基于PST的雜散光測(cè)試系統(tǒng)研究

吳琪，徐熙平，徐亮，陳君杰

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

隨著探測(cè)器的飛躍發(fā)展，人們對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中探測(cè)器的要求度愈來(lái)愈高，同時(shí)雜散光對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越顯著。雜散光產(chǎn)生于漏光、透射光學(xué)表面的殘余反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學(xué)表面的殘余反射［1］，及紅外光學(xué)系統(tǒng)因系統(tǒng)自身熱輻射產(chǎn)生的雜散光［2-4］。這些雜散光都會(huì)降低成像質(zhì)量，同時(shí)降低探測(cè)器探測(cè)弱目標(biāo)的能力［5-7］。因而有必要研究一種雜散光測(cè)試系統(tǒng)保障系統(tǒng)的工作。其中點(diǎn)光源透過(guò)率（PST）［8-10］測(cè)試系統(tǒng)就是經(jīng)典測(cè)試系統(tǒng)之一。

首先對(duì)光束性能測(cè)試，將測(cè)試誤差控制在7%以內(nèi)，使光束性能滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。采用大口徑實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行可見(jiàn)光、紅外光等五個(gè)波段的雜散光測(cè)試，滿足大部分光源的測(cè)試波段。利用光電倍增管和鎖相放大器等技術(shù)對(duì)暗信號(hào)進(jìn)行提取，提高PST測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試極限水平。通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試值和標(biāo)準(zhǔn)值比較，合理分析測(cè)試系統(tǒng)存在的偏差因素，本文就可見(jiàn)光波段（0.75μm）進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 基本原理

目前國(guó)際上較為通用的雜散光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是點(diǎn)光源透過(guò)率法，即PST（Point Source Transmittance），它是一種科學(xué)的、可精準(zhǔn)測(cè)量的、且能評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)雜散光抑制能力的測(cè)量方法。其定義為，光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外視場(chǎng)角為θ的點(diǎn)源目標(biāo)的輻射，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在像面上產(chǎn)生的輻照度Ei()θ與其在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處輻照度E0()θ的比值。即：

從而可得到被測(cè)相機(jī)在不同離軸角的PST值。PST測(cè)試系統(tǒng)主要是由光源組件、斬波器、離軸平行光管、鎖相放大器、光電倍增管、雙柱罐、被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、一維位移臺(tái)、二維位移臺(tái)、三維位移臺(tái)、六維轉(zhuǎn)臺(tái)等部件組成。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 PST測(cè)試原理

測(cè)試流程如下，首先對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)定，保證測(cè)量時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，然后對(duì)光束進(jìn)行均勻性及準(zhǔn)直性測(cè)試，保證出射的光線滿足實(shí)驗(yàn)的要求。當(dāng)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)平行光管準(zhǔn)直后形成?1000mm的光斑進(jìn)入雙柱罐。雙柱罐中心位置放置六維電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)放置于雙柱罐的六維電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。光源發(fā)出的光經(jīng)斬波器調(diào)制后入射到平行光管中，被平行光準(zhǔn)直后形成?1000mm口徑的光斑入射到雙柱罐中，探測(cè)器固定在三維位移臺(tái)上，三維位移臺(tái)固定在六維電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。通過(guò)調(diào)整探測(cè)器的位置，保證探測(cè)器的探測(cè)面位于被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面位置處。由于軸外視場(chǎng)的雜散光屬于弱信號(hào)探測(cè)，為保證探測(cè)到的光信息不被探測(cè)器的噪聲淹沒(méi)，將采集到的信號(hào)通過(guò)鎖相放大器比對(duì)過(guò)濾。旋轉(zhuǎn)六維電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)繞旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心在[-θ,+θ]范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試不同角度下，像面上產(chǎn)生的輻照度與其在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處輻照度的比值，得出不同角度處的PST指數(shù)。

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，探測(cè)器是最關(guān)鍵的光電器件之一。為了使式（1）中在像面上產(chǎn)生的輻照度Ei()θ保持在探測(cè)器線性響應(yīng)區(qū)間內(nèi)，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，宜選取合適的探測(cè)器。

