第7章光辐射测量系统的性能及其测量

第7章光辐射测量系统的性能及其测量1本文档共48页；当前第1页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量2本文档共48页；当前第2页；编辑于星期六\8点55分辐射测量系统的三种典型结构光辐射测量系统性能及其测量：测量条件

光辐射量是一个场量

标定3本文档共48页；当前第3页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量①在所测量的光谱范围[1,2]内，系统具有均匀的光谱响应，在响应光谱范围以外的光谱响应等于零。

理想的光辐射测量系统应当具有以下性能：②在所要求测量动态范围内，系统具有线性响应。③光学系统没有渐晕和像差，即系统具有理想的视场响应。④测量系统的响应不受入射光偏振程度的影响。用这种理想的测量系统去测量光辐射度量，不会因待测量的光谱特性、量值大小、视场内的空间分布和偏振特性的变化而引起测量误差。4本文档共48页；当前第4页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度

7.1.1远距离小光源法

7.1.2远距离面光源法

7.1.3近距离面光源法

7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应5本文档共48页；当前第5页；编辑于星期六\8点55分7.1测量系统的响应度

根据仪器输出电压对应入射辐射度量的不同，响应度可分成辐射通量响应度、辐亮度响应度、辐照度响应度。

响应度的标定就是建立测量系统入瞳处辐射度量和输出信号之间的定量关系。一般用标准光源作为标定源。但由于标定源到仪器入瞳之间有一定的距离，因此标定源辐射度量值并不是对应仪器入瞳处的辐射度量，在传输路径上辐射度量的变化必须考虑进去。6本文档共48页；当前第6页；编辑于星期六\8点55分7.1测量系统的响应度

可用测量仪器的辐照度(或辐射通量)响应来表征，但要求探测器响应度沿表面分布是均匀的，若响应不均匀，则需采用匀光器。用辐亮度响应能够正确地建立标定光源在仪器视场内平均辐亮度和输出电压信号之间的关系。7本文档共48页；当前第7页；编辑于星期六\8点55分7.1测量系统的响应度

在光源可正好充满仪器视场的标定条件下，三种响应度之间存在着简单的关系。设辐射计的辐亮度响应度RL=V/L，则对应的辐照度响应度和辐射通量响应度分别为

响应度的标定方法按照光源的大小及其相对待标定仪器的位置，可以分成远距离小光源法、远距离面光源法、近距离小光源法和近距离面光源法。标定时仪器调焦至无限远。8本文档共48页；当前第8页；编辑于星期六\8点55分7.1.1远距离小光源法

精确计算辐照度E的困难在于要知道传输介质(如大气)的光谱透射比

()。由于在水气吸收谱段内，辐射衰减相当大，故可在真空或充有无吸收的惰性气体(如氮)的密闭室内进行标定。问题：如何消除背景辐射的影响？9本文档共48页；当前第9页；编辑于星期六\8点55分7.1.1远距离小光源法

在远距离小光源法中，由于仪器视场大于标定光源对应的视场，仪器视场还接收部分来自光源周围的背景辐射能。为消除背景光对标定的影响，可调制标定光源的光输出信号，即式中，E是光源和背景一起在仪器入瞳处产生的辐照度；Ea是光源输出光能被遮挡时背景在待标定仪器入瞳处产生的辐照度，相应产生的电压信号为V和Va。即E为标定光源本身在仪器入瞳处产生的辐照度，而V为调制光信号产生的交变输出电压信号的幅度。调制电压信号还可将探测器的暗电流对测量的影响消除。10本文档共48页；当前第10页；编辑于星期六\8点55分7.1.2远距离面光源法

标定时面光源对仪器的张角一般应大于仪器视场的4倍。仪器调焦在无限远，面光源可用积分球光源或大面积低温黑体，并放在有限远距离上(图7-6)。设面光源的光谱辐亮度为L0()，传输介质的光谱透射比为

