Устройство и способ измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра - RU2705767C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области испытания с оптическими измерениями. В частности, к устройству и методу измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Измерение спектральной чувствительности главным образом используется для измерения кривой спектральной чувствительности определенной полосы пропускания фоторегистратора или оптоэлектронного прибора для определения соответствия этой кривой требованиям пользователя и применения фактической кривой спектральной чувствительности для инверсии этих данных, а также разрешающей способности. Показатель спектральной чувствительности комплексной системы - одна из важнейших характеристик оптоэлектронных приборов и представляет собой комплексное отражение способности обнаружения прибора.

Космические камеры - одни из важнейших электрооптических приборов в полезном грузе в области технологий космического дистанционного оптического зондирования. Их можно устанавливать на широкую линейку летательных аппаратов, и с их помощью контролировать развертывание военных сооружений и стратегических вооружений, а также изменение военной обстановки в конфликтных и кризисных районах путем воздушной съемки без ограничений ввиду воздействия спектра света от видимого до коротковолнового инфракрасного. Космические камеры также могут широко применяться в гражданских сферах, таких как точное картографирование, градопланирование, землеустройство, управление ресурсами, контроль состояния окружающей среды, а также в службах географической информации для обеспечения развития государственной экономики. Градуировка спектральной чувствительности камер в градуировочном оптическом устройстве космического назначения осуществляется за счет использования радиометра с большим диаметром, соответствующим диаметру этих камер. При этом в настоящее время для решения задачи прослеживаемости измерений спектрорадиометров большого диаметра научно-исследовательскими учреждениями Китая по вопросам космических камер используется метод обеспечения пообъектной прослеживаемости измерений, а именно: по настоящему методу вычисляется спектральная чувствительность спектрорадиометров большого диаметра путем градуировки спектральной чувствительности регистраторов и отражающей способности или проницаемости оптической системы соответственно. За счет метода обеспечения пообъектной прослеживаемости измерений увеличивается неопределенность измерений спектральной чувствительности радиометра большого диаметра.

Относительная спектральная чувствительность системы оптоэлектронных приборов может быть определена по методу пообъектного вычисления при измерении или по настоящему методу измерения. Метод пообъектного вычисления при измерении заключается в том, что спектральная чувствительность каждого оптического элемента (включая зеркало, линзу и окно), а также регистратора, через который световой сигнал поступает в систему, измеряется отдельно исходя из длины волны, а затем результаты умножаются друг на друга при нормализации для получения относительной спектральной чувствительности системы. Настоящий метод отличается высоким теоретическим уровнем и простым алгоритмом. При этом независимо от того, представлен ли компонент зеркалом или линзой, большая часть данных, поступающих во время вычислений, представлена данными в момент нормального падения. Также в настоящем методе не учитываются ни различия разных длин волн при фактической проницаемости и отражающей способности, возникающие из-за разных углов падения в фактических условиях наружного диаметра, ни фактическое воздействие поляризации оптической системы, рассеянного света и других факторов. Измеренная спектральная чувствительность системы как раз может устранить этот недостаток для получения истинного значения спектральной чувствительности. При этом в настоящий момент в методе измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра это значение для спектрорадиометра большого диаметра главным образом определяют по методу пообъектного вычисления при измерении. Несмотря на то, что на предыдущем уровне техники существует метод испытания спектральной чувствительности комплексного блока, проблема воздействия вспомогательной оптической системы не решена, и измерению может быть подвергнута только относительная спектральная чувствительность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящий момент в методах измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра это значение для спектрорадиометра большого диаметра главным образом определяют по методу пообъектного вычисления при измерении. В настоящем методе не учитываются ни различия разных длин волн при фактической проницаемости и отражающей способности, возникающие из-за разных углов падения в фактических условиях наружного диаметра, ни фактическое воздействие поляризации оптической системы, установки и ввода в эксплуатацию, рассеянного света и других факторов. На основании недостатков предыдущего уровня техники по настоящему изобретению предлагается устройство измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра, используемое для измерения самого радиометра большого диаметра (6), отличающееся тем, что оно включает источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра (1), индикаторный прибор со сканированием пучка (2), эталонный радиометр большого диаметра (3), механизированный продольно перемещаемый стол (4) и компьютер для обработки данных (5);

Источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра (1) используется для генерирования монохроматических параллельных пучков большого диаметра, проходящих через индикаторный прибор со сканированием пучка (2), и далее - через эталонный радиометр большого диаметра (3) или выверяемый радиометр большого диаметра (6), параллельно установленный на механизированном продольно перемещаемом столе (4);

Индикаторный прибор со сканированием пучка (2) используется для измерения оптической мощности монохроматических параллельных пучков большого диаметра;

Выходы индикаторного прибора со сканированием пучка (2), эталонного радиометра большого диаметра (3) и выверяемого радиометра большого диаметра (6) соединяются со входом компьютера для обработки данных (5), используемого для вычисления спектральной чувствительности эталонного радиометра большого диаметра (3) и выверяемого радиометра большого диаметра (6);

Результат измерений спектральной чувствительности эталонного радиометра большого диаметра (3) обеспечивает получение эталона результата измерений спектральной чувствительности выверяемого радиометра большого диаметра (6);

Механизированный продольно перемещаемый стол (4) используется для изменения положения эталонного радиометра большого диаметра (3) и выверяемого радиометра большого диаметра (6).

Предпочтительно, чтобы источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра (1) состоял из вольфрамово-галогенного источника света (11), системы фокусировки (12), системы фильтрации (13), монохроматора (14), интегрирующей сферы (15) и системы коллимации (16); выходящий пучок вольфрамово-галогенного источника света (11) сводился в одну точку системой фокусировки (12), и затем поступал во входную щель монохроматора (14), а относительная апертура системы фокусировки (12) соответствовала таковой в оптической системе монохроматора (14); падающий пучок разделялся монохроматором (14), после чего проходил через выходную щель этого монохроматора и поступал в интегрирующую сферу малого диаметра (15) с выходным отверстием, расположенным на фокальной точке системы коллимации (16), и расширялся бы этой системой, после чего преобразовывался в параллельные световые пучки большого диаметра; при этом относительная апертура системы коллимации (16) соответствовала бы таковой в оптической системе монохроматора (14).

Предпочтительно, чтобы система фильтрации (13) устанавливалась перед входной щелью монохроматора (14).

Предпочтительно, чтобы индикаторный прибор со сканированием пучка (2) включал диафрагму (21), эталонный регистратор (22) и механизированный трехкоординатный стол поступательного перемещения (23); диафрагма (21) располагалась перед эталонным регистратором (22) и использовалась бы для ограничения размера тестового пучка; эталонный регистратор фиксировал показания оптической мощности параллельных пучков малого диаметра, прошедших через диафрагму; механизированный трехкоординатный стол поступательного перемещения (23) использовался для регулировки положения диафрагмы (21) и эталонного регистратора (22), а также обладал шагом, зависящим от длины пути сканирования, то есть, диаметра выходящего пучка из источника параллельных световых пучков большого диаметра (1).

Предпочтительно, чтобы эталонный регистратор (22) мог отдельно перемещаться за пределы оптического пути.

Предпочтительно, чтобы диафрагма (21) подбиралась исходя из диаметра входного зрачка выверяемого радиометра большого диаметра (6).

Метод измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра, с помощью которого выполняется такое измерение с использованием устройства измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра, приведенный выше, включает следующие этапы:

S1: измерьте оптическую мощность выходящего пучка из источника монохроматических параллельных световых пучков (1);

S2: измерьте выходной сигнал эталонного радиометра большого диаметра (3);

S3: измерьте и вычислите спектральную чувствительность при облучении эталонного радиометра большого диаметра (3) параллельными пучками малого диаметра;

S4: отрегулируйте положение индикаторного прибора со сканированием пучка (2) и измерьте спектральную чувствительность в других положениях в рамках диаметра входного зрачка эталонного радиометра большого диаметра (3);

S5: вычислите спектральную чувствительность в пределах полного диаметра эталонного радиометра большого диаметра (3);

