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近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103776531 A (43)申请公布日 2014.05.07 CN 103776531 A (21)申请号 201410001652.7 (22)申请日 2014.01.01 G01J 3/28(2006.01) (71)申请人西安应用光学研究所地址 710065 陕西省西安市雁塔区电子三路西段九号 (72)发明人李宏光袁良刘瑞星俞兵杨鸿儒韩占锁吴宝宁 (54) 发明名称近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置 (57) 摘要本发明公开了一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，属光学计量技术领域。该装置包括用于标定光栅光谱仪的光源组件，含有。

2、阵列光纤束的光纤组件，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机，含有平场凹面光栅和面阵 EMCCD 的光栅光谱仪；阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有 n 根按一字排列的光纤；被测脉冲光源发出的脉冲光束经光纤组件、狭缝后被平场凹面光栅色散，色散光聚焦到面阵 EMCCD 的光敏面上而形成n行线光谱，计算机采集n行线光谱并根据光谱辐亮度计算公式获得被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度值，并在计算机屏幕上显示单幅或多幅光谱辐亮度曲线。本发明解决了近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度的校准难题，具有广阔的应用前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页。

3、说明书 8 页附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书3页说明书8页附图1页 (10)申请公布号 CN 103776531 A CN 103776531 A 1/3 页 2 1. 一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，包括光源组件 (1)，光栅光谱仪 (3)，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机 (4)，其特征在于：还包括含有耦合透镜 (2-1) 和阵列光纤束 (2-2) 的光纤组件 (2)，所述光栅光谱仪 (3) 含有滤光片 (3-1)、狭缝 (3-2)、平场凹面光栅 (3-3)、面阵 EMCCD(3-4) ；所述。

4、光源组件 (1) 包含一维移动平台 (1-6)，用于标定光栅光谱仪 (3) 的高温黑体 (1-1)、白光光源 (1-2)、高压汞灯 (1-3) 和脉冲开关 (1-5)，高温黑体 (1-1)、白光光源 (1-2) 和高压汞灯 (1-3) 一字排列安装在一维移动平台 (1-6) 上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台 (1-6) 使高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)的发光面的中心逐个对准脉冲开关(1-5) 的中心，脉冲开关 (1-5) 的中心与所述耦合透镜 (2-1) 的中心正对；所述耦合透镜(2-1)为凸透镜，所。

5、述阵列光纤束(2-2)的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n10， n的取值取决于所述狭缝(3-2)的长度；耦合透镜(2-1) 通过光纤连接器与阵列光纤束 (2-2) 的输入端相连；阵列光纤束 (2-2) 和狭缝 (3-2) 长度相同且平行正对，平场凹面光栅 (3-3) 的刻线方向与阵列光纤束 (2-2) 和狭缝 (3-2) 的长度方向垂直，同时与面阵 EMCCD(3-4) 的长度方向一致；当对被测脉冲光源 (1-4) 校准时，将被测脉冲光源 (1-4) 放置在一维移动平台 (1-6) 上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜 (2-1。

6、) 的中心；被测脉冲光源 (1-4) 发出的脉冲光束经耦合透镜 (2-1) 耦合到阵列光纤束 (2-2) 的输入端，由阵列光纤束 (2-2) 输出端出射的一列光束照射到滤光片 (3-1) 上，经滤光后到达狭缝 (3-2)，由狭缝 (3-2) 出射的光束入射到平场凹面光栅 (3-3) 上；光束经平场凹面光栅 (3-3) 色散后聚焦到面阵 EMCCD(3-4) 的光敏面上并形成 n 行线光谱，面阵 EMCCD(3-4) 将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机 (4) ；计算机 (4) 带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标。

7、定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯(1-3)获得的面阵EMCCD像元列 j所对应的波长j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体(1-1)获得的面阵 EMCCD 像元列 j 所对应的光谱辐亮度修正系数 K(j) 数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源 (1-2) 获得的面阵 EMCCD 像元列 j 所对应的标准光谱辐亮度 LCC(j) 数据表；光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：所述菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选。

8、择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下 , 当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 一个积分周期输出的随像元列 j 变化的背景测试信号 VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号 VBi(j) 转换为随波长 j变化的背景电压测试信号 VBi(j)，并在菜单模块的显示。

9、窗口中显示随波长 j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 一个积分周期输出的随像元列 j 变化的脉冲光源测试信号 VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号 VCi(j) 转权利要求书 CN 103776531 A 2 2/3 页 3 换为随波长j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中： i=1、 2、 .、 n,i 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤。

10、的输出光束一一对应； j 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元列数 ,j=1、 2、 .、 J,J 取决于光束经平场凹面光栅 3-3 色散后聚焦在面阵 EMCCD 光敏面上的线光谱宽度以及面阵 EMCCD 的像元尺寸， j表示与像元列 j 所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间段内输出的 M 个随像元列 j 变化的背景测试信号 VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号 VBim(j) 转换为随波长 j变化的背景测试信号 VBim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的背景电压测试。