2 探測(cè)器的選取

可見(jiàn)光探測(cè)器通過(guò)三維位移臺(tái)固定在被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面處。測(cè)試時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的角度以模擬光源由不同的角度入射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)探測(cè)像面處的能量計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)PST指數(shù)，以評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)雜散光抑制能力?？梢?jiàn)光探測(cè)器的靈敏度決定了系統(tǒng)測(cè)試范圍。而光源的輻亮度直接影響入射光學(xué)系統(tǒng)像面處的輻亮度，因而有必要計(jì)算像面處的輻照度，來(lái)選擇合適的可見(jiàn)光探測(cè)器。

當(dāng)光源為可見(jiàn)光均勻光源時(shí)，其輻亮度調(diào)節(jié)范圍為10～100W/m2·sr。根據(jù)輻亮度計(jì)算公式：

式中，dA表示元面積的輻射面，和表面法線N成θ度，在元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻通量dΦe，其輻亮度為L(zhǎng)e。

為滿足準(zhǔn)直性要求，光纖的直徑應(yīng)不大于?0.15mm，且對(duì)于一般的光纖，其NA=0.22。經(jīng)過(guò)15m的平行光管后成?1000mm的光斑。由于焦距很長(zhǎng)，所以立體角可以近似用下式計(jì)算：

那么可以計(jì)算平行光管出射后的輻通量為：

換算為明視覺(jué)條件下的光學(xué)量，為

這里為簡(jiǎn)化計(jì)算，V(λ)為光譜效率函數(shù)，則有

那么可計(jì)算光照度：

根據(jù)技術(shù)參數(shù)要求，可計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)像面處的照度：

對(duì)于可見(jiàn)光均勻光源，應(yīng)選取探測(cè)范圍在3.5×10-13W m2～3.5×10-8W m2的探測(cè)器。由于可見(jiàn)光源和紅外光源探測(cè)器探測(cè)范圍步驟類似，可得激光光源應(yīng)選取探測(cè)范圍在6.48×10-2W m2～6.48×10-6W m2的探測(cè)器，對(duì)于紅外激光光源，應(yīng)選取探測(cè)范圍在1.46×10-4W m2～1.46×10-8W m2的探測(cè)器。

表1 各參數(shù)賦值及求解

3 PST測(cè)試

3.1 光束性能測(cè)試

（1）準(zhǔn)直性測(cè)試

在PST測(cè)試過(guò)程中，光束性能測(cè)試結(jié)果直接影響測(cè)試系統(tǒng)誤差，所以需要對(duì)光束的性能測(cè)試進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的要求。

在準(zhǔn)直性測(cè)試中，平行光管的作用是模擬無(wú)窮遠(yuǎn)的光源。由于平行光管的口徑比較大，通常采用“五棱鏡法”對(duì)平行光管的準(zhǔn)直性進(jìn)行校正，圖2所示。在平行光管前放置一個(gè)五棱鏡，利用一維電動(dòng)位移臺(tái)，使其沿垂直于平行光管光軸方向移動(dòng)。檢校時(shí)使五棱鏡從位置①移動(dòng)到位置②，沿光軸前后移動(dòng)平行光管的分劃板，分劃像由左向右移動(dòng)時(shí)，則分劃板處在焦內(nèi)。十字分劃線像在CCD像面上移動(dòng)m個(gè)像元，則平行光的準(zhǔn)直性評(píng)價(jià)公式為：

其中，ΔP為攝像機(jī)的像元尺寸，f為攝像機(jī)的焦距，m為系統(tǒng)的已知參數(shù)。通過(guò)調(diào)整平行光管物鏡與分劃板之間的相對(duì)位置，予以消除視差。分劃板的位置即光源位置。

圖2 平行光管準(zhǔn)直性測(cè)試

表2 觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

表3 CCD技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)表2及表3，可計(jì)算本系統(tǒng)實(shí)際能達(dá)到的測(cè)量精度為：

觀測(cè)系統(tǒng)角分辨率為：

以上可知，本系統(tǒng)所選用的器件能夠滿足測(cè)試精度為±2"的要求。

（2）均勻性性測(cè)試

在光束的均勻性測(cè)試中，平行光管出射端口放置二維位移臺(tái)，將光功率計(jì)固定在二維位移臺(tái)上。令光功率計(jì)"S"型遍歷整個(gè)光斑，如圖3所示，每20mm采集一次數(shù)據(jù)。記錄光功率計(jì)的最大值和最小值則光源均勻性可由下式計(jì)算：

