CN109029725B - 深紫外、可见、近红外辐射定标源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空、星载相机的深紫外、可见、近红外辐射定标技术领域，具体地，涉及一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置，还包括光源组件，用于提供一个已知稳定的辐亮度输入的相机辐射定标；所述光源组件包括氙灯光源、卤钨灯光源，所述氙灯光源布置在积分球一侧，且所述氙光源发出的光线经由进口进入到积分球内，用于对相机在深紫外波段定标，如此，本申请采用色温与太阳色温较接近的短弧氙灯和卤钨灯相结合的方法模拟深紫外、可见、近红外较宽光谱范围稳定的光谱辐射输出，有效解决了出射口0.8米相机紫外波段辐射定标,填补了目前国内相机紫外波段定标空白。
Description
技术领域：
本发明涉及航空、星载相机的深紫外、可见、近红外辐射定标技术领域，具体地，涉及一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置。
背景技术：
积分球辐射源是一种非常优异的定标光源,其输出的辐亮度面均匀性和稳定性是普通光源无法比拟的。在需要使用面光源的领域，被广泛用于光学探测器的实验室定标，空间光学遥感仪器发射前的地面辐射定标。因此辐射源的稳定性、准确性对于辐射定标非常关键，直接影响到被定标仪器探测结果。现有技术中，还没有出现出射口0.8米相机紫外波段辐射定标，本申请的目的在于解决了深紫外、可见、近红外辐射定标源装置适应定量化遥感的要求，采用色温与太阳色温较接近的短弧氙灯和卤钨灯相结合的方法模拟深紫外、可见、近红外较宽光谱范围稳定的光谱辐射输出，填补了目前国内相机紫外波段定标空白。
发明内容：
本发明克服现有技术的缺陷，提供一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置。
本申请所要解决的技术问题采用以下技术方案实现：一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置，包括积分球，所述积分球上设有出口与进口，还包括光源组件，用于提供一个已知稳定的辐亮度输入的相机辐射定标；
所述光源组件包括氙灯光源、卤钨灯光源，所述氙灯光源布置在积分球一侧，且所述氙光源发出的光线经由进口进入到积分球内，用于对相机在深紫外波段定标；
所述卤钨灯光源布置在积分球内，用于对相机在可见、近红外波段定标。
优选的，所述积分球包括积分球球壳以及积分球内球胆，所述积分球内球胆经由内球胆安装支架与所述积分球球壳间隔布置，所述积分球内球胆内表面涂有均匀漫反射性的白色涂料纯硫酸钡，所述积分球内球胆采用烧结聚四氟乙烯经数控加工拼接形成。
优选的，所述氙灯光源包括2个7KW短弧氙灯，各所述短弧氙灯分别布置在支架上，短弧氙灯发射出的光线经由通道传递至积分球内，各所述短弧氙灯沿积分球的球心对称布置。
优选的，所述氙灯光源的光路上还设有用于实现固定色温能级变化调节的不同透过率的衰减屏；
所述氙灯光源的级能为7个。
优选的，所述卤钨灯光源包括42个250W卤钨灯，各所述卤钨灯围合形成卤钨灯阵列，且各卤钨灯以3个一组，划分为14个级能。
优选的，所述积分球球壳的下端设有进风口，冷却干净的空气经由进风口泵入到积分球球壳与积分球内球胆之间的腔室，所述积分球球壳上端还设有出风口，所述出风口连接有用于将腔室内热气流泵出的抽风机。
优选的，所述腔室内的空气为正压。
优选的，各所述短弧氙灯经由14～16m/s的自然风强制散热；
所述通道上还设有用于吸收700nm以后波段的镀介质膜的深椭球反光碗；
各卤钨灯的灯脚连接有用于水冷散热的紫铜管。
优选的，还包括光源控制单元，用于控制氙灯光源、卤钨灯光源的级能；
还包括光稳定性监测单元，所述光稳定性监测单元包括用于检测积分球内的辐亮度稳定性的光谱仪计，所述光谱仪计设置在积分球内；
还包括***安全监测单元，所述***安全监测单元包括用于检测风扇以及短弧氙灯上电流稳定性的电流计。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：本申请采用色温与太阳色温较接近的短弧氙灯和卤钨灯相结合的方法模拟深紫外、可见、近红外较宽光谱范围稳定的光谱辐射输出，通过聚四氟乙烯积分球作为匀光单元实现0.8米口径均匀面光源，根据短弧氙灯和卤钨灯光电转化效率、光学***光收集效率和积分球匀光衰减特性对深紫外、可见、近红外积分球辐射源出光口出射辐射亮度、面均匀性和角度均匀性进行辐射标定，其中，氙灯光源用于产生深紫外光辐射，通过介质膜深椭球反光碗进入积分球，经积分球内壁高反射涂层的多次反射，在积分球出口处形成朗伯面光源，为相机紫外波段的辐射定标提供了保证，有效解决了出射口0.8米相机紫外波段辐射定标,填补了目前国内相机紫外波段定标空白。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为面均匀性和角均匀性对应积分球内壁区域；