11、曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号 VCim(j) 转换为随波长 j变化的脉冲光源测试信号 VCim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中： m=1、 2、 M,m 为面阵 EMCCD 的积分周期数， M /T， T 为面阵 EMCCD 的积分周期；计算模块功能是：在单光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一。

12、组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值 L(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线： L(j) k0K(j)VC(j)-VB(j) k0 LCC(j)/LCC0(j) K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(j) LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 式中， j=1、 2、 .、 J， LCBB(j) 是高温黑体在 2856K 色温下的理论光谱辐亮度值， LCC(j)为白光光源的标准光谱辐亮度值， LCC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值， VCBB(j) 是高温黑体在 2856K 色温下的测试电压值， VCC(j) 是白光光源的测试电压。

13、值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第 M 周期数的光谱辐亮度值 Lm(j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线； Lm(j) k0K(j)VCm(j)-VBm(j) k0 LCC(j)/LCC0(j) 权利要求书 CN 103776531 A 3 3/3 页 4 K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(j) LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 采用上述。

14、一组公式的计算过程为：在 m=1 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值 L1(j)，在 m=2 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值 L2(j)，直到 m=M 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第 M 个光谱辐亮度值 LM(j)。 2. 根据权利要求 1 所述的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，其特征在于：所述平场凹面光栅 (3-3) 的波段范围为 0.9m 1.1m, 色散后光谱面的宽度为 25.3830mm ；所述狭缝(3-2)的宽度为10m ；所述面阵。

15、EMCCD(3-4)的像元尺寸为16m16m，取n=19， J=1587， T=0.6ms。权利要求书 CN 103776531 A 4 1/8 页 5 近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置技术领域 0001 本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种光源光谱辐亮度校准装置，尤其涉及一种近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度校准装置。背景技术 0002 近年来，近红外脉冲光源广泛应用于军用侦察和制导等领域，近红外脉冲光源包括脉冲氙灯、半导体脉冲激光器等，为目标探测提供主动照射光，目标的反射光包含了近红外波段 0.9m 1.1m 的特征光谱，被军用侦察或制导设备接收和处理。

16、，实现目标识别。为保证侦察和制导设备具有更好的反侦察能力，要求近红外脉冲光源辐亮度越来越弱，低于 10-6W/cm2 sr nm 量级。因此 , 在近红外脉冲光源的研制、生产和应用过程中，需要对脉冲光源的弱光光谱辐亮度参数进行校准，分析在其脉冲宽度内光谱辐亮度随时间的变化，为使用脉冲微弱光源的侦察设备提供光谱辐亮度量值计量保障。 0003 目前 , 传统的近红外脉冲光源波长、辐亮度校准装置适用于 10-5W/cm2srnm 量级以上的强光光源光谱辐亮度校准。国内西安应用光学研究所研制的瞬态光谱辐射量标准装置，其核心部件近红外光谱仪采用线阵 CCD 探测器。该探测器。

17、由 512 列像元排列成一行，按像元排列顺序依次输出所测光源的波长值，可测量高于 10-5W/cm2srnm 量级脉冲光源的光谱辐亮度。英国 Andor Technology 公司型号为 SR500i-B1 的近红外光谱仪 , 采用光纤入射 , 平面闪耀光栅色散后，在 EMCCD 上聚焦为单行线光谱。在该仪器中，由于 EMCCD 探测器工作在制冷条件下，相比于采用非制冷的线阵 CCD 探测器的光谱仪，其光谱测试灵敏度较高；但是该仪器需配备准直反射镜和聚焦反射镜等光学系统，造成不必要的能量损失。此外，该仪器可测试得到近红外波段范围0.9m1.1m的相对光谱辐射测量曲。

18、线，未见给出该近红外波段的绝对光谱辐亮度的报道。发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置。 0005 为解决上述技术问题，本发明提供的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置包括光源组件，光纤组件，光栅光谱仪，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机。所述光栅光谱仪含有滤光片、狭缝、平场凹面光栅、面阵 EMCCD ；所述光源组件包含一维移动平台，用于标定光栅光谱仪的高温黑体、白光光源、高压汞灯和脉冲开关，高温黑体、白光光源和高压汞灯一字排列安装在一维移动平台上且三者的发光面均位于同一个平面即。

19、标定面；标定时，推动一维移动平台使高温黑体、白光光源、高压汞灯的发光面的中心逐个对准脉冲开关的中心，脉冲开关的中心与所述耦合透镜的中心正对； 0006 所述耦合透镜为凸透镜，所述阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有 n 根按一字排列的光纤 ,n 10， n 的取值取决于所述狭缝的长度；耦合透镜通过光纤连接器与阵列光纤束的输入端相连；阵列光纤束和狭缝长度相同且平行正对，平场凹面光栅的刻线说明书 CN 103776531 A 5 2/8 页 6 方向与阵列光纤束和狭缝的长度方向垂直，同时与面阵 EMCCD 的长度方向一致； 0007 当对被测脉冲光。

20、源校准时，将被测脉冲光源放置在一维移动平台上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜的中心；被测脉冲光源发出的脉冲光束经耦合透镜耦合到阵列光纤束的输入端，由阵列光纤束输出端出射的一列光束照射到滤光片上，经滤光后到达狭缝，由狭缝出射的光束入射到平场凹面光栅上；光束经平场凹面光栅色散后聚焦到面阵 EMCCD 的光敏面上并形成 n 行线光谱，面阵 EMCCD 将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机； 0008 计算机带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数。

21、据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长 j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵 EMCCD 像元列 j 所对应的光谱辐亮度修正系数 K(j) 数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵 EMCCD 像元列 j 所对应的标准光谱辐亮度 LCC(j) 数据表； 0009 光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块： 0010 所述菜单模块的功能是在显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光。

22、源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线； 0011 所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下 , 当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 一个积分周期输出的随像元列 j 变化的背景测试信号 VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长j变化的背景电压测试信号 VBi(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长 j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测。

23、试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCi(j) 转换为随波长j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中： i=1、 2、 .、 n,i 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应； j 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元列数 ,j=1、 2、 .、 J,J 取决于光束经平场凹面光栅色散后聚焦在面。

24、阵 EMCCD 光敏面上的线光谱宽度以及面阵 EMCCD 的像元尺寸， j表示与像元列 j 所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间段内输出的 M 个随像元列 j 变化的背景测试信号 VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号 VBim(j) 转换为随波长 j 变化的背景测试信号 VBim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间段内输出的 M 个随像元列 j 变化的脉冲光源测试信号 VCi。

25、m(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号 VCim(j) 转换为随波长 j变化的脉冲光源测试信号 VCim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中： m=1、 2、 M,m 为面阵 EMCCD 的积分周期数， M /T， T 为面阵 EMCCD 的积分周期；说明书 CN 103776531 A 6 3/8 页 7 0012 计算模块功能是：在单光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值 L(j)，并在菜单模块的。

26、显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线： 0013 L(j) k0K(j)VC(j)-VB(j) 0014 0015 0016 k0 LCC(j)/LCC0(j) 0017 K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(j) 0018 LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 0019 式中， j=1、 2、 .、 J， LCBB(j) 是高温黑体在 2856K 色温下的理论光谱辐亮度值， LCC(j) 为白光光源的标准光谱辐亮度值， LCC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值， VCBB(j) 是高温黑体在 2856K 色温下的测试电压值， VCC(j) 是白光光源的。

27、测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第 M 周期数的光谱辐亮度值 Lm(j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线； 0020 Lm(j) k0K(j)VCm(j)-VBm(j) 0021 0022 0023 k0 LCC(j)/LCC0(j) 0024 K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(j) 0025 LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 0026 。

28、采用上述一组公式的计算过程为：在 m=1 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值 L1(j)，在 m=2 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值 L2(j)，直到 m=M 时，将 j=1、 2、 .、 J 时的 j代入上述公式获得第 M 个光谱辐亮度值 LM(j)。 0027 本发明的有益效果体现在以下三个方面 : 0028 （1）本发明采用高温黑体、白光光源、高压汞灯、脉冲开关组成了脉冲光源组件，利用高温黑体光谱辐亮度值的理论值,标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD像元列对应的光谱辐亮。

29、度修正系数；利用白光光源光谱辐亮度输出均匀的特点，标定得到光栅光谱仪中面阵 EMCCD 像元列对应的标准光谱辐亮度值；利用高压汞灯的特征波长标定得到光栅光谱仪中面阵 EMCCD 的像元列对应的波长值，从而解决了近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的准确标定问题。说明书 CN 103776531 A 7 4/8 页 8 0029 （2）本发明在对被测脉冲光源校准时，被测光束通过光纤束阵列进入光谱仪狭缝，再通过平场凹面光栅色散后聚焦到面阵 EMCCD 的光敏面上并形成 n 行随波长变化的线光谱，计算机对面阵 EMCCD 的输出信号进行相应处理后获得被测脉冲光源的光谱辐亮。

