面阵探测器光谱响应度测试方法

摘要

本发明公开了一种面阵探测器光谱响应度测试方法，属于光学测试与计量领域。该方法在单元探测器光谱响应度测试方法的基础上，对面阵探测器中心像元的光谱响应度进行测试，结合面阵探测器空间均匀性的测量，实现了对面阵探测器在整个光敏面全波段光谱响应度的准确测试。该测试方法解决了目前面阵探测器光谱响应度测量的难题，填补了面阵探测器光谱响应度测量领域的空白，并具有资源共享，节约成本，测量效率高的特点。

权利要求

1.一种面阵探测器光谱响应度测试方法，其特征在于：该方法包括以下测量步骤：

第1步：打开积分球光源，在计算机的控制下，逐一使标准探测器和被测面阵探测器分别移入测量光路，以使积分球光源发出的光经测量光路后成像在标准探测器或被测面阵探测器的光敏面中心，计算机将此时标准探测器和被测面阵探测器所对应的移动平台位置分别记录为x1和x2；

第2步：计算机将单色仪调整到第一波长点λ1，并控制移动平台移动到位置x1处，分别获得标准探测器输出的混合电压信号V(λ1)标混和背景电压信号V(λ1)标背，将混合电压信号扣除背景电压信号获得标准探测器在第一波长λ1处的第一个实测电压信号值V(λ1)标1；反复重复上述过程，最终获得第一波长点λ1的一组实测电压信号值V(λ1)标n，n＝1、

2、……、N，计算机对V(λ1)标n求均值后获得标准探测器在第一波长λ1处的测量电压值V(λ1）标：第3步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第

2步的测量步骤，依次获得标准探测器在M-1个波长点的测量电压值V(λm)标，Δλ的取值应与标准探测器光谱响应度的步长一致；

第4步：计算机将单色仪调整到第一波长点λ1，并控制移动平台移动到位置x2处，分别获得被测面阵探测器聚焦光斑处各像元的混合电压信号V(i，j，λ1)被混和背景电压信号V(i，j，λ1)被背，i代表聚焦光斑处像元的行数且i＝1、2、3……、I，j代表光斑处像元的列数且j＝1、2、3……、J，将各像元的实测电压信号扣除背景电压信号，获得被测面阵探测器在第一波长点λ1处聚焦光斑所覆盖I×J个像元的实测电压值V(i，j，λ1)被1，反复重复上述过程，最终获得各像元所对应的一组实测电压信号值V(i，j，λ1)被n，n＝1、2、……、N，对各组V(i，j，λ1)被n求均值，获得被测面阵探测器上聚焦光斑所覆盖的I×J个像元的测量电压值V(i，j，λ1)被；

第5步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第

4步的测量步骤，依次获得被测面阵探测器聚焦光斑处所覆盖的I×J个像元在各波长点的测量电压值V(i，j，λm)被；

第6步：计算机根据测量电压值V(i，j，λm)被，找出每个波长点λm下被测面阵探测器聚焦光斑处中心像元的测量电压值V(I/2，J/2，λm)，m＝1、2、3……、M，并根据以下公式计算被测面阵探测器中心像元的光谱响应度S被(I/2，J/2，λm)并保存该组数据：上式中，S标(λm)表示标准探测器的光谱响应度且为已知量；

第7步：计算机控制移动平台运动，使被测面阵探测器移出测量光路，将积分球光源直接对准被测面阵探测器，使积分球光源发出的光覆盖被测面阵探测器的整个光敏面，调节积分球光源输出信号的强度，避免被测面阵探测器饱和，计算机通过数字电压表和数据采集卡依次读取被测面阵探测器整个光敏面各像元输出的电压值V(p，q)并存储该组数据，p代表被测面阵探测器整个光敏面像元的行数且p＝1，2，3，......P，q代表被测面阵探测器整个光敏面像元的列数且q＝1，2，3，......Q；

第8步：计算机根据以下公式计算被测面阵探测器整个光敏面上的空间均匀性U(p，q)并保存该组计算数据：上式中，V(P/2，Q/2)为被测面阵探测器光敏面上中心像元的电压输出值；

