CN106840198B - 一种微光相机辐射定标方法 - Google Patents

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Abstract

一种微光相机辐射定标方法，首先采用光谱辐射计标定出级联式微光辐射定标***中相邻两个级联积分球之间的光谱辐亮度传递系数，得到各辐亮度级次主积分球辐射出口处的光谱辐亮度；将待测微光相机置于热真空罐内，并采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球出口中心；热真空罐进行抽真空，抽真空完成后，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，使微光相机光机主体和焦面工作于其设计工作温度下；采集各辐亮度级次微光相机的辐射定标数据；分析相机辐射响应特性，完成定标。

Description

一种微光相机辐射定标方法
技术领域
本发明涉及一种辐射定标方法，特别是一种用于航天微光相机辐射性能测试的高精度实验室辐射定标方法。
背景技术
航天遥感相机在***性能测试时，需要完成辐射定标工作，以确定相机的动态范围、响应线性、信噪比、绝对定标系数和相对定标系数等。高精度辐射定标是遥感相机研制过程中必不可少的过程，在相机***性能调试、探测能力判断方面起着重要的作用，辐射定标精度直接影响到相机在轨图像产品的定量化应用水平。随着全天时探测需求的发展，微光成像探测技术开始应用于航天光学遥感领域，用户对微光遥感器定量化应用的需求迫切，微光辐射定标技术成为制约微光光学遥感器研制的瓶颈技术之一。
目前对于微光光学遥感器的辐射定标办法，一般采用光谱辐射计直接瞄准辐射定标源(例如积分球)辐射出口进行测量得到辐射定标源的光谱辐亮度，如美国NewHampshire大学的磁层-电离层研究实验室(MIRL)的F.Brent Sadler和加拿大Calgary大学的Leroy L.Cogger等人联合发表的《Facility for optical calibration at low lightlevel(FOCAL3)》一文中所述的采用微光辐射定标设备对快速极光成像仪(FAI)开展辐射定标的方法。采用这种方法可以在实验室环境环境中对光学遥感器进行辐射定标，但当微光光学遥感器焦面温度低于0℃时，在实验室环境中开展辐射定标会造成焦面“结露”或“结霜”，对于在轨焦面工作温度低于0℃的微光光学遥感器，不能采用在实验室环境中开展辐射定标的方法；此外，美国New Hampshire大学的FOCAL3装置采用在积分球上放置一个热电制冷型硅探测器来辅助完成微光亮度的标定，微光条件下光谱辐亮度标定精度低，无法满足需定量化应用的大动态范围微光光学遥感器辐射定标精度的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光谱辐亮度测量精度高、定标动态范围大、可模拟相机在轨工作温度、定标精度高的微光辐射定标方法。
本发明的技术解决方案是：一种微光相机辐射定标方法，步骤如下：
(1)当级联式微光辐射定标***的主积分球内光辐射由次级积分球提供时，采用光谱辐射计测试主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数；
采用光谱辐射计测试末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数；
在级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口输出为各微光辐亮度级次时，采用光谱辐射计测试级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，将测得的级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，结合次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数和末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数，计算得到各辐亮度级次下，主积分球辐射出口处的光谱辐亮度；
(2)将待测微光相机置于热真空罐内，并采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；
(3)调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球辐射出口中心；
(4)将热真空罐进行抽真空，抽真空完成后，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，使微光相机光机主体和焦面工作于设定工作温度下，相机焦面可设定为不同的低温工况；
(5)采集级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口处的各辐亮度级次下微光相机的辐射定标数据；
(6)根据步骤(5)的辐射定标数据，确定相机辐射响应特性，包括：相机的动态范围、响应线性、信噪比、绝对定标系数和相对定标系数。
级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口可以覆盖微光相机的全部成像视场；末级积分球内壁直径、次级积分球内壁直径和主积分球球内壁直径之间的比例关系为1：1：3。
