氙燈積分球光源起伏對紫外系統(tǒng)定標(biāo)影響

房陳巖，黃小仙，尹達(dá)一

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氙燈積分球光源起伏對紫外系統(tǒng)定標(biāo)影響

房陳巖1,2,3，黃小仙1,2,3，尹達(dá)一1,2,3

( 1. 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 中國科學(xué)院紅外探測與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

海洋光學(xué)紫外遙感需要通過對紫外探測系統(tǒng)進(jìn)行精確的輻射定標(biāo)和系統(tǒng)性能指標(biāo)測定來實(shí)現(xiàn)。本文采用積分球光譜輻射定標(biāo)法，利用氙燈光源，標(biāo)定自行研制的一套紫外輻射面陣探測系統(tǒng)。得到待測系統(tǒng)的輸出響應(yīng)與積分球輸出光譜輻亮度呈極好的線性關(guān)系，線性相關(guān)性達(dá)99.99%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)氙燈光源存在起伏漲落特性，本文首次提出了氙燈修正模型，建立了基于實(shí)測結(jié)果、待測系統(tǒng)和氙燈光源三者標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系的簡易模型，可以修復(fù)由于氙燈輸出有起伏帶來測量失準(zhǔn)48%的負(fù)面影響，得到待測系統(tǒng)的實(shí)際噪聲和信噪比。通過文中的理論分析和模型的建立與驗(yàn)證，為氙燈積分球紫外輻射定標(biāo)和信噪比等參數(shù)測定提供理論和數(shù)據(jù)支持。

氙燈積分球；輻射定標(biāo)；起伏漲落；系統(tǒng)噪聲；紫外波段；互相關(guān)性

0 引 言

近年來，隨著海洋溢油污染以及臭氧層空洞問題的日益嚴(yán)重，高壓輸電線路上電暈放電帶來能量損耗的問題也日益突出，對于紫外波段的探測技術(shù)研究越來越得到重視。無論在海洋光學(xué)紫外遙感及地面目標(biāo)紫外探測上，紫外探測系統(tǒng)能夠幫助研究人員獲取目標(biāo)區(qū)域的紫外定量化數(shù)據(jù)，同時(shí)為了提供更為準(zhǔn)確和客觀的評價(jià)，也需要進(jìn)一步反演得到目標(biāo)的紫外波段信息，因此，必須對紫外探測系統(tǒng)進(jìn)行精確的輻射定標(biāo)，確定目標(biāo)光譜輻亮度與系統(tǒng)輸出碼值的對應(yīng)關(guān)系，并對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行測定[1]。

使用標(biāo)準(zhǔn)光源來定標(biāo)光譜輻射計(jì)是廣泛采用的辦法[2-3]。然而，光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)-高溫黑體或鎢帶燈都沒有足夠大的發(fā)射面積來充滿其較大的視場。因此，有人使用標(biāo)準(zhǔn)燈和標(biāo)準(zhǔn)漫反射板產(chǎn)生近似朗伯體的大面積光源來進(jìn)行標(biāo)定[2]。然而，由于在紫外波段的特殊性，標(biāo)準(zhǔn)燈不確定度較大，漫反射板雙向反射分布函數(shù)也有較大不確定度，因此光譜輻射定標(biāo)一般避免采用平面漫反射板定標(biāo)方法。

Walker提出，基于內(nèi)部照明的積分球光譜輻亮度定標(biāo)，抵消了漫反射板的影響，精度得到較大的提高。Heath對積分球系統(tǒng)的研究表明，由氙燈照明的Zenith材料積分球，用于紫外光譜輻亮度定標(biāo)，不僅可行而且是最佳選擇[4-5]。因此，我們采用積分球光譜輻亮度定標(biāo)方法，使用氙燈作為光源，來標(biāo)定自行研制的紫外輻射面陣探測系統(tǒng)，得到探測系統(tǒng)輸出碼值的響應(yīng)函數(shù)，對應(yīng)到目標(biāo)或背景的光譜輻亮度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 積分球及燈源選擇