第9步：计算机根据以下公式计算被测面阵探测器的光谱响应度S被：

S被＝S被(I/2，J/2，λm)×U(p，q) m＝1、2、3……、M。

说明书

面阵探测器光谱响应度测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种探测器光谱响应度的测试方法，尤其涉及一种面阵探测器光谱响应度的测试方法。

背景技术

[0002] 光电探测器在现代光学技术和光学工程中发挥着重要作用。光电探测器在通信、气象卫星、工业控制、科研生产、军工等方面有着广泛的应用。光电探测器的军事应用主要有紫外监测与制导、红外成像与制导、军事遥感、星跟踪器、靶场测量应用等。

[0003] 近年来光电探测器已从单元探测器发展到多元阵列探测器，特别是面阵探测器，与传统的单元探测器相比，具有灵敏度高、视场大、空间分辨率高、探测识别距离远、可直接成像等优点，因此，在航天、军工、国防等领域得到广泛的应用。光电探测器是实现光电转换的关键部件，其性能的优劣将影响整个探测系统的性能。光电探测器性能的主要表征量有：探测器的光谱响应度、响应度直线性、探测器的时间特性和温度特性等，其中光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，它描述探测器响应率与波长之间的关系。该参数的正确测试对于探测器的机理分析、工艺改进以及武器系统的整体设计等有着重要的意义。光电探测器的光谱响应度计量于1997年被国际计量组织CCPC(光度辐射咨询委员会)和BIPM(国际计量局)确定为光学计量领域的6项国际关键性比对之一。目前，英国NPL和美国NIST均具有探测器光谱响应度的测试设备，即光谱响应度测量装置，两家实验室的测量系统非常相似，都是专门用于探测器光谱响应度的测量；国内中国计量院现已建立了紫外-可见-近红外光谱响应度标准，国防科技工业光学一级计量站，也已建立了光谱响应度测量装置。然而，这些测试装置都是针对单元探测器光谱响应度的测试，它们基本上都采用替代法进行测试，例如，《激光与红外》第33卷，第5期上，《紫外及可见光探测器光谱响应测试系统的研制》一文中，采用的方法就是现有的替代法(参见图1)，该方法用于对单元探测器的光谱响应度进行测试。然而由于面阵探测器具有很多光敏单元，在光照下会同时输出与其光敏元相对应的系列信号，因此面阵探测器的光谱响应度区别于单元探测器，包括同一光敏元对波长的响应度和接收面上空间位置(即不同光敏单元)对相同波长的响应度，前者的光谱响应度是波长的函数，它与单元探测器的光谱响应度类似，后者的光谱响应度是空间位置的函数，后者与某个波长点下的空间均匀性类似，因此，对于面阵探测器，其光谱响应度是波长和空间位置的函数，要完整的描述面阵探测器的光谱响应度则需要描述光谱响应度随波长和空间位置的变化，需要对面阵探测器在整个光敏面上所有光敏元的光谱响应度进行测试，一般用体光谱响应度来表示。目前，对面阵探测器在整个光敏面上所有光敏元的光谱响应度的测试方法即体光谱响应度的测试还未见到相关报道。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对目前面阵探测器体光谱响应度测试的难题，提供一种面阵探测器光谱响应度的测试方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的面阵探测器光谱响应度测试方法包括以下测试步骤：

[0006] 第1步：打开积分球光源，在计算机的控制下，逐一使标准探测器和被测面阵探测器分别移入测量光路，以使积分球光源发出的光经测量光路后成像在标准探测器或被测面阵探测器的光敏面中心，计算机将此时标准探测器和被测面阵探测器所对应的移动平台位置分别记录为x1和x2；