图3为本发明短弧氙灯光源黑体辐射通量分布图；
图4为本发明卤钨灯积分球输出辐亮度示意图；
图5为本发明短弧氙灯+卤钨灯积分球输出辐亮度分布图；
图6为本发明辐亮度非均匀性随角度变化范围示意图；
图中：10～积分球；11～积分球球壳；12～积分球内球胆；21～短弧氙灯；22～通道；31～卤钨灯；40～进风口；50～出风口。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1：
如图1所示，一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置，包括积分球10，积分球10上设有出口与进口，还包括光源组件，用于提供一个已知稳定的辐亮度输入的相机辐射定标；光源组件包括氙灯光源、卤钨灯光源，氙灯光源布置在积分球10一侧，且氙光源发出的光线经由进口进入到积分球10内，用于对相机在深紫外波段定标；卤钨灯光源布置在积分球10内，用于对相机在可见、近红外波段定标。
本申请采用色温与太阳色温较接近的短弧氙灯21和卤钨灯31相结合的方法模拟深紫外、可见、近红外较宽光谱范围稳定的光谱辐射输出，通过聚四氟乙烯积分球作为匀光单元实现0.8米口径均匀面光源，根据短弧氙灯21和卤钨灯31光电转化效率、光学***光收集效率和积分球匀光衰减特性对深紫外、可见、近红外积分球辐射源出光口出射辐射亮度、面均匀性和角度均匀性进行辐射标定。
如图1所示，积分球10包括积分球球壳11以及积分球内球胆12，积分球内球胆12经由内球胆安装支架与积分球球壳11间隔布置，积分球内球胆12内表面涂有均匀漫反射性的白色涂料纯硫酸钡，积分球内球胆12采用烧结聚四氟乙烯经数控加工拼接形成。
如图1所示，氙灯光源包括2个7KW短弧氙灯21，各短弧氙灯21分别布置在支架上，短弧氙灯21发射出的光线经由通道22传递至积分球10内，各短弧氙灯(21)沿积分球10的球心对称布置，氙灯光源的光路上还设有用于实现固定色温能级变化调节的不同透过率的衰减屏；氙灯光源的级能为7个，氙灯光源用于产生深紫外光辐射，通过介质膜深椭球反光碗进入积分球，经积分球内壁高反射涂层的多次反射，在积分球出口处形成朗伯面光源，为相机紫外波段的辐射定标提供了保证，效解决了出射口0.8米相机紫外波段辐射定标,填补了目前国内相机紫外波段定标空白。
如图1所示，卤钨灯光源包括42个250W卤钨灯31，各卤钨灯31围合形成卤钨灯阵列，且各卤钨灯31以3个一组，划分为14个级能，本申请中，能级变化卤钨灯是通过开灯数量不同来实现不同能级的输出变化，对于短弧氙灯光源考虑到电流调节导致的色温变化，短弧氙灯部分的能级调节可采用不同透过率衰减屏切入光路的的方法实现固定色温能级变化调节。
如图1所示，积分球球壳11的下端设有进风口40，冷却干净的空气经由进风口40泵入到积分球球壳11与积分球内球胆12之间的腔室，积分球球壳11上端还设有出风口50，出风口50连接有用于将腔室内热气流泵出的抽风机，腔室内的空气为正压，***整体的电功率较高，需要从安全性实用性角度考虑其***的散热问题，采用设计冷空气对流的方式实现，在积分球下方设计入风口将干洁冷却空间送入球内，在积分球的上部设计出风口将热空气抽出，通过进出口风压的设计实现球内外的空气正压，起到降温防尘的功效。
如图1所示，各短弧氙灯21经由14～16m/s的自然风强制散热；通道22上还设有用于吸收700nm以后波段的镀介质膜的深椭球反光碗；各卤钨灯的灯脚连接有用于水冷散热的紫铜管，本申请中，短弧氙灯灯泡发热量比较大，该处水冷的工艺难度较大，可采用强制风冷的方式实现，根据前期研制经验7KW氙灯采用15m/s风速的自然风可实现对灯泡的强制散热，同时，采用镀介质膜的深椭球反光碗，将700nm以后包含较多热辐射和辐射输出不稳的波段直接透过，只收集200nm-700nm波段紫外-可见光辐射，可进一步减小积分球内部的热累积，其次，卤钨灯31的热主要集中的灯脚，灯脚的散热面较小，风冷效果不佳，可采用紫铜管水冷热传导的方法将热量带出，实现对灯脚的降温。
具体地，还包括光源控制单元，用于控制氙灯光源、卤钨灯光源的级能；还包括光稳定性监测单元，所述光稳定性监测单元包括用于检测积分球10内的辐亮度稳定性的光谱仪计，光谱仪计设置在积分球10内；还包括***安全监测单元，***安全监测单元包括用于检测风扇以及短弧氙灯21上电流稳定性的电流计。
实施例2：
本实施例结构与实施例1的结构基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