S6: измерьте и вычислите спектральную чувствительность радиометра большого диаметра (6);

Предпочтительно, чтобы этапы S2, S3, S4 и S5, приведенные выше, могли быть пропущены после первого применения, и их было бы необходимо повторять после определенного срока использования;

Устройство и метод измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра по настоящему изобретению обладает следующими преимуществами:

(1) С их помощью может осуществляться измерение абсолютной спектральной чувствительности радиометра большого диаметра по методу определения путем сканирования пучка малого диаметра;

(2) С их помощью решается проблема метода пообъектного вычисления при измерении, возникающая при оценке воздействия вследствие установки и ввода в эксплуатацию, рассеянного света и других факторов оптической системы;

(3) С их помощью может осуществляться измерение абсолютной спектральной чувствительности радиометра большого диаметра по методу сравнения путем отбора ряда эталонных радиометров большого диаметра, что обеспечивает простоту и удобство метода измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На ФИГ. 1 представлен схематический вид конструкции устройства измерения эталонных радиометров большого диаметра по настоящему изобретению;

На ФИГ. 2 представлен схематический вид конструкции устройства измерения выверяемых эталонных радиометров большого диаметра по настоящему изобретению;

На ФИГ. 3 представлен схематический вид конструкции источника монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра по настоящему изобретению;

На ФИГ. 4 представлен схематический вид конструкции индикаторного прибора со сканированием пучка по настоящему изобретению;

На ФИГ. 5 представлен схематический вид процесса сканирования при задействовании индикаторного прибора со сканированием пучка по настоящему изобретению.

КОНКРЕТНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение описано далее со ссылкой на чертежи и варианты осуществления:

Вариант осуществления 1:

Как показано на ФИГ. 1 и 2, устройство измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра по настоящему варианту осуществления, используемое для измерения самого радиометра большого диаметра 6 и включающее источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра 1, индикаторный прибор со сканированием пучка 2, эталонный радиометр большого диаметра 3, механизированный продольно перемещаемый стол 4 и компьютер для обработки данных 5.

Источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра 1 используется для генерирования монохроматических параллельных пучков большого диаметра, проходящих через индикаторный прибор со сканированием пучка 2, и далее - через эталонный радиометр большого диаметра 3 или выверяемый радиометр большого диаметра 6, параллельно установленный на механизированном продольно перемещаемом столе 4.

Индикаторный прибор со сканированием пучка 2 используется для измерения оптической мощности монохроматических параллельных пучков большого диаметра.

Выходы индикаторного прибора со сканированием пучка 2, эталонного радиометра большого диаметра 3 и выверяемого радиометра большого диаметра 6 соединяются со входом компьютера для обработки данных 5, используемого для вычисления спектральной чувствительности эталонного радиометра большого диаметра 3 и выверяемого радиометра большого диаметра 6;

Результат измерений спектральной чувствительности эталонного радиометра большого диаметра 3 обеспечивает получение эталона результата измерений спектральной чувствительности выверяемого радиометра большого диаметра 6;

Механизированный продольно перемещаемый стол 4 используется для изменения положения эталонного радиометра большого диаметра 3 и выверяемого радиометра большого диаметра 6.

Вариант осуществления 2:

Как показано на ФИГ. 3, исходя из варианта осуществления 1, источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра 1 по настоящему варианту осуществления состоит из вольфрамово-галогенного источника света 11, системы фокусировки 12, системы фильтрации 13, монохроматора 14, интегрирующей сферы 15 и системы коллимации 16.

Выходящий пучок вольфрамово-галогенного источника света 11 сводится в одну точку системой фокусировки 12, и затем поступает во входную щель монохроматора 14, а относительная апертура системы фокусировки 12 соответствует таковой в оптической системе монохроматора 14, чтобы монохроматор работал в оптимальном режиме.

Падающий пучок разделяется монохроматором 14, после чего проходит через выходную щель этого монохроматора 14 и поступает в интегрирующую сферу малого диаметра 15, чтобы улучшить однородность выходящего пучка.

