CN114279563A - 便携式辐射标准源及其对成像光谱仪的辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式辐射标准源及其对成像光谱仪的辐射定标方法，标准源包括积分球、均安装在积分球上的激光二极管、复色光源、电替代绝对辐射计组件、光电探测器组件和滤光片轮组件；激光二极管为多通道结构；复色光源通过可调光阑调节入射辐射通量；积分球形成辐亮度均匀的面光源，积分球具有绝对观察口、次级观察口和出射光口；安装在绝对观察口的电替代绝对辐射计组件包括电替代绝对辐射计；光电探测器组件安装在次级观察口；滤光片轮组件与通道数量相等的滤光片，使积分球内与通道相同波长的光线进入光电探测器组件；电替代绝对辐射计组件和光电探测器组件分别探测积分球的辐亮度。本发明的标准源便于携带。

Description

便携式辐射标准源及其对成像光谱仪的辐射定标方法

技术领域

本发明涉及辐射定标领域，尤其涉及便携式辐射标准源及其对成 像光谱仪的辐射定标方法。

背景技术

随着航天时代的到来，有越来越多的搭载成像光谱仪的卫星发射 成功，在轨运行的成像光谱仪可以提供地球的卫星遥感图像，便于人 们进行地球环境的监测和预报。成像光谱仪在越来越多的领域发挥着 越来越重要的作用，但是由于使用成像光谱仪进行观测时，受成像光 谱仪工作环境的不可控因素，以及长期工作仪器本身的老化都会对成 像光谱仪的工作稳定性、测量精度造成影响。因此指定一个高精度的 辐射量值传递***，定期对成像光谱仪实施高精度辐射定标是很有必 要的。为了实现辐射定标的标准化，要求成像光谱仪入瞳处的辐射量 值是已知的并且是溯源于国际单位制(SI)的。

在目前高光谱成像光谱仪可见近红外波段(400-1000nm)的地面 辐射定标方法中，通常分为图1所示的基于标准光源和图2所示的基 于标准探测器两种定标方式。基于标准光源的定标方法通常都采用标 准辐照度灯照射均匀性较好的漫反射板作为定标时的测量目标来进 行辐射定标，基于标准探测器的方法通常通过将待定标成像光谱仪和 测量精度较高的标准探测器对同一观测目标(被照亮的漫反射板或积 分球光源)进行测量，实现辐射量值的传递进而实现对成像光谱仪的 辐射定标。

目前地面能够实现的这两种基本的辐射定标方案，基于标准光源 的方案由于光源自身的不确定性较低，无法实现较高的定标精度，目 前只能维持在5％-10％的定标不确定度，并且由于光源自身随时间的衰 减性，导致基于标准光源法的定标方案可溯源性较差，也无法实现长 期可持续以及高频次的辐射定标。基于标准探测器的定标方案，由于 标准探测器自身的测量精度相对较高，相比于标准光源法，具有更高 的定标精度，通常能达到3％-5％，但是该种方法所要搭建的定标*** 相对复杂，通常只能在实验室内完成定标，对人力物力的耗费也相对 较大，并且对标准探测器和成像光谱仪的相对位置摆放重复性要求极 高，不利于多频次以及多场景下的辐射定标，在需要成像光谱仪外场 或复杂场景下的长期观测时，难以对成像光谱仪测试稳定性进行实时 监测，保证成像光谱仪测试数据的长期可持续性。

两种方法都无法实现高频次、多场景下的辐射定标，不便于携带， 通常只能在实验室的固定场景下进行定标，无法在除实验室外的其它 场景下提供可溯源的高精度辐射标准源，实现便捷、高效的地面辐射 定标，这就对成像光谱仪长期稳定可持续的观测测量提出了挑战。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种便携式的、且利用电替代 绝对辐射计的标准光源。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术 方案：

