[发明专利]成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置及方法

权利要求书

1.一种可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：搭建可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置

所述可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标装置包括大口径标准积分球光源系统，光谱辐射亮度标准灯系统，标准光谱辐射计，大口径平行光管，被测可见到近红外成像光谱仪和装有测控软件包的计算机；

所述大口径标准积分球光源系统由带有靶标接口的大口径标准积分球、光源组、可变光阑、监视探测器、供电系统、散热单元、系列标准靶标和积分球支架组成；

所述系列标准靶标包括标准分辨率靶、标准玻罗靶、标准十字靶和标准网格靶，用于被测可见到近红外成像光谱仪不同成像参数的定标，根据定标的成像参数的不同，选择相应的标准靶标安装在大口径标准积分球的靶标接口上；所述成像参数包括图像分辨率、放大倍率、视场、图像畸变；

所述光谱辐射亮度标准灯系统包括光谱辐射亮度标准灯、支架及供电系统，光谱辐射亮度标准灯量值可直接溯源到高温黑体；

所述标准光谱辐射计包括依次放置的光学系统、电动快门、CCD瞄准系统、视场光阑、分光系统、成像系统、近紫外-近红外探测器，并包括前置放大器、A/D转换器和计算机的信号采集、处理与控制系统；

所述标准光谱辐射计的视场与所述光谱辐射亮度标准灯的钨带相匹配，使带有靶标接口的大口径标准积分球与光谱辐射亮度标准灯具有完全相同的测量视场，在测量视场、波长范围、波长分辨率相同的条件下实现标定带有靶标接口的大口径标准积分球光源光谱辐射亮度；

所述CCD瞄准系统由中间带有圆孔的金属反射镜和CCD组成，金属反射镜与入射光束成45°，光学系统的会聚光束通过金属反射镜的圆孔到达视场光阑，由金属反射镜正面反射的光进入CCD瞄准系统；通过微调光学系统，能够使CCD上成像的黑点对准光谱辐射亮度标准灯中钨带的像的中心，进而使标准光谱辐射计光路达到最佳状态；CCD瞄准系统输出信号线与所述计算机相连；

所述分光系统由滤光片组和光栅组组成，覆盖300nm到2000nm波长范围；

所述视场光阑尺寸可调，且其最大尺寸为光谱辐射亮度标准灯的钨带尺寸，视场光阑电机控制器与所述计算机相连；

所述大口径平行光管包括平面反射镜及支架、离轴抛物面镜及支架、以及一维电动平移台，大口径平行光管在定标带有望远系统的被测可见到近红外成像光谱仪时使用，由所述平面反射镜进行折转光路，平面反射镜通过支架安装在所述一维电动平移台上，并由所述计算机控制移入光路，将大口径标准积分球光源系统出射的辐射反射到离轴抛物面镜上，积分球光源出射口位于离轴抛物面镜的焦面上，经离轴抛物面镜反射的光束为准直光束；

所述装有测控软件包的计算机包含有硬件控制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块：

所述硬件控制模块控制大口径标准积分球光源系统中的可变光阑变大或变小，控制大口径标准积分球光源系统中的光源组点燃或熄灭，控制所述一维电动平移台的移动；

所述页面模块在计算机屏幕上显示功能按钮组、可变光阑运动控制栏目、光源组控制栏目、一维电动平移台运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并调用所述硬件控制模块完成对可变光阑、光源组、一维电动平移台的控制；

所述信号采集模块根据功能按钮组接收的采集按钮命令，采集所述被测可见到近红外成像光谱仪的图谱信号；

所述计算模块依据所述信号采集模块采集的数据，计算被测可见到近红外成像光谱仪的辐射参数和成像参数；

所述存储模块对原始数据和测量数据进行保存；

所述输出模块调用存储模块中的数据以输出测量数据和最终测量结果；

在大口径标准积分球光源系统出射方向安装大口径平行光管，使得大口径标准积分球光源系统出口刚好处于大口径平行光管的焦面上，形成准直辐射；大口径标准积分球光源系统中的可变光阑及光源组的控制器与计算机相连，大口径平行光管中控制平面反射镜移动的一维平移台的控制器与计算机相连；在垂直于大口径平行光管出射面且离大口径平行光管一定距离的位置处通过支架安装被测可见到近红外成像光谱仪且被测可见到近红外成像光谱仪的信号输出线与计算机相连；

第二步：调节光路

分别打开大口径标准积分球光源系统中可变光阑及光源组的控制器开关、光谱辐射亮度标准灯的电源开关以及标准光谱辐射计的电源开关，将大口径标准积分球光源系统的电源电流值以及光谱辐射亮度标准灯的电源电流值设置在规定值，调节大口径平行光管中离轴抛物面反射镜和平面反射镜的位置，使积分球出口出射的均匀辐射经过平面反射镜反射后入射到离轴抛物面反射镜中心，形成定标所需的准直辐射；调节光谱辐射亮度标准灯的支架、标准光谱辐射计的支架和被测可见到近红外成像光谱仪的支架，使得光谱辐射亮度标准灯、标准光谱辐射计和被测可见到近红外成像光谱仪的中心高度与准直辐射的中心高度一致；

第三步：光谱辐射亮度标准灯对标准光谱辐射计的标定

在垂直于光谱辐射亮度标准灯出射面的方向，将标准光谱辐射计放置于距光谱辐射亮度标准灯一米处，标准光谱辐射计的光学系统会聚光束由CCD瞄准系统中带有圆孔的金属反射镜反射后进入CCD，通过观察CCD，微调光学系统，使CCD上成像的黑点对准光谱辐射亮度标准灯中钨带的像的中心，保证光谱辐射亮度标准灯的钨带通过标准光谱辐射计的成像系统成像于标准光谱辐射计的视场光阑上；

