专利名称：一种用于离轴r-c系统光谱反射率的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，可适用于在轨辐射定标系统用大口径准直光学系统的光谱反射率测量，属于遥感器辐射定标系统参数定标技术领域。
背景技术：
在遥感器在轨辐射定标过程中，离轴R-C系统是为定标提供准直辐射的常用准直光学系统之一。由于光学系统处在辐照、高低温的空间环境中，光学系统参数受环境影响而产生变化，最终影响遥感器定标精度。其中，离轴R-C系统光谱反射率是影响定标精度的主要参数之一。因此，开展离轴R-C系统光谱反射率的测量具有重要意义。目前，光学系统光谱反射率测量普遍采用比对法，即通过测量一束光经过被测光学系统与不经过被测光学系统的光谱辐射度量的比值。对于准直光学系统，其光谱反射率的测量通常采用如下方法首先，利用光谱仪标定一束口径非常小的平行光源的光谱辐射特性；然后，利用该标定好的平行光源入射到被测准直系统，同时利用光谱仪测量平行光源经过准直系统后的辐射特性；最后，对平行光源经过准直系统和不经过准直系统的光束辐射特性进行比对，获得准直光学系统的光谱反射率。例如，美国NIST就利用口径为Icm的平行光源，对口径为7cm的低温辐射计光学系统进行定标(国际光学会议论文集SPIE第40 卷(2000年)404-410)。这种方法的缺点在于由于标准平行光源口径比被测系统口径小很多，尤其是被测系统口径很大的情况下，该方法测量的结果只能反映很小一部分被测系统光学表面的光谱反射率。通过增大标准平行光源的口径，可以增大被测系统光学元件表面的被测面积，但是大口径平行光源的辐射特性不便标定，通常需要引入辅助光学系统对其进行标定。因此，首先需要对辅助系统的光谱特性参数进行定标，这样增加了测量中间环节，影响测量精度。本发明针对此提出了一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，该方法是基于一种测量光学系统实现的；该光学系统是基于准直系统对点光源的准直原理及光路可逆原理而设计的，光路结构紧凑；基于该测试光学系统所实现的测量方法测试环节少，可以对大口径离轴R-C准直光学系统光谱反射率进行高精度的测量。

发明内容
本发明的技术解决问题是提供一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法， 目前广泛采用的小口径平行光源标定大口径准直光学系统光谱反射率的方法只能标定准直系统光学元件表面的很小一部分的光谱反射率，而且测量前需要对小口径平行光源的辐射特性进行标定，增加了中间环节，影响测量精度。一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，其技术解决方案该方法是基于一种测量光学系统实现的，该测量光学系统包括氙灯(1)、可调光阑O)、透镜(3)、被测离轴R-C系统、辅助平面镜(6)、积分球(7)、光谱仪(8)及计算机(9)，其中所述的被测离轴 R-C系统由次镜(4)和主镜(5)组成，该方法包括如下步骤
步骤1、通过调整测量光学系统中的各光学器件的位置构成第一测量光路将氙灯⑴和可调光阑⑵构成的点光源置于透镜⑶的物方二倍焦距处，点光源经过透镜(3) 形成的像点落在被测离轴R-C系统的物方焦平面上，使得经过离轴R-C系统后的出射光线变为平行光；辅助平面镜(6)置于离轴R-C系统主镜(5)正前方并与光轴垂直，将离轴R-C 系统出射的平行光沿着与光轴对称的方向全部反射回到离轴R-C系统，反射回的平行光经离轴R-C系统后会聚到该系统的焦平面上使得点光源二次成像，点光源二次成像的位置与一次成像的位置成光轴对称；积分球(7)的收光口置于点光源的二次成像位置，使得会聚光束全部进入积分球(7)，此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球(7)出口处的光谱辐照度为；步骤2、通过调整测量光学系统中的各光学器件的位置构成第二测量光路将氙灯(1)和可调光阑(2)构成的点光源仍置于透镜(3)的物方二倍焦距处，辅助平面镜(6) 