[0007] 第2步：计算机将单色仪调整到第一波长点λ1，并控制移动平台移动到位置x1处，分别获得标准探测器输出的混合电压信号V(λ1)标混和背景电压信号V(λ1)标背，将混合电压信号扣除背景信号获得标准探测器在第一波长λ1处的第一个实测电压信号值V(λ1)标1；反复重复上述过程，最终获得第一波长点λ1的一组实测电压信号值V(λ1)标n，n＝1、2、……、N，计算机对V(λ1)标n求均值后获得标准探测器在第一波长λ1处的测量电压值V(λ1)标；

[0008] 第3步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第2步的测量步骤，依次获得标准探测器在M-1个波长点的测量电压值V(λm)标，Δλ的取值应与标准探测器光谱响应度的步长一致；

[0009] 第4步：计算机将单色仪调整到第一波长点λ1，并控制移动平台移动到位置x2处，分别获得被测面阵探测器聚焦光斑处各像元的混合电压信号V(i，j，λ1)被混和背景电压信号V(i，j，λ1)被背，i代表聚焦光斑处像元的行数且i＝1、2、3……、I，j代表光斑处像元的列数且j＝1、2、3……、J，将各像元的实测电压信号扣除背景电压信号，获得被测面阵探测器在第一波长点λ1处聚焦光斑所覆盖I×J个像元的实测电压值V(i，j，λ1)被1，反复重复上述过程，最终获得各像元所对应的一组实测电压信号值V(i，j，λ1)被n，n＝1、2、……、N，对各组V(i，j，λ1)被n求均值，获得被测面阵探测器上聚焦光斑所覆盖的I×J个像元的测量电压值V(i，j，λ1)被；

[0010] 第5步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第4步的测量步骤，依次获得被测面阵探测器聚焦光斑处所覆盖的I×J个像元在各波长点的测量电压值V(i，j，λm)被；

[0011] 第6步：计算机根据测量电压值V(i，j，λm)被，找出每个波长点λm下被测面阵探测器聚焦光斑处中心像元的测量电压值V(I/2，J/2，λm)，m＝1、2、3……、M，并根据以下公式计算被测面阵探测器中心像元的光谱响应度S被(I/2，J/2，λm)并保存该组数据：

[0012]

[0013] 上式中，S标(λm)表示标准探测器的光谱响应度且为已知量；

[0014] 第7步：计算机控制移动平台运动，使被测面阵探测器移出测量光路，将积分球光源直接对准被测面阵探测器，使积分球光源发出的光覆盖被测面阵探测器的整个光敏面，调节积分球光源输出信号的强度，避免被测面阵探测器饱和。计算机通过数字电压表和数据采集卡依次读取被测面阵探测器整个光敏面各像元输出的电压值V(p，q)并存储该组数据，p代表被测面阵探测器整个光敏面像元的行数且p＝1，23，，......P，q代表被测面阵探测器整个光敏面像元的列数且q＝1，2，3，......Q；

[0015] 第8步：计算机根据以下公式计算被测面阵探测器整个光敏面上的空间均匀性U(p，q)并保存该组计算数据：

[0016]

[0017] 上式中，V(P/2，Q/2)为被测面阵探测器光敏面上中心像元的电压输出值；

[0018] 第9步：计算机根据以下公式计算被测面阵探测器的光谱响应度S被：

[0019] S被＝S被(I/2，J/2，λm)×U(p，q) m＝1、2、3……、M。

[0020] 本发明的整体技术效果体现在以下两个方面。

[0021] 1)本发明在已有单元探测器光谱响应度测试装置的基础上，选用均匀性较好的大口径积分球标准光源，首先对面阵探测器中心光敏单元光谱响应度进行测试；然后将积分球光源直接照射在被测面阵探测器上，对面阵探测器整个光敏面的空间均匀性进行测试；最后将中心光敏单元的光谱响应度与整个光敏面的空间均匀性相结合，就可以得到面阵探测器在整个光敏面全波段的光谱响应度。因此，本发明解决了面阵探测器在整个光敏面全波段光谱响应度的测试难题，实现了单元探测器向面阵探测器的传递，为面阵探测器作为接收系统的成像光谱仪整机系统光谱响应度的校准测试提供了技术支持。