通过计算机控制标准光谱辐射计关闭电动快门，计算机控制滤光片组和光栅组将所需滤光片和光栅移入光路，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号V₁(λ)_背景；之后计算机控制标准光谱辐射计打开电动快门，标准光谱辐射计测量光谱辐射亮度标准灯300nm到2000nm的信号V(λ)_标准灯，计算机根据以下公式计算标准光谱辐射计的定标系数C(λ)并保存该组数据：

式中L(λ)_标准灯表示光谱辐射亮度标准灯的光谱辐射亮度，该量值直接溯源到标准高温黑体；

第四步：标准光谱辐射计对大口径标准积分球光源系统的标定

在垂直于大口径标准积分球光源系统出射面的方向，将标准光谱辐射计放置于距大口径标准积分球光源系统出口一米处，使标准光谱辐射计对准大口径标准积分球光源系统的出口，通过调节标准光谱辐射计支架，使大口径标准积分球光源系统的出口通过标准光谱辐射计的成像系统成像于标准光谱辐射计的入射狭缝上；

计算机控制标准光谱辐射计关闭电动快门，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号V₂(λ)_背景；然后计算机控制标准光谱辐射计打开电动快门，标准光谱辐射计测量大口径标准积分球光源系统300nm到2000nm的信号V(λ)_积分球，计算机根据以下公式计算大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度并保存该组数据；

式中L(λ)_积分球表示大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度，V(λ)_积分球表示标准光谱辐射计测量大口径标准积分球光源系统300nm到2000nm的输出信号，V₂(λ)_背景表示关闭电动快门后，标准光谱辐射计测量300nm到2000nm的背景信号，C(λ)表示标准光谱辐射计的定标系数；

第五步：被测可见到近红外成像光谱仪辐射参数和成像参数定标

1)、光谱辐射亮度响应度

被测可见到近红外成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，根据以下公式计算其光谱辐射亮度响应度：

其中：V(x,y,λ)为被测可见到近红外成像光谱仪像元的输出信号；ρ(λ)为大口径平行光管的光谱反射率；ρ(λ)通过标准光谱辐射计分别测量大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号和大口径标准积分球光源系统辐射信号计算得到；

2)、动态范围

被测可见到近红外成像光谱仪采集大口径标准积分球光源系统经过大口径平行光管准直后的准直辐射信号，采用被测可见到近红外成像光谱仪饱和时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度L₁(λ)_积分球与暗电压时对应的大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度L₀(λ)_积分球表示：

3)、最小可探测灵敏度

在大口径标准积分球光源系统的靶标接口上安装标准矩形靶，调节大口径标准积分球光源系统的可变光阑，输出光信号在光谱分布不变条件下输出的光谱辐射亮度连续可调，观察被测可见到近红外成像光谱仪的输出信号和图像轮廓，当大口径标准积分球光源系统的输出信号刚好能被被测可见到近红外成像光谱仪探测时记下此时被测可见到近红外成像光谱仪的输出信号V₀(x,y,λ)和大口径标准积分球光源系统的光谱辐射亮度L₂(λ)_积分球，按照以下公式计算被测可见到近红外成像光谱仪的最小可探测灵敏度；

4)、图像分辨率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准分辨率靶，经准直系统准直后由被测可见到近红外成像光谱仪直接摄取标准分辨率靶上等间隔排列的黑白相间线条，被测可见到近红外成像光谱仪从分辨率低的单元向分辨率高的单元观察，找出四个方向的线条全部能分辨开的单元号，根据该单元号和分辨率靶号得到线条宽度，由下式求得被测可见到近红外成像光谱仪图像分辨率：

其中：N₀为对应标准分辨率靶的最高空间频率；f_c’为准直系统的焦距；f’为被测可见到近红外成像光谱仪的焦距；

5)、放大倍率

采用大口径标准积分球光源系统照射标准玻罗靶，经准直系统准直后由被测可见到近红外成像光谱仪直接摄取标准玻罗靶上不同间隔的刻线，不同间隔刻线间的距离作为目标的实际高度；经由被测可见到近红外成像光谱仪采集图像后，计算标准玻罗靶不同间隔刻线的像高，由以下公式计算被测可见到近红外成像光谱仪的放大倍率：

其中：d′为被测可见到近红外成像光谱仪观察时的目标像高；d为目标的实际高度；l为像元尺寸；n为被测可见到近红外成像光谱仪上产生信号的像元数；

6)、图像畸变

采用大口径标准积分球光源系统照射标准网格靶，经准直系统准直后由被测可见到近红外成像光谱仪直接摄取标准网格靶上的网格刻线，调节大口径标准积分球光源系统的输出信号和被测可见到近红外成像光谱仪焦距，观察被测可见到近红外成像光谱仪图像，当成像清晰时进行采集，计算被测可见到近红外成像光谱仪的图像畸变并输出测量结果：

其中：Г₀为被测可见到近红外成像光谱仪中心轴放大倍率；Г_max为被测可见到近红外成像光谱仪径向或切向最大的放大倍率；d'₁为与Г_max对应的目标像高；d'₀为与中心放大倍率对应的目标像高；n₀为与Г_max对应的像元数、n'为与Γ₀对应的像元数。