置于透镜C3)像方二倍焦距以内，积分球(7)的收光口置于点光源的一次成像位置，使得通过透镜( 的会聚光束全部进入积分球(7)，此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球(7)出口处的光谱辐照度为&( λ)；步骤3、得到由次镜(4)和主镜(5)构成的被测离轴R-C系统的光谱反射率 \ E2(X)本发明的原理是该测量方法是利用比对法的原理，即通过测量一束光经过被测光学系统与不经过被测光学系统的光谱辐射度量的比值来实现被测系统光谱反射率的测量，测量流程如图1所示；其测量光学系统是利用准直系统对点光源的准直原理及光路可逆原理，如图2所示，对于离轴R-C系统，在位置c处，以光学系统+ θ °视场的平行光束和-θ °视场的平行光束入射到离轴R-C系统，在该系统的会聚作用下，两平行光束将分别会聚于离轴R-C系统焦平面上的两点位置a和位置b。若在位置a处放置一个点光源，点光源发出的光经离轴R-C系统准直作用形成+ θ °视场的平行光束；此时在位置c处放置一块辅助平面镜，且辅助平面镜与离轴R-C系统光轴垂直，点光源经过离轴R-C系统形成的平行光经辅助平面镜反射将沿着上述-θ °视场的平行光光路会聚于位置b处。本发明与现有技术相比的优点在于可实现大口径准直光学系统光谱反射率的测量，测量前不需要对光源的光谱辐射特性进行标定，测量方法简单、测量光路紧凑、测试精度较高。


图1为本发明的测量流程图；图2为本发明的测量原理3a为依据本发明实施的光谱反射率测量光学系统第一测量光路示意图；图北为依据本发明实施的光谱反射率测量光学系统第二测量光路示意图。图中具体标号如下1、氙灯2、可调光阑3、透镜4、被测离轴R-C系统次镜5、被测离轴R-C系统主镜6、辅助平面镜7、积分球8、光谱仪9、计算机
P” + θ °视场的平行光束Ρ2、- θ °视场的平行光束Ll 主镜5与次镜4中心的水平距离L2 次镜4与辅助平面镜6中心的水平距离L3 次镜4与辅助平面镜6中心的竖直距离L4 次镜4中心到R-C系统焦平面的水平距离L5 点光源经过透镜3的像点与主镜5中心的竖直距离L6 点光源经过透镜3的像点与的光束最终会聚点的竖直距离α 透镜3的光轴与水平方向所成的夹角L7 可调光阑2中心与透镜3中心之间的距离L8 透镜3中心与辅助平面镜6中心的距离β 辅助平面镜6与竖直方向的夹角
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例如图3a、!3b所示，一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，该方法是基于一种测量光学系统实现的，该测量光学系统包括氙灯(1)、可调光阑O)、透镜(3)、 被测离轴R-C系统、辅助平面镜(6)、积分球(7)、光谱仪(8)及计算机(9)，其中所述的被测离轴R-C系统由次镜(4)和主镜( 组成。其中，透镜C3)选用有效通光口径为Φ80πιπι、焦距为IOOOmm的双胶合透镜；被测离轴R-C系统的有效通光口径为1320mm、焦距为11172mm， 其结构参数如表1所示；辅助平面镜(6)为一块口径为480mm的平面镜；光谱仪⑶的测量光谱范围为350nm 2500nm，其测量重复精度优于2%。按照图3a所示的第一测量光路，对测量光路进行装调。该光路中各光学元件的相对位置关系如表2所示。