标准源，包括积分球、激光二极管、复色光源、作为绝对辐射基 准的电替代绝对辐射计组件、作为次级辐射基准的光电探测器组件和 滤光片轮组件；

所述激光二极管、所述复色光源、电替代绝对辐射计组件、光电 探测器组件和滤光片轮组件均安装在所述积分球上；

所述激光二极管为至少包括两个通道的多通道结构，每个通道提 供单波长的单色光源；

所述复色光源通过可调光阑调节入射辐射通量，提供给成像光谱 仪定标所需的不同辐射量级的全谱段的定标光；

所述积分球用于对所述单色光源或所述复色光源的出射光进行 匀光，所述积分球具有绝对观察口、次级观察口和出射光口；

所述电替代绝对辐射计组件安装在所述绝对观察口处，所述电替 代绝对辐射计组件包括电替代绝对辐射计；

用于测量积分球的辐亮度的所述光电探测器组件安装在所述次 级观察口；

所述滤光片轮组件包括与所述通道数量相同的滤光片，并使所述 积分球内与所述通道相同波长的光线进入所述光电探测器组件；

所述滤光片轮组件还包括不透光片，所述不透光片可阻挡所述积 分球内的光线进入所述光电探测器组件；

所述电替代绝对辐射计组件和所述光电探测器组件分别探测所 述积分球的辐亮度，且所述光电探测器组件的响应时间比所述电替代 绝对辐射计组件快。

进一步的，滤光片轮组件包括电机和转盘；转盘的周向布置有不 透光片和滤光片；转盘在电机的驱动下转动，实现不透光片或滤光片 转动至与光电探测器组件相对应的位置。

进一步的，电替代绝对辐射计组件还包括第一Gershun管，第一 Gershun管对电替代绝对辐射计的视场进行限制。

进一步的，还包括单色光源挡板，单色光源挡板采用的材料与积 分球的内壁的材料一致；光电探测器组件单色光源挡板用以避免单色 光入射积分球内第一次反射后进入电替代绝对辐射计组件和光电探 测器组件。

进一步的，激光二极管提供可见近红外波段时，光电探测器组件 为Gershun管式辐射计，光电探测器组件包括光电二极管和第二 Gershun管，第二Gershun管对光电二极管的视场进行限制。

进一步的，次级观察口和绝对观察口对称分布在出射光口的周向； 在积分球的内壁上，光电二极管的观测区域与出射光口沿积分球的径 向投影形成的区域保持一致。

进一步的，激光二极管提供1000-2500nm的短波红外波段时，光 电探测器组件包括与短波红外波段相匹配的短波红外探测器。

一种利用标准源进行成像光谱仪定标的方法，包括以下步骤：

A1、将电替代绝对辐射计组件作为绝对辐射基准，激光二极管作 为单波长的多通道辐射传递媒介，光电探测器组件作为次级辐射基准， 实现电替代绝对辐射计对光电探测器组件的每个通道的辐亮度响应 度定标；

A2、用定标后的光电探测器组件获得复色光源在每个通道的波长 处的辐亮度值；根据每个通道的波长和对应的辐亮度值反演光谱辐亮 度曲线，实现标准源的出射光的光谱辐亮度的自定标。

本发明能够取得以下技术效果：

本专利的目的是解决高光谱成像光谱仪可见近红外波段地面辐 射定标无法兼顾可溯源性，定标精度、***简单化以及对定标场景限 制性的问题，给出了一种可溯源SI的能够实时提供光谱辐亮度准值 的便携式标准源的设计方案及相应的定标方法，提供了在各种场景下 对成像光谱仪进行高频次、高精度辐射定标的可能。通过采用积分球 作为结构主体提供了定标所需的高均匀性的朗伯光，同时利用单色性 较好的激光二极管和由恒流源和控温***组成的功率稳定性控制系 统配合使用作为辐亮度传递媒介，保证了辐射量值传递稳定性；通过 引入ESR作为可溯源至SI的绝对辐射基准，利用ESR的高精度测量和长期稳定性，提高了在任意场景下的辐亮度的准确度以及辐射定标 的可溯源性。通过将各部件与积分球结构主体的高度集成，在保证辐 射定标的高精度和可溯源性的前提下，实现了定标辐射标准源的高度 简易化和小型化，从而能够在不同场景、不同环境下实现对成像光谱 仪在可见近红外波段不同辐射量级的高精度、高频次、便携式的辐射 定标。