Выходное отверстие интегрирующей сферы 15 расположено на фокальной точке системы коллимации 16, и пучок расширяется этой системой 16, после чего преобразуется в параллельные световые пучки большого диаметра; при этом относительная апертура системы коллимации 16 соответствует таковой в оптической системе монохроматора 14.

Система фильтрации 13 устанавливается перед входной щелью монохроматора 14 и может контролировать диапазон длин волн прошедших пучков для снижения воздействия на разнопорядковой дифракции на монохроматор.

При этом в монохроматоре применяется конструкция по принципу связи и слежения; монохроматор имеет спектральный диапазон 400-1 ООО нм, спектральное разрешение 0,2 нм, точность настройки длинны волны 2 нм, относительную апертуру оптической системы 4, внутренний диаметр интегрирующей схемы 50 мм, максимальный диаметр отверстия 10 мм, фокусировку системы коллимации задней части 1 200 мм и эффективный диаметр 300 мм.

Вариант осуществления 3:

Как показано на ФИГ. 4, исходя из варианта осуществления 1 или 2, индикаторный прибор со сканированием пучка 2 по настоящему варианту осуществления включает диафрагму 21, эталонный регистратор 22 и механизированный трехкоординатный стол поступательного перемещения 23.

Диафрагма 21 располагается перед эталонным регистратором 22 и используется для ограничения размера тестового пучка. Эталонный регистратор фиксирует показания оптической мощности параллельных пучков малого диаметра, прошедших через диафрагму.

Механизированный трехкоординатный стол поступательного перемещения 23 используется для регулировки положения диафрагмы 21 и эталонного регистратора 22, а также обладает шагом, зависящим от длины пути сканирования, то есть, диаметра выходящего пучка из источника параллельных световых пучков большого диаметра 1.

При этом эталонный регистратор 22 может отдельно перемещаться за пределы оптического пути и диафрагма 21 подбирается исходя из диаметра входного зрачка выверяемого радиометра большого диаметра 6. Диафрагма имеет диаметр входного зрачка D=10 мм; эталонный регистратор оснащен фотодиодами модели S2281 производства Hamamatsu, а механизированный трехкоординатный стол поступательного перемещения имеет горизонтальный и вертикальный диапазон измерений 400 мм и разрешение 5 мкм.

Вариант осуществления 4:

Исходя из варианта осуществления 1 или 2 или 3, в эталонном радиометре большого диаметра по настоящему варианту осуществления применяется встраиваемая конструкция; радиометр имеет спектральный диапазон 400-1100 нм, эффективный диаметр входного зрачка более 300 мм, фокусное расстояние 1 500 мм и поле обзора 0,4°.

Вариант осуществления 5:

Данный вариант осуществления представляет собой метод измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра, с помощью которого выполняется такое измерение с использованием устройства измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра по любому из вариантов осуществления 1-4, и который включает следующие этапы:

Этап 1: измерение оптической мощности выходящего пучка из источника монохроматических параллельных световых пучков (1);

Как показано на ФИГ. 1, отрегулируйте оптический путь, включите источник питания вольфрамово-галогенного источника света 11, задайте выходную длину волны и спектральное разрешение монохроматора 14, установите индикаторный прибор со сканированием пучка 2 непосредственно перед выходящими параллельными пучками. Как показано на ФИГ. 4, отрегулируйте индикаторный прибор со сканированием пучка 2 так, чтобы параллельные пучки проходили через диафрагму 21 перпендикулярно. Согласно показаниям эталонного регистратора 22 компьютер для обработки данных 5 контролирует оптическую мощность ϕ1(λ)параллельных пучков малого диаметра, прошедших через диафрагму 21;

Этап 2: измерьте выходной сигнал эталонного радиометра большого диаметра 3;

Отрегулируйте эталонный регистратор 22 в индикаторном приборе со сканированием пучка 2 так, чтобы он перемещался за пределы оптического пути. В таком случае параллельные пучки малого диаметра, прошедшие через диафрагму 21, поступают в эталонный радиометр большого диаметра 3 так, что его диаметр и положение аналогичны таковым у пучка, представленного на этапе 1, и при этом компьютер для обработки данных 5 контролирует выходной сигнал S₂(λ) эталонного радиометра большого диаметра 3; Этап 3: измерьте и вычислите спектральную чувствительность при облучении эталонного радиометра большого диаметра 3 параллельными пучками малого диаметра;

Согласно этапам 1 и 2 спектральная чувствительность эталонного радиометра большого диаметра 3 при облучении параллельными пучками малого диаметра может быть вычислена по формуле

Этап 4: отрегулируйте положение индикаторного прибора со сканированием пучка 2 и измерьте спектральную чувствительность в других положениях в рамках диаметра входного зрачка эталонного радиометра большого диаметра 3.