()，被标定辐射计输出电压信号为V，则仪器的辐亮度响应度该标定方法不必知道待标定仪器的视场角及入瞳面积Ap。近距离面光源法与远距离面光源法类似。由于待标定仪器距面光源较近，面光源可较小，且()1，故应用得较多。11本文档共48页；当前第11页；编辑于星期六\8点55分7.1.4近距离小光源法（琼斯法）

标定光源放在待标定仪器入瞳附近，而标定光源的尺寸要比仪器入瞳口径小得多。为使探测器上得到均匀的辐照，标定光源应当放在图7-7的阴影线区域之内。标定光源从对应仪器半视场角的立体角内发出的辐射能恰都能为探测器所接收，则进入待标定辐射计的辐射通量为

设有一辐亮度为Ls的面光源使辐射计同样接收辐射通量为的光能，则12本文档共48页；当前第12页；编辑于星期六\8点55分7.1.4近距离小光源法（琼斯法）

将辐亮度为L的近距小光源看成辐亮度为Ls的近距离面光源，则对应的辐亮度辐射计的辐亮度响应度

由于Ac<Ap,故L>Ls。即小光源被看作是辐亮度减弱了Ap/Ac倍的面光源。

近距小光源和面光源是在探测器接收均匀且同样大小辐照度的意义上等效的。13本文档共48页；当前第13页；编辑于星期六\8点55分7.1测量系统的响应度标定仪器响应度RL后，如果测出仪器的相对光谱响应R()，求仪器的光谱响应度RL()。14本文档共48页；当前第14页；编辑于星期六\8点55分7.1测量系统的响应度课后思考：如何确定标定精度？原始误差：标定过程中所使用的标准器具本身的误差，它是确定标定精度的一种极限。标定误差：当标准器具确定后，由所采用的标定方法不同所增加的那部分误差。使用误差。15本文档共48页；当前第15页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度

7.1.1远距离小光源法

7.1.2远距离面光源法

7.1.3近距离面光源法

7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应16本文档共48页；当前第16页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

在系统工作谱段[1，2]内并不象理想响应那样具有明显的波长限，且在[1，2]谱段内的响应也不均匀，在离工作谱段较远的波长区，甚至还可能出现次响应谱段，并可延伸到相当宽的波长范围，这种工作谱段以外的响应称为光谱泄漏。

用等效理想矩形带宽代替系统实际光谱响应称为带宽规一化法，表示在一定条件下，使用理想响应在测量结果上等效于实际测量系统的响应。方法的基本出发点是：当待测光源的光谱能量分布曲线可用一个二次函数来表示时，系统的等效理想响应可通过精确地的计算确定。17本文档共48页；当前第17页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

设待测光源的光谱能量分布特性为S()，则系统的输出电压信号若S()可表示成二次函数，即对(7-10)式的光源函数在[1，2]范围内积分，则

代入(7-9)式，有(7-9)

(7-11)

(7-12)

(7-10)

18本文档共48页；当前第18页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

比较(7-11)式和(7-12)式，有

联立解(7-14)方程，得

(7-13)

(7-14)

(7-15)

确定等效理想响应的方法：由系统响应R()，求、和，由(7-14)式可求得F和G的值，并由(7-15)式来得1和2，进而由(7-13)式求得。19本文档共48页；当前第19页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

20本文档共48页；当前第20页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

①大多数光学材料具有较好的短波截止性能，但长波的截止性能较差(图7-11给出了几种常用的红外光学材料的光谱透射特性曲线),因而长波泄漏更容易出现。光谱泄漏主要原因：21本文档共48页；当前第21页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

②用以分隔谱段的薄膜干涉滤光片、分光元件——光栅等利用干涉现象的元件存在干涉级。干涉滤光片在其窄带透射谱段的两侧还有一系列的次透射峰，多层镀膜虽可大大减弱次峰，但不可能做到在主窄带透射谱段以外的谱段完全无透过。光谱泄漏主要原因：22本文档共48页；当前第22页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