对真空罐抽真空后，当罐内气压低于1×10-3Pa时，再对微光相机焦面采取温控措施，并在真空罐内设置低于焦面温度的低温热沉，以避免微光相机焦面受到污染。
级联式微光辐射定标***的末级积分球光辐射测量口位于末级积分球和次级积分球连接处的水平侧面，开口系数，即积分球光辐射测量口面积与积分球球壁面积之比，不大于1％；次级积分球光辐射测量口位于次级积分球和主积分球连接处的水平侧面，开口系数不大于1％；末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口位于级联式微光辐射定标***的同侧。
微光辐射定标在密光环境中进行，真空罐置于定标暗室环境内，定标暗室内除级联式微光辐射定标***主积分球辐射出口处有光辐射外，没有其它光源引入杂散光；为避免环境杂散光进入定标暗室，定标暗室外的实验室环境照度低于1×10-4lx。
相机焦面的不同的低温工况，优选为-30℃的低温工况。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用光谱辐射计标定出级联式微光辐射定标***中相邻两个级联积分球之间的光谱辐亮度传递系数，实现了在微光条件下对主积分球辐射出口处光谱辐亮度的精确标定。
(2)本发明方法采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件，解决了一般定标方法中在微光相机定标光路中引入非相机自身光学件会造成定标精度降低的问题，能够实现高精度微光辐射定标。
(3)本发明方法通过将微光相机置于热真空罐内，对微光相机采取温控措施，可以使微光相机光机主体和焦面工作于设计工作温度下，可以实现相机焦面在-30℃等不同低温工况下的辐射定标，与在轨状态一致，定标精度高。
(4)本发明能够实现108:1以上动态范围的辐射定标。
附图说明
图1为本发明辐射定标方法的流程框图；
图2为本发明辐射定标方法中所用定标装置的结构组成图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种微光相机辐射定标方法，首先采用光谱辐射计标定出级联式微光辐射定标***中相邻两个级联积分球之间的光谱辐亮度传递系数，得到各辐亮度级次主积分球辐射出口处的光谱辐亮度；将待测微光相机置于热真空罐内，并采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球出口中心；热真空罐进行抽真空，抽真空完成后，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，使微光相机光机主体和焦面工作于其设计工作温度下；采集各辐亮度级次微光相机的辐射定标数据；分析相机辐射响应特性，完成定标。
本方法通过提高对微光辐射定标***输出光谱辐亮度测试的精度，大大提高了微光辐射定标精度；方法采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件，避免了在定标光路中引入非相机自身的光学件易造成辐射定标精度降低的情况，并可以实现相机在真空环境中不同温度下的辐射定标。
优选的具体实施例为：一种微光相机辐射定标方法，步骤如下：
(1)当级联式微光辐射定标***的主积分球内光辐射由次级积分球提供时，采用光谱辐射计测试主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数；
(2)当次级积分球内光辐射仅由末级积分球提供时，采用光谱辐射计测试末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数；
(3)在级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口输出为各微光辐亮度级次时，采用光谱辐射计测试级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，将测得的级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，结合次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数和末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数，计算得到各辐亮度级次下，主积分球辐射出口处的光谱辐亮度；
(4)将待测微光相机置于热真空罐内；
(5)采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；
(6)调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球辐射出口中心；
(7)将热真空罐进行抽真空；
(8)待热真空罐抽真空完成后，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，使微光相机光机主体和焦面工作于设计工作温度下；
(9)采集各辐亮度级次微光相机的辐射定标数据；
(10)分析相机辐射响应特性，完成定标。
所述步骤(1)中次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数的计算公式为：ρ1-2(λ)＝L1(λ)/L2(λ)，式中，ρ1-2(λ)为次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数，L1(λ)、L2(λ)分别为级联式微光辐射定标***输出为同一辐亮度级次时，用光谱辐射计测得的主积分球辐射出口处的光谱辐亮度和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度。