Процесс сканирования выполняется в соответствии с ФИГ. 5. Положение механизированного трехкоординатного стола поступательного перемещения 23 в индикаторном приборе со сканированием пучка 2 регулируется так, чтобы проецирование пучка начиналось в верхнем левом углу этого прибора 2, горизонтально смещалось в крайнее правое положение, смещалось на одну линию вниз, а затем - горизонтально в крайнее левое положение, после чего смещалось бы на еще одну линию. Эти действия следует повторять до тех пор, пока проекция тестового пучка не сместится в нижний правый угол индикаторного прибора со сканированием пучков 2.

Отрегулируйте положение механизированного трехкоординатного стола поступательного перемещения 23 индикаторного прибора со сканированием пучка 2 и повторите этапы 1, 2 и 3 для получения показаний спектральной чувствительности в других положениях в рамках диаметра входного зрачка эталонного радиометра большого диаметра 3:

Этап 5: вычислите спектральную чувствительность по наружному диаметру эталонного радиометра большого диаметра 3:

где ρ - весовой коэффициент, а N - суммарное количество точек измерения; Этап 6: измерьте и вычислите спектральную чувствительность выверяемого радиометра большого диаметра 6;

Выполните повторную регулировку оптического пути, как показано на ФИГ. 2, задайте выходную длину волны и спектральное разрешение монохроматора 14 в соответствии с рабочим диапазоном полосы пропускания и требованиями к испытанию выверяемого радиометра большого диаметра 6. Установите эталонный радиометр большого диаметра 3 непосредственно перед выходящими параллельными пучками и отрегулируйте его так, чтобы его оптическая ось совпадала с выходящими параллельными пучками источника монохроматических световых пучков большого диаметра 1. Компьютер для обработки данных 5 контролирует и регистрирует выходной сигнал S_t(λ) эталонного радиометра большого диаметра 3.

Посредством механизированного продольно перемещаемого стола 4 регулируется входной оптический путь выверяемого радиометра большого диаметра 6. После регулировки регистрируется выходной сигнал S_m(λ)выверяемого радиометра большого диаметра 6.

После чего спектральная чувствительность выверяемого радиометра большого диаметра 6 выражается в виде:

Вышеуказанное описание раскрытых вариантов осуществления позволяет специалистам в данной области техники использовать настоящее изобретение. Несколько модификаций настоящих вариантов осуществления будут очевидны для таких технических специалистов.

Следует понимать, что настоящая заявка рассчитана на охват любых вариаций, применений или адаптивных изменений настоящего изобретения, которые соответствуют общим принципам настоящего изобретения и включают общеизвестное практическое представление и обычные технические средства в данной области техники, которые не раскрыты в настоящем изобретении.

Реферат

Устройство измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра включает источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра, индикаторный прибор со сканированием пучка для измерения оптической мощности монохроматических параллельных пучков большого диаметра, эталонный радиометр большого диаметра, механизированный продольно перемещаемый стол и компьютер для обработки данных, используемый для вычисления спектральной чувствительности. Монохроматические параллельные пучки большого диаметра проходят через индикаторный прибор со сканированием пучка и далее - через эталонный радиометр большого диаметра или выверяемый радиометр большого диаметра, параллельно установленный на механизированном продольно перемещаемом столе. Выходы индикаторного прибора со сканированием пучка, эталонного и выверяемого радиометров соединяются со входом компьютера для обработки данных. Технический результат – обеспечение простоты и удобства измерения абсолютной спектральной чувствительности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула