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1、,1,2,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,3,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,4,第7章 光辐射测量系统的性能及其测量, 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：, 在所要求测量动态范围内，系统具有线性响应。, 光学系统没有渐晕和像差，即系统具有理想的视场响应。, 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
2、特性的变化而引起测量误差。,5,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,6,7.1 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
3、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。,7,7.1 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。,8,7.1 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
4、近距离面光源法。标定时仪器调焦至无限远。,9,7.1.1 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？,10,7.1.1 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
5、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。,11,7.1.2 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。,1
6、2,7.1.4 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,13,7.1.4 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AcLs。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
7、大小辐照度的意义上等效的。,14,7.1 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()。,15,7.1 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。,16,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
8、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,17,7.2 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。,18,7.2 测量系统的光谱响应,设待测光源的光
9、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),19,7.2 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 。,20,7.2 测量系统的光谱响应,21,7.2 测量系统的光谱响应, 大多数光学材料具有较好的
10、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：,22,7.2 测量系统的光谱响应, 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：,23,7.2 测量系统的光谱响应, 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
11、能减弱。 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：,24,7.2 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0.80
12、.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。,25,7.2 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
13、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。,26,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,27,7.3 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
14、。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。,28,7.3 测量系统的视场响应, 系统具有理想视场响应。 被测辐射度量在空间的分布是均匀的 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。,2
15、9,7.3 测量系统的视场响应,30,7.3 测量系统的视场响应,31,7.3 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
16、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。,32,7.3 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： 测量环境的影响； 测量系统响应线性度的影响 。, 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