[0022] 2)本发明面阵探测器光谱响应度测试方法，是建立在原有单元探测器光谱响应度测试装置的基础上，不需要建立新的测试装置，因此本发明具有资源共享，节约成本的特点；同时，本发明在完成面阵探测器光谱响应度测试的过程中，对面阵探测器的均匀性也进行了测试，因此，本发明可以同时对面阵探测器两个性能参数进行测试，提高了测量的效率。

附图说明

[0023] 图1是单元探测器光谱响应度测试方法的原理图。

[0024] 图2是单元探测器光谱响应度测试装置的原理示意图。

[0025] 图3是本发明面阵探测器光谱响应度测试方法的原理图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

[0027] 为了实现面阵探测器光谱响应度的测试，本发明的总体构思是，在已有单元探测器光谱响应度测试装置的基础上，提出一种面阵探测器光谱响应度的测试方法，该方法是将面阵探测器中心光敏单元光谱响应度测试与面阵探测器整个光敏面空间均匀性的测试相结合，从而实现面阵探测器在整个光敏面全波段光谱响应度的测试。

[0028] 根据图2所示，单元探测器光谱响应度测试装置包括标准积分球光源1、输入光学系统2，含有电子快门、滤光片组、斩波器和单色仪的分光系统3，输出光学系统4，标准探测器5，移动平台7及装有测量控制及数据处理软件包的计算机8。测量时，标准探测器5和被测面阵探测器6分别通过相应的可调支架放置在移动平台7上。积分球光源1发出的大口径入射光线经输入光学系统2、分光系统3中的电子快门、滤光片和斩波器的中心后成像在单色仪的入射狭缝处，单色仪将宽波段的连续辐射信号转换成测量所需的单色辐射信号，单色辐射信号经输出光学系统4成像在标准探测器5或被测面阵探测器6的光敏面上，标准探测器5或被测探测器6将接收到的光信号转换成电压信号后，送入计算机进行处理。

[0029] 采用上述单元探测器光谱响应度测试装置进行面阵探测器光谱响应度测试的具体步骤如下：

[0030] 第1步：把标准探测器5和被测面阵探测器6分别通过第一光学支架和第二光学支架装在移动平台7上，打开积分球光源1，调节输入光学系统2中各镜子的位置及高低，使积分球光源1发出的光经输入光学系统2、电子快门、滤光片组、斩波器后充满单色仪的入射狭缝，然后调节输出光学系统4中各镜子的位置及高低，计算机控制移动平台7运动，带动标准探测器5和被测面阵探测器6分别移入测量光路的输出端，调节移动平台7上第一光学支架和第二光学支架的高低，使从单色仪出射的光经输出光学系统4后，分别成像在标准探测器5和被测面阵探测器6的光敏面中心，计算机8将标准探测器5位于上述测量光路时移动平台7的位置记录为x1，将被测面阵探测器6位于上述测量光路时移动平台7的位置记录为x2。

[0031] 第2步：计算机控制移动平台7移动到位置x1处，使标准探测器5位于测量光路的输出端，计算机控制单色仪调整到第一波长点λ1，在第一波长点λ1处，计算机控制快门打开，通过数字电压表和数据采集卡读取标准探测器5输出的混合电压信号V(λ1)标混，然后关闭快门，读取标准探测器5输出的背景电压信号V(λ1)标背，根据公式V(λ1)标1＝V(λ1)标混-V(λ1)标背，计算机自动计算出标准探测器5在第一波长点λ1处的实测电压信号值V(λ1)标1。反复重复上述过程，最终获得第一波长点λ1的一组实测电压信号值V(λ1)标n，n＝1、2、……、N，计算机对V(λ1)标n求均值后获得标准探测器5在第一波长λ1处的测量电压值V(λ1)标。

[0032] 第3步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第2步的测量步骤，依次获得标准探测器5在各波长点的测量电压值V(λm)标。Δλ的取值应与标准探测器5光谱响应度的步长一致。