氙灯(1)和可调光阑(2)构成的点光源发出的光，经透镜(3)后入射到离轴R-C系统，被准直成口径为454mm、与水平方向成Γ夹角的平行光束；在该平行光束前放置口径为480mm的辅助平面镜(6)，且主镜( 镜面中心与辅助平面镜(6)镜面中心等高，平面镜将平行光束反射成与水平方向成-1 °夹角的平行光束，并全部入射到主镜 (5)，调整积分球(7)的位置，使得所有光线经过离轴R-C系统反射后全部进入积分球(7)， 积分球(7)的出口处接光谱仪(8)，此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球(7) 出口处的光谱辐照度为仏(入)。按照图北所示的第二测量光路，对测量光路进行装调。该光路中各光学元件的相对位置关系如表3所示。通过透镜(3)的光入射到辅助平面镜(6)，调整积分球(7)的位置，使得辅助平面镜(6)的反射光全部进入积分球(7)，积分球(7)的出口处接光谱仪(8)， 此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球(7)出口处的光谱辐照度为E2U )。根据比对法原理，被测离轴R-C系统(10)的光谱反射率ρμ) = J^-。
\ E2(X)表1离轴R-C系统光学结构参数
权利要求
1. 一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，该方法是基于一种测量光学系统实现的，该测量光学系统包括氙灯(1)、可调光阑O)、透镜(3)、被测离轴R-C系统、辅助平面镜(6)、积分球(7)、光谱仪⑶及计算机(9)，其中所述的被测离轴R-C系统由次镜(4)和主镜( 组成，该方法包括如下步骤步骤1、通过调整测量光学系统中的各光学器件的位置构成第一测量光路将氙灯(1) 和可调光阑( 构成的点光源置于透镜(3)的物方二倍焦距处，点光源经过透镜C3)形成的像点落在被测离轴R-C系统的物方焦平面上，使得经过离轴R-C系统后的出射光线变为平行光；辅助平面镜(6)置于离轴R-C系统主镜(5)正前方并与光轴垂直，将离轴R-C系统出射的平行光沿着与光轴对称的方向全部反射回到离轴R-C系统，反射回的平行光经离轴 R-C系统后会聚到该系统的焦平面上使得点光源二次成像，点光源二次成像的位置与一次成像的位置成光轴对称；积分球(7)的收光口置于点光源的二次成像位置，使得会聚光束全部进入积分球(7)，此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球(7)出口处的光谱辐照度SE1U)；步骤2、通过调整测量光学系统中的各光学器件的位置构成第二测量光路将氙灯(1) 和可调光阑(2)构成的点光源仍置于透镜(3)的物方二倍焦距处，辅助平面镜(6)置于透镜(3)像方二倍焦距以内，积分球(7)的收光口置于点光源的一次成像位置，使得通过透镜 (3)的会聚光束全部进入积分球(7)，此时通过计算机(9)控制光谱仪(8)探测到积分球 (7)出口处的光谱辐照度为&( λ)；步骤3、得到由次镜(4)和主镜(5)构成的被测离轴R-C系统的光谱反射率ρ⑷=興。\ E2(X)
全文摘要
一种用于离轴R-C系统光谱反射率的测量方法，是基于一种测量光学系统实现的，该系统包括氙灯、透镜、被测R-C系统、辅助平面镜、积分球、光谱仪及计算机。首先，调整测量光学系统中的各器件至第一测量光路所需位置，使氙灯发出的光经透镜、被测R-C系统、辅助平面镜后返回至被测R-C系统及积分球，通过计算机控制光谱仪探测积分球出口处的光谱辐照度。其次，调整各器件至第二测量光路所需位置，使氙灯发出的光经透镜、辅助平面镜后进入积分球，通过计算机控制光谱仪探测积分球出口处的光谱辐照度。最后，将两次所测得的光谱辐照度相比并开平方即为被测R-C系统的光谱反射率。该测量方法测量所覆盖的光学元件表面大，测量环节少，测量精度高。
文档编号G01M11/02GK102539120SQ20121000108
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者张颖, 赵慧洁, 邹百英 申请人:北京航空航天大学