積分球是內(nèi)表面均勻地涂有漫反射特性涂料的中空球體，直徑大小不一，可根據(jù)項(xiàng)目不同需求來選擇。積分球體的前端有一個(gè)較大開口，白色涂料在較寬光譜范圍內(nèi)有高而平坦的反射率，而具有紫外波段的積分球的有效波段范圍一般控制在200 nm~1 400 nm之間。入射到積分球內(nèi)表面任何一點(diǎn)的光線經(jīng)多次漫反射，均勻到達(dá)其余各部，各點(diǎn)的照度僅與入射光的功率有關(guān)。積分球的開口處可認(rèn)為是一個(gè)理想的郎伯漫射面源，調(diào)節(jié)內(nèi)部燈數(shù)個(gè)數(shù)或光闌大小的開閉，可給出不同的出射度，在待定標(biāo)儀器的入瞳處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的照度[6]。

氙燈屬于氣體放電燈，是由充有氙氣的石英燈泡組成，用高電壓觸發(fā)放電。氙燈具有連續(xù)光譜特性，并且其可見光光譜與太陽光譜比較接近，一般可以作太陽模擬器的光源[7-8]。在相同功率下，氙燈紫外波段的輻射強(qiáng)度要大于鹵素?zé)艄庠础D1分別為風(fēng)冷氙燈燈管示意圖和放電電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 風(fēng)冷短弧氙燈(a)及其電路結(jié)構(gòu)示意圖(b)

表1 積分球采用不同光源的優(yōu)缺點(diǎn)對比

氙燈積分球，作為一種重要的紫外輻射定標(biāo)光源，得到了普遍應(yīng)用。在紫外波段，氙燈可以提供連續(xù)的輻射光譜，其強(qiáng)度也超過鹵素?zé)?，可以說，氙燈是一種比較理想的連續(xù)紫外輻射源。表1則對采用不同光源的積分球的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討。

1.2 積分球輻射定標(biāo)原理

針對本套基于紫外增強(qiáng)型CCD的面陣成像探測系統(tǒng)，利用氙燈積分球進(jìn)行紫外波段輻射定標(biāo)試驗(yàn)。本項(xiàng)目采用美國Labsphere公司的TX40VGC6920積分球作為定標(biāo)源，如圖2(a)所示。圖2(b)為利用光譜儀測得此氙燈積分球的光譜曲線。待測紫外探測系統(tǒng)的波段范圍為340 nm~360 nm，平均透過率大于20%。

圖2 實(shí)驗(yàn)用積分球(a)及其光譜曲線(b)

通過一套輔助的標(biāo)準(zhǔn)探測器，作為輔助輻射定標(biāo)，來反演出待測系統(tǒng)的輻射定標(biāo)參數(shù)。我們將標(biāo)準(zhǔn)探測器，放置在積分球開孔處，距離開口距離為出口直徑的三至五倍，此處可以獲得均勻性優(yōu)于99%的照度場。同樣的，也將待測紫外系統(tǒng)放置在相同位置。

根據(jù)光電探測的基本理論，積分球光譜輻亮度的輻射定標(biāo)式為

對于本套待測紫外探測系統(tǒng)，只開啟一盞1 000 W的氙燈，通過調(diào)節(jié)積分球光闌大小來控制積分球輸出光譜輻亮度，再調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)的積分時(shí)間，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。在某一檔確定的積分時(shí)間下，擬合系數(shù)達(dá)到99.99%。

2 數(shù)據(jù)分析與建模方法

2.1 氙燈積分球?qū)嶒?yàn)的數(shù)據(jù)分析

本套待測紫外探測系統(tǒng)采用紫外增強(qiáng)型面陣CCD，面陣大小500′600，幀頻2幀/秒，即每隔0.5 s，采集一次數(shù)據(jù)，共連續(xù)采集了120幅面陣圖像。由于面陣總像素?cái)?shù)是30 000，點(diǎn)數(shù)太多不利于分析，因此采用隨機(jī)函數(shù)選取了圖像面陣中的100個(gè)像素點(diǎn)，針對這隨機(jī)選擇的100個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖3為經(jīng)過處理后的圖。其中，白點(diǎn)序列為在某一時(shí)刻下這100個(gè)隨機(jī)像素點(diǎn)的碼值的均值。黑色區(qū)域即為這100個(gè)隨機(jī)像素點(diǎn)在1~120個(gè)時(shí)刻下獲取得到的碼值分布。