③单色仪中由于棱镜和光栅表面的自身缺陷及小角度散射、系统像差及衍射等，使透射谱线加宽。杂散光不经色散元件或经过色散元件，由出射狭缝出射，使依靠单色仪分隔谱段的效能减弱。④光学元件吸收短波辐射而在较长波长处受激发射萤光，则当紫外测量仪器中探测器在可见谱段未能有效地截止而有响应时，就会产生光谱泄漏。为此，对测量系统进行光谱响应测量的一个重要工作是检查系统光谱泄漏的程度。光谱泄漏主要原因：23本文档共48页；当前第23页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

短波截止/透过滤光片：由于短波截止滤光片的短波截止性能较好，可用来检查长波泄漏。检查时将滤光片插入光路，如果系统仍有信号输出(不是暗电流)，则说明系统有长波泄漏，而信号的大小可确定长波泄漏的程度。光谱泄漏检查方法：用图7-14所示的两块短波截止滤光片先后插入光路，可发现长波泄漏的谱段位置，滤光片其透射谱段的透射比应大于0.8~0.9，而截止谱段的透射比则不应大于10-4。由于检测整个长波泄漏的总响应，因而可期望得到较大的信号。如若用窄带滤光片来检查长波泄漏的位置和大小，往往信号很小，甚至难以察觉。反之，用短波透过的滤光片(图7-14的虚线)可检查系统短波泄漏。24本文档共48页；当前第24页；编辑于星期六\8点55分7.2测量系统的光谱响应

变温黑体法：由于黑体温度变化时，辐射能的峰值也随之变化，这相当于引入一个变发射谱段的光源作为长波泄漏的检查手段。光谱泄漏检查方法：当系统有长波泄漏和没有长波泄漏时，由黑体光谱辐射出射度曲线和测量系统的光谱响应曲线相乘，可得到图7-15(b)的曲线，图中斜直线表示没有长波泄漏时，系统输出信号随黑体光谱辐亮度变化；有长波泄漏时，随着黑体温度减小，黑体光谱辐射出射度曲线峰值向长波方向位移，长波泄漏对系统的输出信号贡献更加显著，这时，实测值偏离斜直线越来越远。信号经过处理可确定长波泄漏的谱段位置及响应大小。25本文档共48页；当前第25页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度

7.1.1远距离小光源法

7.1.2远距离面光源法

7.1.3近距离面光源法

7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应26本文档共48页；当前第26页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

实际测量系统对视场外进入的光能总会在不同程度上散射到探测器表面，使系统有一定的视场外响应。一个原因是测量系统本身没有明显的视场大小，另一个原因是系统不可能把杂散光完全阻挡掉。

视场响应是测量系统性能的另一个重要指标。严重的视场外响应会给测量系统带来很大的误差，一个极端的例子是用辐射计测量太阳的日冕，如果系统能有效地把来自太阳的直射辐射挡掉，那就不必等到日全蚀才可能对日冕进行测量。设待测辐射通量在空间的分布为(,)，

是某面元与测量系统入瞳中心的连线与系统光轴的夹角(图7-16)，是该连线在空间所处的方位角，系统视场。

27本文档共48页；当前第27页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

①系统具有理想视场响应。②被测辐射度量在空间的分布是均匀的③待测光源尺寸很小，对系统的张角小于视场光阑对应的空间视场角。28本文档共48页；当前第28页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