30、度值。在处理过程中，每一波长处的背景信号或测试信号均为 n 行信号的求和信号，由此实现了近红外脉冲光源的微弱光谱辐亮度的测量。 0030 （3）在本发明中，光栅光谱仪采用了平场凹面光栅，相比于平面闪耀光栅而言，平场凹面光栅集色散和聚焦功能于一体，因而使得光栅光谱仪省去了准直反射镜和聚焦反射镜，简化了光路，降低了由复杂光路反射带来的能量损失。同时由于平场凹面光栅具有像差校正功能，从而保证了色散光束成像的各行线光谱面的离焦量均为零，进而提高了本发明光谱辐亮度的测试精度。附图说明 0031 图 1 是本发明近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置组成示意图。 0032 。

31、图 2 是本发明中光栅光谱仪的线光谱位置图。具体实施方式 0033 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。 0034 如图 1 所示，本发明优选实施例包含光源组件 1、含有耦合透镜 2-1 和阵列光纤束 2-2 的光纤组件 2、光栅光谱仪 3 和装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机 4。 0035 光源组件 1 包含用于标定光栅光谱仪 3 的高温黑体 1-1、白光光源 1-2、高压汞灯 1-3、脉冲开关 1-5、一维移动平台 1-6。高温黑体 1-1 选用全俄物理研究院研制的色温为 2856K 的黑体，其主要作用是根据其辐射的理论光谱辐亮度值，并采用常规的测试。

32、方法获得光栅光谱仪 3 中面阵 EMCCD3-4 像元列对应的光谱辐亮度修正系数。白光光源 1-2 采用美国 Energetiq 公司产品，型号为 EQ-99CAL，该白光光源 1-2 由激光驱动，其光谱辐亮度输出均匀，其主要作用是采用常规的标定方法，获得光栅光谱仪 3 中面阵 EMCCD3-4 像元列对应的标准光谱辐亮度值。高压汞灯1-3选用上海亚明灯泡厂生产GGQ80型高压汞灯，其主要作用是采用常规的标定方法获得光栅光谱仪 3 中面阵 EMCCD3-4 的像元列对应的波长值。高温黑体1-1、白光光源1-2和高压汞灯1-3一字排列安装在一维移动平台1-6上且三者的。

33、发光面均位于同一个平面即标定面。当对近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置进行标定时，通过推动一维移动平台 1-6 使高温黑体 1-1、白光光源 1-2、高压汞灯 1-3 的发光面的中心逐个对准脉冲开关 1-5 的中心，而脉冲开关 1-5 的中心与光纤组件 2 中耦合透镜 2-1 的中心正对。在对被测脉冲光源 1-4 校准时，需将脉冲开关 1-5 移出光路，同时将被测脉冲光源 1-4放置在一维移动平台1-6上，并使该脉冲光源1-4的发光面与标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜 2-1 的中心。 0036 在光纤组件 2 中，耦合透镜 2-1 为凸透镜，其通光口径为 8mm，。

34、焦距为 10mm。阵列光纤束 2-2 选用英国 AndorTechnology 公司的 SR-OPT-8002 型产品。该阵列光纤束 2-2 的输入端为单根光纤，输出端含有 19 根按一字排列的光纤且输出端的长度为 2.4mm, 输出端处每根光纤的芯径为 100m，数值孔径为 0.22。耦合透镜 2-1 通过光纤连接器与阵列光纤束 2-2 的输入端相连，本实施例中光纤连接器的型号为 SMA905。阵列光纤束 2-2 输出端的说明书 CN 103776531 A 8 5/8 页 9 光纤数量 n 的取值取决于光栅光谱仪 3 中狭缝 3-2 的长度，通常不低于 10 根。。

35、0037 光栅光谱仪 3 含滤光片 3-1、狭缝 3-2、平场凹面光栅 3-3、面阵 EMCCD3-4。滤光片 3-1 直径为 10mm，厚度为 2mm，材料为 K9 玻璃，表面镀制截止波长为 560nm 的光学膜层。狭缝 3-2 为美国 NationalAperture 公司生产 , 其宽度为 10m，误差 1m，长度为 2.4mm。平场凹面光栅 3-3 通光口径为 81.3133mm，入射光焦点与平场凹面光栅 3-3 中心的距离为 165.0mm，入射光的数值孔径为 0.22，波段范围为 0.9m 1.1m,0.9m 时色散率为 8.3586nm/mm， 1.0。

36、m 时色散率为 7.8797nm/mm， 1.1m 时色散率为 7.3103nm/mm。该光栅色散后聚焦并形成 n 行线光谱，所谓线光谱是指色散光束中离焦量为零的光谱面，每一行线光谱的宽度均为 25.3830mm（参见图 2），线光谱中 0.9m 波长的位置与平场凹面光栅中心的夹角及距离分别为 11.0086和 175.0759mm， 1.1m 波长的位置与该光栅中心的夹角及距离分别为 18.6289和 183.7910mm。面阵 EMCCD3-4 为英国 ANDORTechnology 公司生产 DU970P-BVF 型 EMCCD，工作在 -100制冷的环境下，量子效。