附图说明

图1为现有技术的标准光源法辐射定标方式的示意图；

图2为现有技术的标准探测器法辐射定标方式的示意图；

图3为本发明公开的Gershun管结构剖视图；

图4为本发明公开的滤光片轮结构示意图；

图5为本发明公开的标准源的结构示意图；

图6为本发明公开的步骤S1的测量过程示意图；

图7为本发明公开的步骤S2的测量过程示意图；

图8为本发明公开的步骤S3的测量过程示意图；

图9为本发明公开的高光谱辐亮度曲线的示意图。

附图标记：积分球1、出射光口11、激光二极管2、复色光源3、 电替代绝对辐射计4、光电二极管5、滤光片轮组件6、不透光片61。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处 所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图5-6所示的标准源，包括积分球1、均安装在积分球1上的 激光二极管2、复色光源3、电替代绝对辐射计组件、用于测量积分 球1的辐亮度的光电探测器组件和滤光片轮组件6。激光二极管2为 多通道结构，激光二极管2提供n≥2个单波长的单色光源，为多通道结构；复色光源3通过可调光阑调节入射辐射通量，提供给成像光 谱仪定标所需的不同辐射量级的全谱段均匀定标光；积分球1用以对 入射至积分球1内壁上的单色光源或复色光源3匀光以形成辐亮度均 匀的面光源，积分球1具有绝对观察口、次级观察口和出射光口11； 安装在绝对观察口的电替代绝对辐射计组件优选包括电替代绝对辐 射计4和第一Gershun管7，第一Gershun管7对电替代绝对辐射计4 的视场进行限制；光电探测器组件安装在次级观察口；滤光片轮组件 6包含与通道数量相等的n个滤光片，每个滤光片与每个单色光源的 波长相对应，使积分球1内与通道相同波长的光线进入所述光电探测 器组件，即激光二极管2开启的是A波长的单色光源，经过滤光片作 用，积分球内只有A波长的光线能进入光电探测器组件；入射至积分 球1内部的单色光源，经次级观察口进入对应波长的滤光片后到达光 电探测器组件；电替代绝对辐射计组件作为绝对辐射基准，用以测量 积分球1的辐亮度；同时光电探测器组件作为次级辐射基准，用以测 量积分球1的辐亮度。且光电探测器组件的响应时间比电替代绝对辐 射计组件快。

使用时，电替代绝对辐射计组件作为绝对辐射基准，激光二极管 2作为单波长的多通道辐射传递媒介，光电探测器组件作为次级辐射 基准，实现所述电替代绝对辐射计对所述光电探测器组件的每个通道 的辐亮度响应度定标光电探测器组件；

用定标后的光电探测器组件获得复色光源在每个通道的波长处 的辐亮度值；根据每个通道的波长和对应的辐亮度值反演光谱辐亮度 曲线，实现标准源的出射光的光谱辐亮度的自定标。

通过引入可溯源至SI的电替代绝对辐射计(Electrical SubstitutionRadiometer，以下简称ESR)作为绝对辐射基准，将响应速度更快的光 电探测器组件作为次级辐射基准，以多通道的激光二极管提供的单色 光源作为传递媒介，以复色光源作为复色定标光源，将各部件进行高 度集成，构建了便携式、小型化的辐射定标标准源，能够在不同场景 不同环境下。使用电替代绝对辐射计实现较高的定标精度，并实时提 供具有光谱辐亮度准值的均匀定标光，并提供相应的定标方案，解决 了成像光谱仪可见近红外波段(400-1000nm)、短波红外(1000-2500nm) 及太阳反射波段(400-2500nm)的辐射定标难以兼顾定标精度、定标 ***简易性以及定标场景局限性的问题，并且能够在多种场景下为高光谱成像仪提供光谱辐亮度已知的均匀标准源，从而实现对不同动态 范围成像光谱仪的高频次、多场景下的高精度辐射定标，为成像光谱 仪长期测量数据的稳定性和可持续性提供了重要支撑。

实施例一：一种适用于可见近红外波段(400-1000nm)的标准源。

其中，积分球1是标准源的结构主体。要实现对成像光谱仪的光 谱辐亮度定标，标准源需要获知光谱仪入瞳即标准源出射光的光谱辐 亮度值。根据积分球的辐射传输理论，由于积分球的内部高反射率的 漫反射涂层对入射光的多次反射，使得积分球具有表面各处辐亮度近 乎相同的特殊属性。基于这一属性，可以通过光电探测器观测积分球 上特定位置(根据积分球入射光位置决定)的辐亮度来获得积分球出 射的光谱辐亮度，即光谱仪入瞳处的光谱辐亮度值。

其中，电替代绝对辐射计组件使用电替代绝对辐射计作为标准源 的核心器件，是一种热电型探测器，测量结果可直接溯源至国际基本 单位制(SI)中的电流。核心探测器是黑体腔，辐射功率在黑体腔内 多次反射吸收，导致腔温达到新的平衡状态。基于电替代的测量原理， 利用电功率复现辐射功率产生的腔温变化，通过精确测量的等效电功 率可获得未知的辐射功率。因此可以选取ESR作为可溯源至SI的绝 对辐射基准。