29本文档共48页；当前第29页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

30本文档共48页；当前第30页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

图7-19是测量系统视场响应的一种装置。准直管安装在导轨上，准直管口径应使其发出的平行光束足以充满待测系统的入射孔径。待测系统安置在一可绕直轴转动的支架上，旋转支架可使待测系统相对准直管有不同的视场角与方位角。支架回转轴应通过待测系统入射孔径的中心，这样系统绕支架垂直轴转动时，进入系统的光束口径不会被切掉。在零度视场，待测系统的光轴和准直管光轴大致重合，这可通过调节使待测系统的俯仰和升降装置来实现。测量前首先要确定系统的光轴(零视场角)，它不一定是光学元件的中心和探测器中心的连线。测量时首先使待测系统在光轴附近得到最大的非饱和输出信号，在一定的方位角，通过改变视场角，找到对应最大输出信号一半时的

1和

2。在数个方位角处找到一系列的

1和

2值，并求出对应的中点平均值

0=(

1+

2)/2。同理，对应一系列

角，找到对应最大输出信号一半时的一系列1和2及其中点平均值0，(

0,0)可确定出待测系统的光轴。使待测系统处于不同的视场角，记录系统的输出，得到如图7-17的系统视场响应。31本文档共48页；当前第31页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

视场外和视场内响应相比，前者属于杂散光，其输出信号比视场内响应的输出小几个甚至十几个数量级，因而测量相当困难。有两点必须特别注意：①测量环境的影响；②测量系统响应线性度的影响。①测量环境的影响主要是部分通过准直管照射到待测系统的光、或者照到待测系统以外部分的光被散射而照到测量暗室内。测量室内空气不清洁，待测系统视场内大颗粒灰尘对光的散射(甚至镜面反射)影响也需考虑，因而保持测量室内空气清洁是十分必要的。32本文档共48页；当前第32页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

一种减少室内散射光对测量影响的方法如图7-21。首先在测量室内的一角单独建立一与测量室隔开封闭的灯室，可大大改善测量室内的散射水平；其次在待测系统后面设陷光器，使未能射入系统的直射光为陷光器所吸收；再在待测系统周围设置双圆心反射壁，壁为抛光金属表面，使由待测系统散射到璧上的光不能直接射回。33本文档共48页；当前第33页；编辑于星期六\8点55分7.3测量系统的视场响应

②测量系统响应线性度的影响由于测量要求系统有较大的动态响应范围，系统响应线性度直接影响到测量的精确性。改变积分球出射光孔到待测系统的距离是一种简单快速检查测量系统视场外响应的方法(图7-22)。这种方法检测系统的总杂散光水平，能得到较大的杂散光信号。测量中探测器接收的辐照度变化不大，因此，对系统的动态范围要求不严。34本文档共48页；当前第34页；编辑于星期六\8点55分第7章光辐射测量系统的性能及其测量7.1测量系统的响应度

7.1.1远距离小光源法

7.1.2远距离面光源法

7.1.3近距离面光源法

7.1.4近距离小光源法7.2测量系统的光谱响应7.3测量系统的视场响应7.4测量系统的线性响应7.5测量系统的偏振响应35本文档共48页；当前第35页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

线性响应定义为测量系统的输出电压与入瞳处的辐射度量之比。具有线性响应的系统应用最为广泛，其输入信号和输出信号值之间存在如下关系：式中，R是系统的辐射通量响应度，与入射量的大小无关，也称为系统增益；b是偏置电压，即输入信号为零时的输出值。光辐射测量系统中，为在完全相同或接近条件下进行测量，广泛使用比较测量法。线性响应使测量信号的处理大为简化，尤其是复杂系统的信号处理。因为只要最少的参数就可表征线性响应系统的输入—输出特性。36本文档共48页；当前第36页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

在实际测量系统中，由于决定系统总响应度的各参数(例如探测器的响应度，放大器的增益，显示系统的特性等)都只能在一定的动态范围内是常数，因此，系统的非线性响应是不可避免的。信号过大时，系统的响应出现饱和现象；反之，输入信号过小时，系统响应淹没在噪声中，难以反映输入信号的变化。表示测量系统线性动态范围的方法很多，较方便的是用响应度增益不偏度允许误差的范围来规定系统的线性工作范围(如图7-23)，线性动态范围上限Imax由输出信号偏离理论线性值的误差确定,的大小取决于所允许的测量误差；下限Imin往往由系统的噪声电平确定。一般信号甚小时,系统具有较好的线性响应，影响信号输出主要是噪声把信号湮没。37本文档共48页；当前第37页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