37、率高达 95%，面阵 EMCCD 的积分周期 T 为 0.6ms，像元个数为 2001600 个。在本实施例中，只采用了 191587 个像元，每个像元尺寸为 16m16m。狭缝 3-2 位于平场凹面光栅 3-3 的焦点上，面阵 EMCCD3-4 面向平场凹面光栅 3-3 的出射的色散光束一侧，其光敏面位于该色散光束的线光谱面上。 0038 光源组件1其中一个光源发出的光束或辐射经脉冲开关1-5转换为脉冲光束且脉冲光束经耦合透镜 2-1 耦合到阵列光纤束 2-2 的输入端，或者被测脉冲光源 1-4 发出的脉冲光束直接经耦合透镜 2-1 耦合到阵列光纤束 2-2 的输入端，。

38、由阵列光纤束 2-2 输出端出射的一列光束照射到滤光片 3-1 上，经滤光后到达狭缝 3-2，由狭缝 3-2 出射的光束入射到平场凹面光栅3-3上；光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦到面阵EMCCD3-4的光敏面上并形成19行线光谱，面阵EMCCD3-4将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机4。其中，平场凹面光栅 3-3 的刻线方向为水平方向（参见图 1），阵列光纤束 2-2 和狭缝 3-2 长度相同且平行正对，平场凹面光栅 3-3 的刻线方向与阵列光纤束 2-2 和狭缝 3-2 的长度方向垂直，同时与面阵 EMCCD3-4 的长度方向一致。 0039。

39、计算机 4 带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包和标定软件包，存储器内置波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵 EMCCD 像元列 j 所对应的波长 j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵 EMCCD 像元列 j 对应的光谱辐亮度修正系数 K(j) 数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵 EMCCD 像元列 j 对应的标准光谱辐亮度 LCC(j) 数据表。 0040 标定软件包为已有技术，其功能是当计算机 4 采集到以。

40、高温黑体 1-1、白光光源 1-2或高压汞灯1-3为输入光或辐射时的面阵EMCCD输出信号后，对上述信号进行相应的处理，而对应获得 EMCCD 像元列 j 所对应的波长 j数据表、面阵 EMCCD 像元列 j 对应的光谱辐亮度修正系数K(j)数据表和面阵EMCCD像元列j对应的标准光谱辐亮度LCC(j)数据表，并以数据库的形式存入到计算机 4 的存储器中供对被测脉冲光源校准时调用。 0041 光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块。菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口。功能按钮包括背景测试按。

41、钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮。光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数，显示窗口说明书 CN 103776531 A 9 6/8 页 10 用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线。 0042 采集模块的功能是，在单光谱采集选项下 , 当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长j变化的背景测试信号VBi(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长。

42、 j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 一个积分周期输出的随像元列 j 变化的脉冲光源测试信号 VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号 VCi(j) 转换为随波长变化的脉冲光源测试信号 VCi(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线。其中： i=1、 2、 .、 n,i 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元行数 ,j 表示面阵 EMCCD 中成像区域的像元列数 ,j=1、 2、 .、 J。n 取决于阵列光纤束输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一。

43、一对应； J 取决于光线经平场凹面光栅 3-3 色散后聚焦在面阵 EMCCD 光敏面上的线光谱宽度以及面阵 EMCCD 的像元尺寸，面阵EMCCD的像元尺寸应大于平场凹面光栅3-3在波长范围上限时的分辨率，并小于平场凹面光栅在中心波长谱线的半宽度 FWHM。在本实施例中， n=19， J=1587，平场凹面光栅在波长范围上限时的分辨率为0.0804m，在中心波长谱线的半宽度FWHM为61.12m。 j 表示与像元列 j 所对应的波长值。由于面阵 EMCCD 中所用的像元列中 1587 个像元覆盖了平场凹面光栅色散的波长范围，各列与其前一列的波长差值为 0.126nm，第。

44、一列对应的波长为 900nm，第二列对应的波长为 0043 900nm+0.126nm，最后一列对应的波长为 1100nm。 0044 在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间内输出的 M 个随像元列 j 变化的背景测试信号 VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号 VBim(j) 转换为随波长 j变化的背景测试信号 VBim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD 在时间段内输出的 M 个随像元列 j 变化。

45、的脉冲光源测试信号VCim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCim(j)转换为随波长 j变化的脉冲光源测试信号 VCim(j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长 j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中： m=1、 2、 M,m为EMCCD的积分周期数， M/ T， T 为面阵 EMCCD 的积分周期。 0045 计算模块功能是：在单光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，并根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值 L(j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲。