根據(jù)測(cè)試要求，如果U＜4%，則認(rèn)為光束均勻性滿足要求。

圖3 光束均勻性測(cè)試的掃描路徑

表4 探測(cè)器的主要技術(shù)參數(shù)

由于本系統(tǒng)中可見(jiàn)光光源的光譜為0.447μm、0.75μm，用S132C測(cè)試，測(cè)量不確定度為±3%。1.06μm及1.71μm，用S130C測(cè)試，測(cè)量不確定度為5%。據(jù)此計(jì)算各個(gè)波段處的測(cè)量誤差。表4為探測(cè)器的主要技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)光斑均勻性公式，對(duì)于S132C探測(cè)器，考慮到此時(shí)測(cè)量不確定度為±3%，則可計(jì)算光斑均勻性最大偏差為：

由于：

則可以得出，其精度為：

最終可以計(jì)算出0＜ε1＜3%。

同樣的方法，對(duì)于S130C探測(cè)器，考慮到測(cè)量不確定度為±5%，最終可以計(jì)算出0＜ε2＜5%?？梢詫?shí)現(xiàn)光斑均勻性優(yōu)于5%的測(cè)試。

光束性能測(cè)試是影響測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試誤差首要的也是最直接的因素之一，良好的準(zhǔn)直性和均勻性是保證測(cè)試系統(tǒng)精度的前提，通過(guò)以上光束性能測(cè)試，準(zhǔn)直性為3.7%/10h，均勻性為3.5%/10h，能達(dá)到很好的控制測(cè)試系統(tǒng)誤差的效果。

3.2 雜散光測(cè)試

通過(guò)性能測(cè)試的平行光束，經(jīng)過(guò)雙柱罐入光口入射到其內(nèi)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，在被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的焦面處放置光電倍增管探測(cè)器，并結(jié)合鎖相放大器探測(cè)被測(cè)光學(xué)焦面處的輻照度，進(jìn)而繪制雜散光與光譜透過(guò)率的測(cè)試曲線。雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試分為四步，首先控制六維旋轉(zhuǎn)臺(tái)將被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)置于雙柱罐的平行光照射處；然后調(diào)整三維調(diào)整架，將光電倍增管探測(cè)器移動(dòng)到被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的焦面處并固定；控制六維調(diào)整臺(tái)在水平方向以某一角度間隔進(jìn)行掃描，在每一個(gè)采樣角度處記錄鎖放輸出電壓值，從而得到不同角度的透過(guò)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的輻照度被固定在焦面的探測(cè)器所接收。最后根據(jù)平行光測(cè)試模塊中記錄的平行光輸出功率值，計(jì)算被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的PST值，得到不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度處被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的PST值。進(jìn)而繪制雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試曲線。雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試部分與工控機(jī)通信接口如表5所示。

圖4 雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表5 雜散光與光譜透過(guò)率測(cè)試部分與工控機(jī)通信接口

4 結(jié)果與分析

4.1 PST測(cè)試結(jié)果

光束的性能參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表6所示。光束的準(zhǔn)直性、均勻性、穩(wěn)定性的測(cè)量參數(shù)都比較好的滿足了實(shí)驗(yàn)的要求。光束的性能測(cè)試對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果起到了很好的保障作用，能有效的降低系統(tǒng)測(cè)試誤差。

表6 光束測(cè)試性能參數(shù)

圖5所示為可見(jiàn)光探測(cè)器的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，在0.03lux之前，探測(cè)器所接受到的能量與擬合數(shù)據(jù)存在一定的偏差，可能是探測(cè)器的響應(yīng)沒(méi)有達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。在后半段，原始數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)很好的重合在一起，數(shù)據(jù)基本具有一致性，滿足實(shí)驗(yàn)所需的要求。