线性动态范围一般用数量级M来表示例如，M=6，则系统的线性动态范围为106。更精确地，可用二次或三次函数来表示输入-输出的关系，例如二次函数

将实际测得的输入-输出值，建立最佳逼近的回归方程，由最优逼近求得参数a、b。38本文档共48页；当前第38页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

系统线性响应特性的标定需要在待测系统的入瞳处给定一系列已知的辐射度，并测得对应的系统输出信号值。由于系统的线性响应可能达几个数量级，故要在相当宽的动态范围内建立一系列已知的辐射度量是比较困难的。常用的方法是下列方法或其组合。①在导轨上改变光源到测量系统的距离。②用一组透射比经过标定的中性密度滤光片插入或移出光路的方法。③用一系列固定孔径的光阑插入光路作为光衰减器。④用偏振片组。⑤可变开口角的扇形调制板。⑥加光法。39本文档共48页；当前第39页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

②用一组透射比经过标定的中性密度滤光片插入或移出光路的方法。40本文档共48页；当前第40页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

这里重要的是要求滤光片的透射比与波长无关，因为中性密度滤光片的光谱透射比只可在一定的波长范围内认为是不变的(图7-25(a))，用涂黑的金属筛网或透光网格玻璃片(图7-25(b))能较好地满足要求，一般不推荐使用几块中性密度滤光片的叠合来得到不同的透射比，因玻璃片之间的多次反射会使叠合后的透射比不是几块滤光片透射比的简单乘积。图7-26是美国国家标准局(NBS)用以标定探测器线性响应的测量装置原理示意图。图中W1、W2、W3是中性密度滤光片轮，每一轮上装有四块透射比不同的中性密度滤光片。第五个位置是不通孔。光源由S发出，经过平面反射镜M1和凹面反射镜M2成平行光，再由分束片BS1分成两路，分别经M3和M4，在分束片BS2处两束光合一，再经过W3和反射镜M5、M6，聚集在探测器P上。五个W1位置和五个W2位置,共有25种组合，去掉W1和W2同时切断光源的状态，计24种组合。W3有四个位置,所以三个滤光片轮的不同位置构成4×24=96档透射比值。所用的滤光片经严格的挑选,材料散射大的不宜应用,安装时与光轴稍倾一个角度,以防止测量系统中元件之间的多次反射，滤光片透射比在其工作位置上事先标定。41本文档共48页；当前第41页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

③用一系列固定孔径的光阑插入光路作为光衰减器(图7-27)。相邻档光阑孔的面积相差一倍。如有九档，则可改变辐射通量29=512倍。孔径的形状不必很规则，一个孔可用多个小孔替代，但孔径的面积要精确标定，且放在最大光阑孔一档时，要求孔径各处的辐照度均匀。这种方法对光谱特性没有影响。42本文档共48页；当前第42页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

④用偏振片组。如果一对偏振片的偏振轴之间的夹角为，则光通过它们后光振幅衰减cos，辐射通量变化cos2。若光源是一自然光，经过第一片偏振片后，辐射通量衰减50％。设两偏振片偏振轴重合时的透射比为0，则光通过偏振轴夹角为的一对偏振片时，总的透射比43本文档共48页；当前第43页；编辑于星期六\8点55分7.4测量系统的线性响应

⑤可变开口角的扇形调制板。将两片相对可调节位置以改变开口角的旋转调制板加入光路(图7-29)，使光只在一部分时间内可通过。在一个时间周期T内的通光时间随而变化，从而也可改变调制板在T内的“平均透射比”。