46、线： 0046 L(j) k0K(j)VC(j)-VB(j) 0047 0048 0049 k0 LCC(j)/LCC0(j) 0050 K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(j) 说明书 CN 103776531 A 10 7/8 页 11 0051 LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 0052 式中， j=1、 2、 .、 1587， LCBB(j) 是高温黑体 1-1 在 2856K 色温下的理论光谱辐亮度值， LCC(j) 为白光光源 1-2 的标准光谱辐亮度值， LCC0为白光光源 1-2 出厂时的光谱辐亮度值； VCBB(j) 是高温黑体 1-1 。

47、在 2856K 色温下的测试电压值， VCC(j) 是白光光源 1-2 的测试电压值。上述五个参数均为已知值。 0053 在多光谱采集选项下 , 当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第 M 周期数的光谱辐亮度值Lm(j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线。 0054 Lm(j) k0K(j)VCm(j)-VBm(j) 0055 0056 0057 k0 LCC(j)/LCC0(j) 0058 K(j) LCBB(j)/VCBB(j)-VB(。

48、j) 0059 LCC(j) K(j)VCC(j)-VB(j) 0060 采用上述一组公式的计算过程为：在 m=1 时，将 j=1、 2、 .、 1587 时的 j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值 L1(j)，在 m=2 时，将 j=1、 2、 .、 1587 时的 j 代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值 L2(j)，直到 m=M 时，将 j=1、 2、 .、 1587 时的 j代入上述公式获得第 M 个光谱辐亮度值 LM(j)。 0061 本实施例中近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的使用方法如下： 0062 1）将被测脉冲光源 1-4 放置在一维平台 1-6 上，将脉冲开关 1-5 移出光路，手动一维平台 1-6 将被测脉冲光源 1-4 移入光路并使其发光面的中心对准耦合透镜 2-1 的中心；打开面阵 EMCCD3-4 和计算机 4 的电源开关。 0063 2）如果被测脉冲光源 1-4 的脉宽小于或等于本校准装置中面阵 EMCCD。

摘要
申请专利号：	CN201410001652.7	申请日：	2014.01.01
公开号：	CN103776531A	公开日：	2014.05.07
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01J 3/28申请日:20140101\|\|\|公开
IPC分类号：	G01J3/28	主分类号：	G01J3/28
申请人：	西安应用光学研究所
发明人：	李宏光; 袁良; 刘瑞星; 俞兵; 杨鸿儒; 韩占锁; 吴宝宁
地址：	710065 陕西省西安市雁塔区电子三路西段九号
优先权：
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内容摘要

本发明公开了一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，属光学计量技术领域。该装置包括用于标定光栅光谱仪的光源组件，含有阵列光纤束的光纤组件，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机，含有平场凹面光栅和面阵EMCCD的光栅光谱仪；阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤；被测脉冲光源发出的脉冲光束经光纤组件、狭缝后被平场凹面光栅色散，色散光聚焦到面阵EMCCD的光敏面上而形成n行线光谱，计算机采集n行线光谱并根据光谱辐亮度计算公式获得被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度值，并在计算机屏幕上显示单幅或多幅光谱辐亮度曲线。本发明解决了近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度的校准难题，具有广阔的应用前景。

