辐亮度值代入( 2 1 5 ) 式，由输出信号v 来求尺，就是错误 的值。可以设想，在系统测量视场内，当光源的尺寸发生变化时，例如变大，而定标 光源的辐亮度值不变时，系统输出电压信号无疑会增加。这说明了定标光源不能充满 系统测量视场时无法得到确定的系统辐亮度响应。 这种情况下，可以用测量系统的辐照度响应来表征。因为这种情况下系统入瞳处 的辐照度是均匀的( 设定标光源距系统足够远) 。只是这时对探测器响应度沿表面分布 的均匀性有要求，若响应不均匀，则采用匀光器。 反之，当定标光源充满系统视场时，如图2 5 所示，光源尺寸的增加不会对系统输 出信号有贡献( 不考虑杂散光的影响) 。系统测得的是在它视场内光源的平均辐亮度。 这时，用辐亮度响应度就能正确地建立定标光源在系统视场内平均辐亮度和输出电压 信号之间的关系。用辐照度响应则是没有意义的。设想定标光源的尺寸增大，这时在 系统入瞳处的辐照度值将会增加，但探测器上物象尺寸的增加并不能使探测器输出信 号增加，因尺寸增加的部分恰恰在探测器的有效探测面积之外，这样，系统的输出信 号却不变。 基于标准源的响应度定标方法，按照定标光源的大小以及它相对被定标系统的位 置可分成：远距离小光源法，远距离面光源法，近距离面光源法和近距离小光源法。 定 图2 5 定标光源充满仪器的测量视场 ( 1 ) 远距离小光源法 如图2 6 所示。定标光源放在离待定标系统一定距离上，光源的像不能充满系统视 场时，应当定标系统的辐照度响应r e 设定标光源到系统入瞳的距离为z ，在该路径上介质的透过率r ( a ) ，则系统入瞳处 的波段辐照度为： e 一甜m m ) d a 式中，a 为定标光源有效辐射面积；l ( 入) 为定标光源的光谱辐亮度。 出的电压信号为v ，则系统的波段辐照度响应度为： 疋l - - v 两v 图2 6 远距离小光源法 探测器 为了消除背景辐射对定标的影响，廊调制定标光源的输出信写这样： ( 2 1 6 ) 若系统输 ( 2 1 7 ) 耻器一尝 ( 2 1 8 ) 式中，e 是定标光源和背景一起在系统入瞳处产生的辐照度，己口是背景在系统入瞳处 产生的辐照度，对应的输出电压信号分别为v 和v b 。丝为定标光源本身在系统入瞳 处产生的辐照度，对应的输出电压信号为a v 。 ( 2 ) 远距离面光源法 如图2 7 所示。当定标光源放在距系统入瞳有限远距离上，其面积对系统张角大于 系统视场角的四倍以上时，用远距离面光源法定标。此时可定标系统的辐亮度响应度。 面光源在可见光波段用大开口面积的积分球光源，在红外波段用大面积黑体。 设面光源光谱辐亮度为u ，传输介质的透过率为u ，则系统入瞳处的波段辐亮 度为l r 工。q 弦( a ) d a 。 ，叶 系统的波段辐亮度响应度为： r ，；竺。兰(2-19) _ 工f 2 l o q 弦( a 肌 当定标大口径的红外光电系统时，用这种方法所需黑体辐射源的面积较大。 ( 3 ) 近距离面光源法 同远距离面光源法。系统距面光源较近，面光源面积大于被定标系统入瞳面积， r r ( z ) 一1 。 ( 4 ) 近距离小光源法 也叫琼斯法【3 1 【4 1 【1 5 l ，如图2 7 所示。将定标光源放在待定标系统入瞳附近，而标定 光源的尺寸要比系统入瞳口径小得多。为了使探测器上得到均匀的辐照，定标光源应 放到图中a o b 的区域之内。 测器 面光源 图2 7 远距离面光源法 由几何关系知，定标光源在0 角对应的立体角q 内的辐射能恰恰都能被探测器所 接收，而0 角恰好等于系统的半视场角，这样进入系统的辐射通量为： 垂= 幽sq 式中，l 足定标光源的辐亮度，a s 为定标比源的有效发光面积；q = a o i ：( a 。为探 测器的面积；厂为系统的焦距) 。故：垂。l - a s a d 一( 2 2 0 ) l 现在设想有一辐亮度为k 的面光源，它使被定标系统同样接受辐射通量为m 的光 能，贼中一岛a p q = l s a p 鲁 ( 2 2 1 ) 式中，a p 为系统的入瞳有效面积。由此将辐亮度为l 的近距离小光源看成辐亮度为b 的近距离面光源，则该面光源的辐亮度为： 如坚。l 华上吐生( 2 - 2 2 )二 a d a p f z a d a ea p 。、 多 o，：j：；k；：- ，l 朔，i 9 。3 卟太 、n 蓬多卜 b - - ，一_ ，- - ，_i痢1 土历弈毒薹 图2 8 近距离小光源法 测器 因此系统的辐亮度响应度为： 尺l 暑二。善生( 2 - 2 3 ) l s l a s 该方法可等效于辐亮度幅度减弱了a p a s 倍的近距离面光源定标法。 综上所述，在这些定标方法中存在一个共同的特点，即定标源通过被定标系统在 其焦平面上成像。因此在被定标系统确定以后，要满足系统辐射定标的要求，就要对 定标源输出辐射的面积、能量以及定标时与被定标系统的相对位置提出要求。针对不 同的系统和辐射定标要