所述步骤(2)中末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数的计算公式为：ρ2-3(λ)＝L2(λ)/L3(λ)，式中，ρ2-3(λ)为末级积分球和次级积分球的光谱辐亮度传递系数，L2(λ)、L3(λ)分别为级联式微光辐射定标***输出为同一辐亮度级次时，用光谱辐射计测得的次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度。
所述步骤(3)中当主积分球内光辐射由次级积分球内光源提供时，由次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度推算主积分球辐射出口处的光谱辐亮度的优选计算公式为：L'1i(λ)＝L'2i(λ)×ρ1-2(λ)，式中，L'1i(λ)为级联式微光辐射定标***输出辐亮度级次为i时主积分球辐射出口处的光谱辐亮度，L'2i(λ)为级联式微光辐射定标***输出辐亮度级次为i时次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度。当次级积分球内光辐射仅由末级积分球提供时，由末级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度推算主积分球辐射出口处的光谱辐亮度的计算公式为：L'1i(λ)＝L'3i(λ)×ρ2-3(λ)×ρ1-2(λ)，式中，L'3i(λ)为级联式微光辐射定标***输出辐亮度级次为i时末级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度。
步骤(5)中微光相机自身光机结构组件包括相机自身的光学窗口、透镜等组件。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明方法所用定标装置的结构组成图，其中1、2和3分别为末级积分球、次级分球和主积分球，1、2和3组成了级联式微光辐射定标***，末级积分球内壁直径、次级积分球内壁直径和主积分球球内壁直径之间的比例关系优选方案为1：1：3，4、5分别为末级积分球、次级分球的光辐射测量口；末级积分球光辐射测量口4位于末级积分球1和次级积分球2连接处的水平侧面，末级积分球光辐射测量口4开口系数(光辐射测量口面积与积分球球壁面积之比)不大于1％；次级积分球光辐射测量口5位于次级积分球2和主积分球3连接处的水平侧面，次级积分球光辐射测量口5开口系数不大于1％；末级积分球光辐射测量口4和次级积分球光辐射测量口5位于级联式微光辐射定标***的同侧；6为主积分球的辐射出口，主积分球辐射出口可以覆盖微光相机的全部成像视场；7为光谱辐射计，8为微光相机，9为热真空罐。
如图2所示为本发明辐射定标方法的流程框图，微光辐射定标在密光环境中进行，真空罐置于定标暗室环境内，定标暗室内除级联式微光辐射定标***主积分球辐射出口处有光辐射外，没有其它光源引入杂散光；为避免环境杂散光进入定标暗室，优选方案为：定标暗室外的实验室环境照度低于1×10-4lx。当级联式微光辐射定标***的主积分球3内光辐射由次级积分球2提供时，采用光谱辐射计7测试主积分球辐射出口6和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，根据主积分球辐射出口6和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的次级积分球2到主积分球3的光谱辐亮度传递系数；采用光谱辐射计7测试末级积分球光辐射测量口4和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，根据末级积分球光辐射测量口4和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数；在级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口6输出为各微光辐亮度级次时，采用光谱辐射计7测试级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口4处和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，将测得的级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口4处和次级积分球光辐射测量口5处的光谱辐亮度，结合次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数和末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数，计算得到各辐亮度级次下，主积分球辐射出口6处的光谱辐亮度。级联式微光辐射定标***光谱辐亮度标定完成后，将待测微光相机8置于热真空罐9内，并采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球辐射出口中心；将热真空罐抽真空，优选方案为：当罐内气压低于1×10-3Pa时，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，并在真空罐内设置低于焦面温度的低温热沉，使微光相机光机主体和焦面工作于其设计工作温度下，根据定标需求可将相机焦面温度设定为-30℃等不同的低温工况。