本实施例还公开了深紫外、可见、近红外辐射定标源装置的使用方法，具体包括以下步骤：
(1)出光口辐亮度核算：
按照普朗克黑体辐射的公式(1)按照短弧氙灯光源典型色温特征进行光源输出辐射通量计算。
公式中C1、C2为普朗克常数，T为短弧氙灯光源色温5800K，与太阳色温比较接近。计算得到的短弧氙灯输出辐射通量分布如图3-6所示。
(2)积分球出光口均匀性分析：
积分球出光口辐亮度的空间分布均匀性是其在应用时的重要参数，空间均匀性包括距离出光口一定距离处照射面的辐照度均匀性和以出光口轴心为顶点的辐亮度角均匀性(即角度范围内对应的积分球内表面辐亮度均匀性)。积分球光源近似一个郎伯光源，其面均匀性可以看成其对应的积分球内表面辐亮度的均匀性，其对应区域如图2所示。
从图2中可以看出，在指标要求±25°范围内角均匀性对应区域已包括面均匀性所对应区域，当角度非均匀性满足指标要求小于1％时，面均匀性同样会满足角均匀性指标要求。
内置光源的积分球内壁涂层可以近似看成是朗伯体，故出光口空间分布非均匀性这主要是由于光源的非朗伯性和积分球内壁接缝处非朗伯性导致，积分球内置光源一般为卤钨灯，卤钨灯一般认为是点光源，即在各个角度的辐射出射度相同，这就导致其在不同积分球表面处的辐照度有差异，从而导致各个点的一次反射辐亮度不相等，这也就是空间分布不均匀性的源头。
(3)空间分布不均匀性与卤钨灯安装位置之间的关系
卤钨灯安装位置处法线逆时针角度θ处一次反射辐亮度可通过下式得到：
其中l为积分球内直径。
多次反射在θ处产生辐亮度为
球壁上点光源辐射范围为半球空间，故出射光通量为
φ＝F·2π (3)
点光源θ范围内辐亮度非均匀性为
可知，积分球空间分布均匀性只跟所计算的角度范围，开口比，球壁内表面反射率有关，在开口比跟内壁材料反射率一定时，辐亮度非均匀性随角度变化范围如图6所示：
由图6可知开口比越小，内壁材料反射率越高，光源发射角度范围内均匀性越好，对于0.8米开口积分球光源，当内壁涂层反射率为0.97，开口比为0.04时，点光源发射角±25°范围内对应积分球辐亮度非均匀性小于1％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种深紫外、可见、近红外辐射定标源装置，包括积分球（10），所述积分球（10）上设有出口与进口，其特征在于，还包括光源组件，用于提供一个已知稳定的辐亮度输入的相机辐射定标；
所述光源组件包括氙灯光源、卤钨灯光源，所述氙灯光源布置在积分球（10）一侧，且所述氙灯 光源发出的光线经由进口进入到积分球（10）内，用于对相机在深紫外波段定标；
所述卤钨灯光源布置在积分球（10）内，用于对相机在可见、近红外波段定标；
所述积分球（10）包括积分球球壳（11）以及积分球内球胆（12），所述积分球内球胆（12）经由内球胆安装支架与所述积分球球壳（11）间隔布置，所述积分球内球胆（12）内表面涂有均匀漫反射性的白色涂料纯硫酸钡，所述积分球内球胆（12）采用烧结聚四氟乙烯经数控加工拼接形成；
所述氙灯光源包括2个7KW短弧氙灯（21），各所述短弧氙灯（21）分别布置在支架上，短弧氙灯（21）发射出的光线经由通道（22）传递至积分球（10）内，各所述短弧氙灯（21）沿积分球（10）的球心对称布置；
所述氙灯光源的光路上还设有用于实现固定色温能级变化调节的不同透过率的衰减屏；
所述氙灯光源的级能为7个；
所述卤钨灯光源包括42个250W卤钨灯（31），各所述卤钨灯（31）围合形成卤钨灯阵列，且各卤钨灯（31）以3个一组，划分为14个级能；
所述积分球球壳（11）的下端设有进风口（40），冷却干净的空气经由进风口（40）泵入到积分球球壳（11）与积分球内球胆（12）之间的腔室，所述积分球球壳（11）上端还设有出风口（50），所述出风口（50）连接有用于将腔室内热气流泵出的抽风机；
所述腔室内的空气为正压；
各所述短弧氙灯（21）经由14~16m/s的自然风强制散热；
所述通道（22）上还设有用于吸收700nm以后波段的镀介质膜的深椭球反光碗；
各卤钨灯（31）的灯脚连接有用于水冷散热的紫铜管；
还包括光源控制单元，用于控制氙灯光源、卤钨灯光源的级能；
还包括光稳定性监测单元，所述光稳定性监测单元包括用于检测积分球（10）内的辐亮度稳定性的光谱仪计，所述光谱仪计设置在积分球（10）内；
还包括***安全监测单元，所述***安全监测单元包括用于检测风扇以及短弧氙灯（21）上电流稳定性的电流计；
所述深紫外、可见、近红外辐射定标源装置的使用方法，具体包括以下步骤：（1）出光口辐亮度核算；（2）积分球出光口均匀性分析；（3）空间分布不均匀性与卤钨灯安装位置之间的关系；
积分球内壁涂层反射率为0.97，开口比为0.04。
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