其中，光电探测器组件是响应时间比ESR更快的探测器装置。 受黑体腔时间常数限制，ESR的测量周期较长，而标准源在定标时间 内需要多次测量辐亮度，因此为了减少测量时间，优选响应时间更快 的硅光电二极管作为次级辐射基准，每次定标只需要分别在多个通道 激光开启时，用ESR与光电二极管同时进行一次积分球1的辐亮度 测量，获取光电二极管的多通道光谱辐亮度响应即可。

另外，由于ESR和光电二极管都是功率计，因此需要将其转换为 辐亮度计。如图3所示为一种Gershun管结构，该结构可通过前光阑 和后光阑限制视场范围θ，管内壁及光阑表面涂黑漆并在内部设置消 杂光光阑用来有效减少杂散光，可以通过在ESR前加装第一Gershun 管对其进行视场限制，进而对ESR的测量实现高精度的功率-亮度转 换。同理可在光电二极管前加装第二Gershun管对其进行视场限制。

其中，单色光源具有单色光光传递媒介的作用。由于需要实现 ESR对光电二极管的辐亮度基准传递，获取光电二极管的多通道辐亮 度响应值，因此在可见近红外波段(400-1000nm)选取多个波长(本 文以7个彼此波长不同、波长分别为λ₁-λ₇的单色光源为例)的激光 二极管作为传递媒介，使激光光源入射到积分球内进行匀光，为ESR 和光电二极管提供辐亮度均匀的面光源。所采用的激光二极管需要很 高的功率稳定性，而激光二极管的稳定性与温度和电流有关，选取合 适的恒流源驱动激光二极管，并选取控温***对其进行温度控制，进 而保证激光二极管的稳定性。

另外，积分球1内还设置有单色光源挡板，其用以避免单色光入 射积分球1内的第一次反射光进入电替代绝对辐射计组件和光电探测 器组件。

其中，滤光片轮组件6是滤光的作用。由于光电二极管需要进行 多通道的辐亮度值测量，即对每个波长的单色光单独进行测量。因此 需要对光电二极管配置与激光二极管的每个通道相同波长的滤光片， 如图4所示，采用滤光片轮的方案对多个波长的滤光片进行集成。

具体的，滤光片轮组件6还包括不透光片，不透光片可阻挡积分 球1内的光线进入光电探测器组件。

具体的，滤光片轮组件6包括电机和转盘；转盘的周向布置有不 透光片和n个滤光片；转盘在电机的驱动下可转动，实现不透光片或 滤光片转动至与第二Gershun管8相对应的位置。

图4中不透光片所在的位置为滤光片轮的初始位置，即对应光电 二极管的光敏面位置，由电机带动与转盘固定为一体的转动轴，可以 将7个滤光片中的任意一个转到光电二极管的对应位置。其中转盘周 向装有7个能通过波长为λ₁-λ₇的光线的滤光片。按照滤光片轮不同 位置处于初始位时可以分为两种模式：当不透光片转到与光电二极管 的对应位置时为“暗噪声模式”，此时积分球1内光线被滤光片轮组 件6完全遮挡，光电二极管不接受来自积分球1的光信号，此时光电 二极管输出信号为探测器自身的暗噪声信号；当任一透光片转到初始 位时为“滤光片模式”，积分球1的内光线经滤光片衰减后被光电二 极管接收。

其中，复色光源为了满足定标光可见近红外波段的需求，根据标 准源出射光辐亮度量级、黑体辐射方程和积分球辐射传输理论，优先 选取相应功率的卤钨灯作为全谱段定标灯，经过积分球1匀光，为光 电二极管和成像光谱仪提供辐亮度均匀的面光源。

光电探测器组件另外，为了满足成像光谱仪的观测需求，需要便 携式标准源出射光的光谱辐亮度与成像光谱仪的观测目标相当，为了 实现标准源出射光辐射量级的动态可调，可以通过电动可调光阑实现 对卤钨灯入射积分球的光通量控制积分球出射光的辐射量级，进而实 现对出射光动态范围的控制。