按从高到低的次序改变级联式微光辐射定标***的输出辐亮度级次，在各辐亮度级次进行微光相机的辐射定标数据采集工作；根据辐射定标数据，确定相机的辐射响应特性，得到相机的动态范围、响应线性、信噪比、绝对定标系数和相对定标系数。
本发明的微光相机辐射定标方法，其辐射定标精度取决于光谱辐射计光谱辐亮度测量精度、级联式微光辐射定标***性能对定标精度的影响以及微光相机自身性能对辐射定标精度的影响。设光谱辐亮度测量引入的定标误差为δ1，辐射定标源性能引入的定标误差为δ2，微光相机自身性能引入的定标误差为δ3，辐射定标精度为δ，根据定标误差原理，优选关系式
光谱辐射计校准精度优于5％，优选方案为：在微光条件下，如1×10-4W/(m2·sr·μm)时光谱辐亮度测量精度优于10％；级联式微光辐射定标***性能对定标精度的影响小于5％；微光相机自身性能引入的定标误差小于10％；所以本发明可以实现的辐射定标精度优于15％，而且能够实现108:1以上动态范围的辐射定标。
本发明可以实现光谱辐亮度测量精度高、定标动态范围大、可模拟相机在轨工作温度、定标精度高的微光辐射定标，不但可应用于微光光学遥感器的辐射定标和性能测试，比如动态范围和信噪比测试等，而且可以应用于其他光学遥感器在弱辐亮度输入情况下的性能测试。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种微光相机辐射定标方法，其特征在于步骤如下：
(1)当级联式微光辐射定标***的主积分球内光辐射由次级积分球提供时，采用光谱辐射计测试主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据主积分球辐射出口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数；
采用光谱辐射计测试末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，根据末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，计算得出级联式微光辐射定标***中的末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数；
在级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口输出为各微光辐亮度级次时，采用光谱辐射计测试级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，将测得的级联式微光辐射定标***末级积分球光辐射测量口处和次级积分球光辐射测量口处的光谱辐亮度，结合次级积分球到主积分球的光谱辐亮度传递系数和末级积分球到次级积分球的光谱辐亮度传递系数，计算得到各辐亮度级次下，主积分球辐射出口处的光谱辐亮度；
(2)将待测微光相机置于热真空罐内，并采用微光相机自身光机结构组件作为隔离热真空罐内真空环境和罐外实验室环境的组件；
(3)调整热真空罐位置使微光相机光轴对准主积分球辐射出口中心；
(4)将热真空罐进行抽真空，抽真空完成后，对微光相机光机主体和焦面采取温控措施，使微光相机光机主体和焦面工作于设定工作温度下，相机焦面可设定为不同的低温工况；
(5)采集级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口处的各辐亮度级次下微光相机的辐射定标数据；
(6)根据步骤(5)的辐射定标数据，确定相机辐射响应特性，包括：相机的动态范围、响应线性、信噪比、绝对定标系数和相对定标系数。
2.根据权利要求1所述的一种微光相机辐射定标方法，其特征在于：
级联式微光辐射定标***的主积分球辐射出口覆盖微光相机的全部成像视场；末级积分球内壁直径、次级积分球内壁直径和主积分球球内壁直径之间的比例关系为1：1：3。
3.根据权利要求1所述的一种微光相机辐射定标方法，其特征在于：对真空罐抽真空后，当罐内气压低于1×10-3Pa时，再对微光相机焦面采取温控措施，并在真空罐内设置低于焦面温度的低温热沉，以避免微光相机焦面受到污染。
4.根据权利要求1所述的一种微光相机辐射定标方法，其特征在于：级联式微光辐射定标***的末级积分球光辐射测量口位于末级积分球和次级积分球连接处的水平侧面，开口系数，即积分球光辐射测量口面积与积分球球壁面积之比，不大于1％；次级积分球光辐射测量口位于次级积分球和主积分球连接处的水平侧面，开口系数不大于1％；末级积分球光辐射测量口和次级积分球光辐射测量口位于级联式微光辐射定标***的同侧。
5.根据权利要求1所述的一种微光相机辐射定标方法，其特征在于：微光辐射定标在密光环境中进行，真空罐置于定标暗室环境内，定标暗室内除级联式微光辐射定标***主积分球辐射出口处有光辐射外，没有其它光源引入杂散光；为避免环境杂散光进入定标暗室，定标暗室外的实验室环境照度低于1×10-4lx。
6.根据权利要求1所述的一种微光相机辐射定标方法，其特征在于：相机焦面的低温工况为-30℃的低温工况。
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