权利要求书

权利要求书
1. 一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，包括光源组件(1)，光栅光谱仪(3)，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机(4)，其特征在于：还包括含有耦合透镜(2-1)和阵列光纤束(2-2)的光纤组件(2)，所述光栅光谱仪(3)含有滤光片(3-1)、狭缝(3-2)、平场凹面光栅(3-3)、面阵EMCCD(3-4)；所述光源组件(1)包含一维移动平台(1-6)，用于标定光栅光谱仪(3)的高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)和脉冲开关(1-5)，高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)和高压汞灯(1-3)一字排列安装在一维移动平台(1-6)上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台(1-6)使高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)的发光面的中心逐个对准脉冲开关(1-5)的中心，脉冲开关(1-5)的中心与所述耦合透镜(2-1)的中心正对；
所述耦合透镜(2-1)为凸透镜，所述阵列光纤束(2-2)的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n≥10，n的取值取决于所述狭缝(3-2)的长度；耦合透镜(2-1)通过光纤连接器与阵列光纤束(2-2)的输入端相连；阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)长度相同且平行正对，平场凹面光栅(3-3)的刻线方向与阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD(3-4)的长度方向一致；
当对被测脉冲光源(1-4)校准时，将被测脉冲光源(1-4)放置在一维移动平台(1-6)上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜(2-1)的中心；被测脉冲光源(1-4)发出的脉冲光束经耦合透镜(2-1)耦合到阵列光纤束(2-2)的输入端，由阵列光纤束(2-2)输出端出射的一列光束照射到滤光片(3-1)上，经滤光后到达狭缝(3-2)，由狭缝(3-2)出射的光束入射到平场凹面光栅(3-3)上；光束经平场凹面光栅(3-3)色散后聚焦到面阵EMCCD(3-4)的光敏面上并形成n行线光谱，面阵EMCCD(3-4)将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机(4)；
计算机(4)带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯(1-3)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λj数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体(1-1)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数K(λj)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源(1-2)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的标准光谱辐亮度LCC(λj)数据表；
光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：
所述菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；
所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长λj变化的背景电压测试信号VBi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCi(j)转换为随波长λj变化的脉冲光源测试信号VCi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：i=1、2、.......、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j=1、2、.......、J,J取决于光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λj表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBim(j)转换为随波长λj变化的背景测试信号VBim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCim(j)转换为随波长λj变化的脉冲光源测试信号VCim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m=1、2、..........M,m为面阵EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期；
计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：
L(λj)＝k0·K(λj)·[VC(λj)-VB(λj)]
VB(λj)=Σi=1nVBi(λj)]]>
VC(λj)=Σi=1nVCi(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
式中，j=1、2、.......、J，LCBB(λj)是高温黑体在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，LCC(λj)为白光光源的标准光谱辐亮度值，LCC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值，VCBB(λj)是高温黑体在2856K色温下的测试电压值，VCC(λj)是白光光源的测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值Lm(λj)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线；
Lm(λj)＝k0·K(λj)·[VCm(λj)-VBm(λj)]
VCm(λj)=Σi=1nVCim(λj)]]>
VBm(λj)=Σi=1nVBim(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
采用上述一组公式的计算过程为：在m=1时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L1(λj)，在m=2时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L2(λj)，直到m=M时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值LM(λj)。

2. 根据权利要求1所述的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，其特征在于：所述平场凹面光栅(3-3)的波段范围为0.9μm～1.1μm,色散后光谱面的宽度为25.3830mm；所述狭缝(3-2)的宽度为10μm；所述面阵EMCCD(3-4)的像元尺寸为16μm×16μm，取n=19，J=1587，T=0.6ms。