优选的，复色光源3为若干个卤钨灯，卤钨灯均布在出射光口的 周向。电替代绝对辐射计组件和光电探测器组件对称分布在出射光口 的两侧；在积分球1的内壁上，光电二极管5的观测区域与出射光口 沿积分球1的径向投影形成的区域保持一致。如图5所示，为了保证 积分球出射光的均匀性，卤钨灯通常在积分球出射光口的周围对称分 布(数量不限，满足结构设计即可)；其次，为了保证标准源出射光 辐亮度的重建精度，光电二极管测量辐亮度应该与出光口辐亮度越接 近越好，因此将光电二极管及滤光片轮设置在积分球出光口周围。对 光电二极管的视场限制应该使其观测区域与积分球开口在积分球后 壁的投影区域保持一致；为了保证ESR对光电二极管响应度标定的 精度，ESR与光电二极管应该在出光口两侧对称分布。

由以上所述部分组合成的便携式辐射标准源结构正视图如图5所 示，其中恒流源、控温***、挡板以及可调光阑未在图中表出。通过 引入电替代绝对辐射计ESR，建立了独特的标准源自定标方式，借助 ESR的高精度和长期稳定性，通过ESR对Gershun管式辐射计所使用 的光电二极管进行实时定标，解决了光源自身的衰减和光电二极管稳 定性低的问题，保证了***的长期稳定性，无需借助其它设备即可完 成自定标功能。引入ESR的难点之一是ESR自身的噪声信号比较高， 而积分球内入射ESR的光信号较弱，导致ESR信噪比较低，使测量 不确定度较低，本设计的解决方案是相比于光电二极管(PD)敞开/ 扩大了ESR的观测视场，提高了接收能量，提高了信噪比，然后通 过提前标定ESR和PD之间的相对辐亮度系数，重新实现ESR和PD 之间的高精度辐亮度匹配。

通过将单色光源、复色光源、ESR、PD、两个Gershun管式辐射 计都集成在积分球主体上，实现了标准源***的一体化和简洁化，并 且真正实现了“便携化”，从而使标准源能够用于多场景下的辐射定 标，使用后不局限于实验室，同样适用于外场等多种复杂环境下。

这种便携式标准源，主要提供两方面功能：一是能够提供高均匀 性、亮度可调的朗伯定标光，二是能够对标准源出射光的光谱辐亮度 进行高精度自定标。

实施例二：一种适用于短波红外波段(1000-2500nm)的标准源。

与实施例一不同之处在于，将实施例一的可见近红外波段 (400-1000nm)的激光二极管替换为若干个短波红外(1000-2500nm) 波长的激光二极管，将光电二极管类型的光电探测器组件替换为短波 红外波段的辐亮度计结构，光电探测器组件包括短波红外探测器并优 选加装制冷***，将滤光片轮组件6替换为与更换后的激光二极管响 应波长配合的滤光片，制冷***用于保证短波红外探测器的测量精度 和稳定性。本领域人员容易想到，光电探测器组件还包括限制短波红 外探测器的视场的Gershun管。

实施例三：一种适用于太阳反射波段(400-2500nm)的标准源。

在实施例一的可见近红外波段(400-1000nm)的激光二极管的基 础上加装若干个短波红外(1000-2500nm)波长的激光二极管、相应 波长的滤光片与相应波长的短波红外波段的探测器，并配备相应的制 冷***，制冷***用于保证光电探测器组件的测量精度和稳定性。因 激光二极管提供了400-1000nm的可见近红外波段和1000-2500nm的 短波红外波段的光源，所以光电探测器组件分别包括与这个两种波段 对应的探测器。光电探测器组件包括实施一的Gershun管式辐射计与 实施例二的短波红外探测器。将滤光片轮组件6替换为与更换后的激 光二极管响应波长配合的滤光片。这样可改为太阳反射波段 (400-2500nm)的便携式辐射标准源。

激光二极管及滤光片波长的确定方法和步骤优选如下：遗传算法 是20世纪60年代末由美国Michigan大学提出的一种智能优化算法， 从一个给定的随机初始解集开始寻求问题的最优解。对于波长的选择， 通过matlab等软件引用遗传算法，将拟合重建光谱曲线与真实光谱曲 线的均方根误差作为所要优化的目标函数，输入所要重建的光谱范围 上下限，光谱插值的分辨率等参数，遗传算法即可给出[λ₁、λ₂、……、 λ_n]的波长序列最优解；对于波长数，理论上选取的波长数越多，重 建的精度越高，但每增加一个波长数都会增加***的复杂性以及标准 源自定标所需要的时间，因此需要平衡重建精度与标准源***复杂性 选取波长数，按照所使用的遗传算法，对于标准源所要重建的波段 (400-1000nm)，当波长数为7时，再增加波长数对重建精度的提升 十分有限，并且波长数为7时，***的定标时间能够满足使用需求， 因此此处选取7个波长(根据不同定标精度需求，选用不同波长数即 可)。