圖5 可見(jiàn)光探測(cè)器的響應(yīng)曲線

圖6是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的整體實(shí)物圖。圖中有矩形支架、雙柱罐和平行光管。其中矩形支架的作用是為了使二維位移臺(tái)和平行光管的高度相匹配。雙柱罐的作用是防止內(nèi)部殘存的反射、散射等光污染重疊在探測(cè)器上，從而影響探測(cè)器的性能。平行光管的作用是為了模擬太陽(yáng)對(duì)地面輻射的平行光。

圖6 PST系統(tǒng)整體實(shí)物

圖7是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了三次測(cè)量的PST曲線。從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)試曲線與標(biāo)定值曲線有小于一個(gè)量級(jí)左右的差值，基本符合試驗(yàn)測(cè)試的一致性。PST曲線整體成下降趨勢(shì)，在3°～9°之間下降較快，PST達(dá)到10-5量級(jí)左右。系統(tǒng)對(duì)雜散光的抑制能力完全滿足要求。在離軸角度為9°附近時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù)基本重合，說(shuō)明PST測(cè)試水平基本保持穩(wěn)定，在離軸角度為大于9°時(shí)，從曲線可以看出，標(biāo)定數(shù)據(jù)一般位于測(cè)試數(shù)據(jù)的下方，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，可能是由于測(cè)試鏡頭的表面受到的雙柱罐內(nèi)殘余的反、散射光的影響更大一些。

圖7 可見(jiàn)光PST測(cè)試值與標(biāo)定值

4.2 影響誤差因素

考慮到測(cè)試值和標(biāo)定值存在的偏差，如圖8所示，從圖中可以看出在離軸角度15°以內(nèi)，PST測(cè)試值和標(biāo)定值一致性較好，且在15°離軸角PST值達(dá)到10-6，可驗(yàn)證雜散光測(cè)試系統(tǒng)抑制能力滿足要求。但是在15°～20°時(shí)，測(cè)試值和標(biāo)定值出現(xiàn)一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)差距，可能是由于探測(cè)器表面出現(xiàn)的瑕疵所造成的。在離軸角度大于20°時(shí)?；謴?fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，可充分說(shuō)明在這個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)雜散光測(cè)試是有意義的。

影響測(cè)試誤差的主要因素有以下幾個(gè)方面：

（1）環(huán)境清潔度對(duì)雜散光的影響很大。特別是在雙柱罐內(nèi)，其內(nèi)部殘存的反射、散射等一系列光污染在探測(cè)器上造成本底噪聲的重疊引起的，而且角度越大，這種現(xiàn)象越明顯。

（2）環(huán)境雜散光變化影響較大。即使在測(cè)試過(guò)程中已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)反光區(qū)域進(jìn)行了遮擋工作，但是環(huán)境光仍然很嚴(yán)重。特別是在離軸角為18°的時(shí)候。

（3）測(cè)試前通過(guò)對(duì)光束的均勻性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)直性的標(biāo)定和探測(cè)器線性標(biāo)定的誤差影響。光束的均勻性為3.5%，穩(wěn)定性為4.1%，準(zhǔn)直性為3.7%，，由此引起的測(cè)試誤差為：

（4）測(cè)試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的裝配存在一定的偏差所產(chǎn)生的。

5 結(jié)論

對(duì)PST測(cè)試系統(tǒng)的多波段雜散光在光束性能測(cè)試、器件選定、測(cè)試與標(biāo)定結(jié)果對(duì)比分析等方面進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)對(duì)光束進(jìn)行性能測(cè)試，將其誤差控制在6.5%，滿足測(cè)試要求。改進(jìn)后的PST測(cè)試系統(tǒng)的可見(jiàn)光測(cè)試極限水平可以達(dá)到10-8，紅外光PST的測(cè)試極限水平可以達(dá)到10-10。通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，分析測(cè)試系統(tǒng)誤差存在的因素，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)在不同波段雜散光所存在問(wèn)題的分析具有指導(dǎo)性意義。

另外，考慮到標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)的標(biāo)定值和實(shí)際測(cè)量值之間的偏差，環(huán)境雜散光和環(huán)境潔凈度能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。在未來(lái)的研究工作中，可以在雙柱罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中改進(jìn)方案，提高空氣潔凈度，有望將PST測(cè)試水平提高。

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