[0033] 第4步：计算机控制移动平台7移动到位置x2处，使被测面阵探测器6位于测量光路的输出端，计算机控制单色仪调整到第一波长点λ1。在第一波长点λ1处，计算机控制快门打开，通过数字电压表和数据采集卡依次读取被测面阵探测器6光斑处各像元的混合电压信号V(i，j，λ1)被混，i代表聚焦光斑处像元的行数且i＝1、2、3……、I，j代表聚焦光斑处像元的列数且j＝1、2、3……、J，然后关闭快门，读取被测面阵探测器6输出的背景电压信号V(i，j，λ1)被背，计算机将各像元的实测电压信号扣除背景电压信号，获得被测面阵探测器6在第一波长点λ1处聚焦光斑所覆盖I×J个像元的实测电压值V(i，j，λ1)被1，反复重复上述过程，最终获得各像元所对应的一组实测电压信号值V(i，j，λ1)被n，n＝1、2、……、N，计算机对各组V(i，j，λ1)被n求均值，获得被测面阵探测器6聚焦光斑处所覆盖的I×J个像元的测量电压值V(i，j，λ1)被。

[0034] 由于测量光路输出的聚焦光斑面积很难做到小于面阵探测器每个像元的面积，而聚焦光斑往往要覆盖I×J个像元，因此，聚焦光斑所对应的电压信号是一组离散电压信号，其中每一个离散电压信号的大小对应着一个像元所接收光强的强弱。计算机可以按照像元的位置顺序(按行或按列)采集这些像元的电压信号，并以二维数组即V(i×j)的形式加以存储。

[0035] 第5步：计算机控制单色仪按照步长Δλ移动波长点λm且m＝2、3……、M，并根据第4步的测量步骤，依次获得被测面阵探测器6聚焦光斑处所覆盖的I×J个像元在各波长点的测量电压值V(i，j，λm)被。

[0036] 第6步：计算机根据测量电压值V(i，j，λm)被，找出每个波长点λm下被测面阵探测器6聚焦光斑处中心像元的测量电压值V(I/2，J/2，λm)，m＝1、2、3……、M，并根据以下公式计算被测面阵探测器6中心像元的光谱响应度S被(I/2，J/2，λm)并保存该组数据：

[0037]

[0038] 上式中，S标(λm)表示标准探测器5的光谱响应度且为已知量。

[0039] 第7步：计算机控制移动平台7运动，使被测面阵探测器6移出测量光路，将积分球光源1直接对准被测面阵探测器6，使积分球光源1发出的光覆盖被测面阵探测器6的整个光敏面，调节积分球光源输出信号的强度，避免被测面阵探测器6饱和。计算机通过数字电压表和数据采集卡依次读取被测面阵探测器6整个光敏面各像元输出的电压值V(p，q)并存储该组数据，p代表被测面阵探测器6整个光敏面像元的行数且p＝1，23，......P，q代表被测面阵探测器6整个光敏面像元的列数且q＝1，2，3，......Q。

[0040] 第8步：计算机根据以下公式计算被测面阵探测器6整个光敏面上的空间均匀性U(p，q)并保存该组计算数据：

[0041]

[0042] 上式中，V(P/2，Q/2)为被测面阵探测器6光敏面上中心像元的电压输出值。

[0043] 第9步：计算机根据以下公式计算P×Q个像元在波长点λm的光谱响应度S被测：

[0044] S被(p，q)＝S被(I/2，J/2，λm)×U(p，q) m＝1、2、3……、M

[0045] 那么，S被(p，q)这组光谱响应度数据亦即被测面阵探测器6的体光谱响应度，计算机将这组光谱响应度数据以电子表格的形式存储下来，并根据这组数据绘制出被测面阵探测器6光谱响应度的立方体图形(以m，p，q为坐标轴)。

[0046] 采用本发明提供的测试方法，可以实现各种类型面阵探测器光谱响应度的测试。此外，本发明不仅限于对面阵探测器光谱响应度的测试，还可用于采用阵列或面阵探测器作为接收系统的成像光谱仪光谱响应度的测试，因此本发明可用于成像光谱仪整机系统的校准测试。