通过引入了插值算法，利用多光谱辐亮度值重建高光谱辐亮度曲 线，实现可见近红外400-1000nm的标准源光谱辐亮度自定标，通过 引入遗传算法，得到了多通道波长的最优组合，保证了高光谱重建的 精度。

对于定标方法，在使用标准源进行自定标前，需要提前标定的已 知量有ESR的功率响应度以及ESR和光电二极管PD间的相对辐亮 度系数(即波长为λ的单色光入射时，ESR和PD视场内的辐亮度比 值，可以在标准源***装配时通过标定获得，可视为已知量)，首先开启积分球内的激光二极管，照亮积分球内壁，用ESR标定此时的 积分球辐亮度，然后保持积分球辐亮度不变，以带有相应波长滤光片 的光电二极管观测此时的积分球辐亮度，实现ESR对光电二极管的 多通道辐亮度响应度定标，依次开启多个波长的激光二极管并重复以上步骤直至所有波长定标完成；关闭单色光源，开启积分球内的卤钨 灯光源，用定标后的带有滤光片的光电二极管分别测量此时的多个光 谱通道的积分球辐亮度，最终用测得的多个光谱通道的辐亮度值通过 插值(例如三次样条插值)重建高光谱辐亮度曲线，完成标准源出射 光光谱辐亮度的自定标。

如图6-9所示的一种标准源进行定标的方法，包括以下步骤：

A1、分别开启每个单色光源以照亮积分球1的内壁，用电替代绝 对辐射计组件标定积分球1的辐亮度，将与当前单色光源的波长一致 的滤波片对准光电探测器组件，用光电探测器组件观测积分球1的辐 亮度；通过电替代绝对辐射计组件对光电探测器组件进行所有与单色 光源对应的波长的辐亮度响应度定标；

开启复色光源以照亮积分球1的内壁，用经过定标的光电探测器 组件分别测量每个单色光源对应的波长的积分球1的辐亮度值；

A2、通过定标的光电探测器组件所测得的每个单色光源对应的波 长的积分球1的辐亮度值，重建标准源出射光的光谱辐亮度曲线；用 成像光谱仪观测标准源出射光，得到成像光谱仪的光谱辐亮度响应， 完成辐射定标。

具体的步骤如下：

S1、关闭激光二极管2和复色光源3，调整不透光片对准光电探 测器组件，光电探测器组件测量积分球1的暗噪声信号S_PD0；

S2、激光二极管(2)具有n≥2个通道，每个通道提供波长为λ _i的单色光源，其中i的取值为1，2…n；

通过同时使用电替代绝对辐射计组件和光电探测器组件探测每 个通道开启时的积分球，得到当波长为λ_i时，光电探测器组件的响 应R_PD(λ_i)；

得到光电探测器组件的响应R_PD(λ_i)的步骤包括：

S201、开启波长为λ_i的单色光源，将波长与当前的单色光源的波 长一致的滤波片对准光电探测器组件，使用电替代绝对辐射计组件探 测此时的积分球1得到绝对测量输出值S_ESR(λ_i)，使用光电探测器组件 探测此时的积分球1得到次级测量输出值S_PD(λ_i)；