圖3 Y值隨時(shí)間變化曲線分布圖(氙燈)

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，藍(lán)圈白點(diǎn)序列隨軸呈現(xiàn)明顯上下起伏。在本文中，白點(diǎn)可近似等于氙燈積分球在當(dāng)前時(shí)刻的輸出光譜輻亮度下所獲得的系統(tǒng)響應(yīng)平均avg值。根據(jù)式(2)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)與系統(tǒng)的入射光譜輻亮度呈線性關(guān)系，因此，白點(diǎn)序列也可以作為氙燈積分球輸出光譜輻亮度的一種線性表征。運(yùn)用式(4)，將圖3中黑色區(qū)域那些點(diǎn)的值減去與之相同坐標(biāo)下的藍(lán)圈白點(diǎn)的值后，計(jì)算可得圖4。圖4更能反映出氙燈光源的漲落起伏對系統(tǒng)響應(yīng)帶來的影響。

圖4 Ynew值隨時(shí)間變化曲線分布圖

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，通常采用皮爾遜積差矩陣計(jì)算方法，得到兩個(gè)隨機(jī)變量序列的相關(guān)系數(shù)，用來度量序列和序列的相關(guān)性。如果=1則完全相關(guān)，0.7~0.99則高度相關(guān)，0.4~0.69則中度相關(guān)。計(jì)算式：

將100個(gè)像素點(diǎn)的碼值隨時(shí)間波動(dòng)的序列簡稱為序列，將相同時(shí)刻下100點(diǎn)均值隨時(shí)間波動(dòng)的碼值序列稱為序列，可以通過皮爾遜積差矩陣計(jì)算方法得到序列與序列的相關(guān)性系數(shù)矩陣(1′100)。由圖5可以看出，相關(guān)系數(shù)均勻地分布在0.75左右，表明與這兩個(gè)序列顯著相關(guān)。

圖5 x、y序列皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線圖

2.2 模型建立

根據(jù)光電系統(tǒng)相關(guān)理論，對于面陣凝視型成像系統(tǒng)的噪聲計(jì)算，將每個(gè)像素視為一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，通常將每個(gè)像素在穩(wěn)定光照輸入下一定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)碼值序列的標(biāo)準(zhǔn)差，作為該像素點(diǎn)的噪聲大小。再根據(jù)本文之前的推論，可以認(rèn)為原始數(shù)據(jù)計(jì)算測得的標(biāo)準(zhǔn)差，不僅包含了待測系統(tǒng)的整體噪聲，也包含了光源輸出光照能量標(biāo)準(zhǔn)差。由于兩者從形成原理上互不相關(guān)，故可建立簡易如下模型：

圖6 各像素點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差曲線

由圖6可以看出，100多個(gè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)的均方差主要分布在noise=7.898 8附近，做修正氙燈不穩(wěn)定影響處理后的均方差為=5.335 3。因此，可以得到氙燈積分球輸出漲落的均方差為=2.563 5?？梢钥闯?，由于氙燈光源自身的不穩(wěn)定性，對積分球輸出漲落的均方差帶來超過48%的負(fù)面影響，即修正模型可以修復(fù)48%的影響。

圖7(a)表示100個(gè)像素點(diǎn)在120個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)的散點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)為某一個(gè)像素點(diǎn)在120個(gè)時(shí)間下的均值，縱坐標(biāo)為測得的碼值。同時(shí)，選取了任意一個(gè)像素點(diǎn)，對其120個(gè)時(shí)間下采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖的

2.3 鹵素?zé)舴e分球的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與比對

采用同一套紫外探測系統(tǒng)，放置在和上述實(shí)驗(yàn)中距離積分球出光口相同的距離處。光源換成鹵素?zé)?。采用和之前一致的方法，連續(xù)成像120幅圖像，并調(diào)用隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)選取了面陣中的100像素點(diǎn)。可依據(jù)圖3的繪制方法，繪制出如圖8所示的系統(tǒng)響應(yīng)值隨時(shí)間變化的曲線分布圖。

圖8 Y值隨時(shí)間變化曲線分布圖(鹵素?zé)?