根据电替代绝对辐射计4输出的绝对测量输出值S_ESR(λ_i)，计算辐 射功率Φ_ESR(λ_i)，并用下式表达为：

其中，I_ESR(λ_i)表示波长为λ_i时，电替代绝对辐射计4的功率响应度；

S202、当波长为λ_i时，电替代绝对辐射计4测量的辐亮度L_ESR(λ_i)用 下式表达为：

其中，ω_ESR为电替代绝对辐射计4的空间视场角，A_ESR为电替代绝 对辐射计4的接收面积；

S203、当波长为λ_i时，光电探测器组件所测的辐亮度L_PD(λ_i)用下 式表达为：

其中， σ_ESR-PD(λ_i)为已标定好的相对辐亮度系数；

S204、当波长为λ_i时，光电探测器组件的响应R_PD(λ_i)用下式表达 为：

具体的，以N＝7为例，首先开启积分球内波长为λ1的单色光源， 即激光二极管，入射光经积分球匀光后照亮积分球内壁形成单色光。 开启“滤光片模式”，由电机驱动转盘将与开启激光二极管相应波长 λ1的滤光片转到光电二极管位置，用ESR和光电二极管同时测量此 时的积分球辐亮度，ESR输出值为S_ESR(λ₁)，即辐亮度与响应度的乖积， 同理光电二极管输出值为S_PD(λ₁)。ESR作为绝对辐射功率基准，其功 率响应度I_ESR(λ₁)在集成到积分球前已经标定好，可视为已知量。再根 据公式(1)-(4)得到在该滤光片下光电二极管的响应R_PD(λ₁)。继续 依次开启各波长λ₂-λ₇的激光二极管，并依次由电机驱动滤光片轮将 所开启激光二极管相应波长λ₂-λ₇的滤光片转到光电二极管位置，直 至光电二极管所有的通道响应度R_PD(λ₁)-R_PD(λ₇)定标完成。

S3、关闭激光二极管2、开启复色光源3；将每个滤光片单独对 准光电探测器组件，光电探测器组件探测积分球1的辐亮度得到探测 值S_lamp(λ_i)，则波长为λ_i时对应的辐亮度值L_i用下式表达为：

具体的，复色光源3出射光经积分球匀光后照亮积分球内壁形成 全谱段光源，此时带有滤光片的光电二极管可视为辐亮度基准，由电 机驱动转盘使每个滤光片单独对准光电二极管，用经过多通道辐亮度 定标的光电二极管分别测量此时积分球辐亮度，由光电二极管测值 S_lamp(λ₁)-S_lamp(λ₇)以及光电二极管的多通道辐亮度响应度R_PD(λ₁)-R_PD(λ₇)可以得到多个波长的积分球辐亮度值L₁-L₇。

S4、对所有的λ_i和L_i进行插值算法反演，重建标准源出射光的高 光谱辐亮度曲线L(λ)；用成像光谱仪观测标准源出射光，得到成像光 谱仪的光谱辐亮度响应，完成辐射定标。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施 例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少 一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必 须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材 料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中 描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和 组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上 述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技 术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和 变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。 任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均 应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.标准源，其特征在于，包括积分球(1)、激光二极管(2)、复色光源(3)、作为绝对辐射基准的电替代绝对辐射计组件、作为次级辐射基准的光电探测器组件和滤光片轮组件(6)；

所述激光二极管(2)、复色光源(3)、电替代绝对辐射计组件、光电探测器组件和滤光片轮组件(6)均安装在所述积分球(1)上；

所述激光二极管(2)为至少包括两个通道的多通道结构，每个通道提供单波长的单色光源；

所述复色光源(3)通过可调光阑调节入射辐射通量，提供给成像光谱仪定标所需的不同辐射量级的全谱段的定标光；

所述积分球(1)用于对所述单色光源或所述复色光源(3)的出射光进行匀光，所述积分球(1)具有绝对观察口、次级观察口和出射光口(11)；

所述电替代绝对辐射计组件安装在所述绝对观察口处，所述电替代绝对辐射计组件包括电替代绝对辐射计(4)；

用于测量所述积分球(1)的辐亮度的所述光电探测器组件安装在所述次级观察口；

所述滤光片轮组件(6)包括与所述通道数量相同的滤光片，并使所述积分球(1)内与所述通道相同波长的光线进入所述光电探测器组件；

所述滤光片轮组件(6)还包括不透光片(61)，所述不透光片(61)可阻挡所述积分球(1)内的光线进入所述光电探测器组件；

所述电替代绝对辐射计组件和所述光电探测器组件分别探测所述积分球(1)的辐亮度，且所述光电探测器组件的响应时间比所述电替代绝对辐射计组件快。

2.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，所述滤光片轮组件(6)包括电机和转盘；所述转盘的周向布置有所述不透光片(61)和所述滤光片；所述转盘在所述电机的驱动下转动，实现所述不透光片(61)或所述滤光片转动至与所述光电探测器组件相对应的位置。

3.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，所述电替代绝对辐射计组件还包括第一Gershun管，所述第一Gershun管对所述电替代绝对辐射计(4)的视场进行限制。

4.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，还包括单色光源挡板，所述单色光源挡板采用的材料与所述积分球(1)的内壁的材料一致；所述单色光源挡板用以避免单色光入射所述积分球(1)内第一次反射后进入所述电替代绝对辐射计组件和所述光电探测器组件。

5.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，所述激光二极管(2)提供可见近红外波段时，所述光电探测器组件为Gershun管式辐射计，所述光电探测器组件包括光电二极管(5)和第二Gershun管，所述第二Gershun管对所述光电二极管(5)的视场进行限制。

6.根据权利要求5所述的标准源，其特征在于，所述次级观察口和所述绝对观察口对称分布在所述出射光口(11)的周向；在所述积分球(1)的内壁上，所述光电二极管(5)的观测区域与所述出射光口沿所述积分球(1)的径向投影形成的区域保持一致。

7.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，所述激光二极管(2)提供1000-2500nm的短波红外波段时，所述光电探测器组件包括与所述短波红外波段相匹配的短波红外探测器。

8.根据权利要求1所述的标准源，其特征在于，所述激光二极管(2)提供400-2500nm的波段时，所述光电探测器组件包括测量400-1000波段的Gershun管式辐射计与测量1000-2500波段的短波红外探测器；

所述Gershun管式辐射计包括光电二极管(5)和第二Gershun管，所述第二Gershun管对所述光电二极管(5)的视场进行限制。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的标准源进行成像光谱仪定标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述电替代绝对辐射计组件作为绝对辐射基准，所述激光二极管(2)作为单波长的多通道辐射传递媒介，所述光电探测器组件作为次级辐射基准，实现所述电替代绝对辐射计对所述光电探测器组件的每个通道的辐亮度响应度定标；

用定标后的光电探测器组件获得所述复色光源(3)在每个通道的波长处的辐亮度值；根据每个通道的波长和对应的辐亮度值反演光谱辐亮度曲线，实现标准源的出射光的光谱辐亮度的自定标。

10.根据权利要求9所述的成像光谱仪定标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、关闭所述激光二极管(2)和所述复色光源(3)，调整所述不透光片(61)对准所述光电探测器组件，所述光电探测器组件测量所述积分球(1)的暗噪声信号S_PD0；

S2、所述激光二极管(2)具有n≥2个通道，每个通道提供波长为λ_i的单色光源，其中i的取值为1，2…n；

通过同时使用所述电替代绝对辐射计组件和所述光电探测器组件探测每个通道开启时的积分球(1)，得到当所述激光二极管(2)波长为λ_i时，对应所述光电探测器组件的响应R_PD(λ_i)；

得到所述光电探测器组件的响应R_PD(λ_i)的步骤包括：

S201、依次开启所述激光二极管(2)的通道，将与当前通道的波长匹配的滤光片对准所述光电探测器组件，使用所述电替代绝对辐射计组件测量此时的积分球(1)得到绝对测量输出值S_ESR(λ_i)，使用所述光电探测器组件测量此时的积分球(1)得到次级测量输出值S_PD(λ_i)；

根据所述电替代绝对辐射计(4)输出的绝对测量输出值S_ESR(λ_i)，计算辐射功率Φ_ESR(λ_i)，并用下式表达为：

其中，I_ESR(λ_i)表示波长为λ_i时，所述电替代绝对辐射计(4)的功率响应度；

S202、当波长为λ_i时，所述电替代绝对辐射计(4)测量的辐亮度L_ESR(λ_i)用下式表达为：

其中，ω_ESR为所述电替代绝对辐射计(4)的空间视场角，A_ESR为所述电替代绝对辐射计(4)的接收面积；

S203、当波长为λ_i时，所述光电探测器组件所测的辐亮度L_PD(λ_i)用下式表达为：

其中，σ_ESR-PD(λ_i)为已标定所述电替代绝对辐射计(4)和所述光电探测器组件之间的相对辐亮度系数；

S204、当波长为λ_i时，所述光电探测器组件的响应R_PD(λ_i)用下式表达为：

S3、关闭所述激光二极管(2)、开启所述复色光源(3)；将每个滤光片单独对准所述光电探测器组件，所述光电探测器组件探测所述积分球(1)的辐亮度得到探测值S_lamp(λ_i)，则波长为λ_i时对应的辐亮度值L_i用下式表达为：

S4、对所有的λ_i和L_i进行插值算法反演，重建标准源出射光的高光谱辐亮度曲线L(λ)；用成像光谱仪观测标准源出射光，得到所述成像光谱仪的光谱辐亮度响应，完成辐射定标。

Images