表2 高斯分布擬合結(jié)果

若按照2.2節(jié)闡述的氙燈修正模型，應(yīng)用式(6)、式(7)，計(jì)算后可發(fā)現(xiàn)，，即，也驗(yàn)證了鹵素?zé)舨]有氙燈具有的漲落起伏特性?；蛘哒f，鹵素?zé)糨敵瞿芰康淖兓瘶O其微弱，不足以影響本套待測系統(tǒng)對系統(tǒng)噪聲的計(jì)算測定。同時(shí)，也從另一個(gè)側(cè)面說明，在積分球采用氙燈光源的情況下，本氙燈修正模型具有合適性。

3 結(jié) 論

通過積分球輻射定標(biāo)方法，采用積分球氙燈光源，對紫外面陣成像探測系統(tǒng)在不同積分時(shí)間、不同光強(qiáng)輸出情況下采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同一個(gè)積分時(shí)間條件下，待測系統(tǒng)的輸出響應(yīng)與積分球氙燈光源輸出光譜輻亮度呈極好的線性關(guān)系，線性相關(guān)性達(dá)到99.99%。因此，采用氙燈作為紫外輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)光源，是非常合適的。同時(shí)，首次提出并建立了基于標(biāo)準(zhǔn)差的氙燈修正模型，應(yīng)用于采用氙燈積分球?qū)ψ贤獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行信噪比測定的試驗(yàn)結(jié)果中，可以有效校正由于氙燈的輸出光譜輻亮度有高低漲落起伏所帶來的大約48%的影響。通過輻射定標(biāo)光源選擇方法的理論分析，校正模型的建立與驗(yàn)證，可以為氙燈積分球紫外輻射定標(biāo)、噪聲和信噪比測定提供理論和數(shù)據(jù)支持，幫助實(shí)現(xiàn)海洋遙感、地面目標(biāo)等目標(biāo)的反演。

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The Influence of Light Source’s Fluctuation of Xenon Lamp Integrating Sphere on Ultraviolet System Calibration

FANG Chenyan1,2,3，HUANG Xiaoxian1,2,3，YIN Dayi1,2,3

( 1. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ）

In order to achieve ocean optics ultraviolet remote sensing, it is needed to make an accurate radiometric calibration and system performance measurement for the UV imaging detection system. The method of integrating sphere spectral radiometric calibration, with xenon lamp as the light source, is used to calibrate the ultraviolet imaging detection system, which is designed and developed by ourselves. It’s verified that the output response of the UV detection system to the output spectral radiance from integrating sphere is an excellent linear relationship under the same integration time by taking the average of multiple samples, whose linear correlation reaches 99.99%. We have found the xenon lamp with a property of fluctuation, whose output spectral radiometric has ups and downs. In this paper, we firstly propose a model for xenon lamp, which is based on the relationship of three kinds of standard deviations of experimental results, UV imaging system and xenon lamp. This model can be used to correct the 48% inaccuracy of negative effect by the fluctuation of xenon lamp, and finally fix and get the real noise and SNR of whole system. Through the theoretical analysis, the establishment and verification of fixed model, it could provide theoretical and data support for xenon lamp integrating sphere UV calibration and parameters measurement like SNR.

xenon lamp integrating sphere; radiometric calibration; fluctuation; system noise; UV band; cross-correlation

1003-501X(2016)09-0020-06

TN23

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.004

2015-09-23；

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40776100)

房陳巖(1989-)，男(漢族)，浙江寧波人。博士研究生，主要從事紫外光譜、成像及信息處理技術(shù)研究。E-mail: fcyanyan_1@163.com。