说明书

说明书近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置
技术领域
本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种光源光谱辐亮度校准装置，尤其涉及一种近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度校准装置。
背景技术
近年来，近红外脉冲光源广泛应用于军用侦察和制导等领域，近红外脉冲光源包括脉冲氙灯、半导体脉冲激光器等，为目标探测提供主动照射光，目标的反射光包含了近红外波段0.9μm～1.1μm的特征光谱，被军用侦察或制导设备接收和处理，实现目标识别。为保证侦察和制导设备具有更好的反侦察能力，要求近红外脉冲光源辐亮度越来越弱，低于10-6W/cm2·sr·nm量级。因此,在近红外脉冲光源的研制、生产和应用过程中，需要对脉冲光源的弱光光谱辐亮度参数进行校准，分析在其脉冲宽度内光谱辐亮度随时间的变化，为使用脉冲微弱光源的侦察设备提供光谱辐亮度量值计量保障。
目前,传统的近红外脉冲光源波长、辐亮度校准装置适用于10-5W/cm2·sr·nm量级以上的强光光源光谱辐亮度校准。国内西安应用光学研究所研制的瞬态光谱辐射量标准装置，其核心部件近红外光谱仪采用线阵CCD探测器。该探测器由512列像元排列成一行，按像元排列顺序依次输出所测光源的波长值，可测量高于10-5W/cm2·sr·nm量级脉冲光源的光谱辐亮度。英国Andor Technology公司型号为SR500i-B1的近红外光谱仪,采用光纤入射,平面闪耀光栅色散后，在EMCCD上聚焦为单行线光谱。在该仪器中，由于EMCCD探测器工作在制冷条件下，相比于采用非制冷的线阵CCD探测器的光谱仪，其光谱测试灵敏度较高；但是该仪器需配备准直反射镜和聚焦反射镜等光学系统，造成不必要的能量损失。此外，该仪器可测试得到近红外波段范围0.9μm～ 1.1μm的相对光谱辐射测量曲线，未见给出该近红外波段的绝对光谱辐亮度的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置包括光源组件，光纤组件，光栅光谱仪，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机。所述光栅光谱仪含有滤光片、狭缝、平场凹面光栅、面阵EMCCD；所述光源组件包含一维移动平台，用于标定光栅光谱仪的高温黑体、白光光源、高压汞灯和脉冲开关，高温黑体、白光光源和高压汞灯一字排列安装在一维移动平台上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台使高温黑体、白光光源、高压汞灯的发光面的中心逐个对准脉冲开关的中心，脉冲开关的中心与所述耦合透镜的中心正对；
所述耦合透镜为凸透镜，所述阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n≥10，n的取值取决于所述狭缝的长度；耦合透镜通过光纤连接器与阵列光纤束的输入端相连；阵列光纤束和狭缝长度相同且平行正对，平场凹面光栅的刻线方向与阵列光纤束和狭缝的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD的长度方向一致；
当对被测脉冲光源校准时，将被测脉冲光源放置在一维移动平台上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜的中心；被测脉冲光源发出的脉冲光束经耦合透镜耦合到阵列光纤束的输入端，由阵列光纤束输出端出射的一列光束照射到滤光片上，经滤光后到达狭缝，由狭缝出射的光束入射到平场凹面光栅上；光束经平场凹面光栅色散后聚焦到面阵EMCCD的光敏面上并形成n行线光谱，面阵EMCCD将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机；
计算机带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λj数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数K(λj)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵EMCCD像元列j所对应的标准光谱辐亮度LCC(λj)数据表；
光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：
所述菜单模块的功能是在显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；
所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长λj变化的背景电压测试信号VBi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCi(j)转换为随波长λj变化的脉冲光源测试信号VCi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：i=1、2、.......、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j=1、2、.......、J,J取决于光束经平场凹面光栅色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λj表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBim(j)转换为随波长λj变化的背景测试信号VBim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCim(j)转换为随波长λj变化的脉冲光源测试信号VCim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m=1、2、..........M,m为面阵EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期；
计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：
L(λj)＝k0·K(λj)·[VC(λj)-VB(λj)]
VB(λj)=Σi=1nVBi(λj)]]>
VC(λj)=Σi=1nVCi(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
式中，j=1、2、.......、J，LCBB(λj)是高温黑体在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，LCC(λj)为白光光源的标准光谱辐亮度值，LCC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值，VCBB(λj)是高温黑体在2856K色温下的测试电压值，VCC(λj)是白光光源的测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值Lm(λj)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线；
Lm(λj)＝k0·K(λj)·[VCm(λj)-VBm(λj)]
VCm(λj)=Σi=1nVCim(λj)]]>
VBm(λj)=Σi=1nVBim(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
采用上述一组公式的计算过程为：在m=1时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L1(λj)，在m=2时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L2(λj)，直到m=M时，将j=1、2、.......、J时的λj代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值LM(λj)。
本发明的有益效果体现在以下三个方面:
（1）本发明采用高温黑体、白光光源、高压汞灯、脉冲开关组成了脉冲光源组件，利用高温黑体光谱辐亮度值的理论值,标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD像元列对应的光谱辐亮度修正系数；利用白光光源光谱辐亮度输出均匀的特点，标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD像元列对应的标准光谱辐亮度值；利用高压汞灯的特征波长标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD的像元列对应的波长值，从而解决了近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的准确标定问题。
（2）本发明在对被测脉冲光源校准时，被测光束通过光纤束阵列进入光谱仪狭缝，再通过平场凹面光栅色散后聚焦到面阵EMCCD的光敏面上并形成n行随波长变化的线光谱，计算机对面阵EMCCD的输出信号进行相应处理后获得被测脉冲光源的光谱辐亮度值。在处理过程中，每一波长处的背景信号或测试信号均为n行信号的求和信号，由此实现了近红外脉冲光源的微弱光谱辐亮度的测量。
（3）在本发明中，光栅光谱仪采用了平场凹面光栅，相比于平面闪耀光栅而言，平场凹面光栅集色散和聚焦功能于一体，因而使得光栅光谱仪省去了准直反射镜和聚焦反射镜，简化了光路，降低了由复杂光路反射带来的能量损失。同时由于平场凹面光栅具有像差校正功能，从而保证了色散光束成像的各行线光谱面的离焦量均为零，进而提高了本发明光谱辐亮度的测试精度。
附图说明
图1是本发明近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置组成示意图。
图2是本发明中光栅光谱仪的线光谱位置图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
如图1所示，本发明优选实施例包含光源组件1、含有耦合透镜2-1和阵列光纤束2-2的光纤组件2、光栅光谱仪3和装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机4。
光源组件1包含用于标定光栅光谱仪3的高温黑体1-1、白光光源1-2、高压汞灯1-3、脉冲开关1-5、一维移动平台1-6。高温黑体1-1选用全俄物理研究院研制的色温为2856K的黑体，其主要作用是根据其辐射的理论光谱辐亮度值，并采用常规的测试方法获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4像元列对应的光谱辐亮度修正系数。白光光源1-2采用美国Energetiq公司产品，型号为EQ-99CAL，该白光光源1-2由激光驱动，其光谱辐亮度输出均匀，其主要作用是采用常规的标定方法，获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4像元列对应的标准光谱辐亮度值。高压汞灯1-3选用上海亚明灯泡厂生产GGQ80型高压汞灯，其主要作用是采用常规的标定方法获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4的像元列对应的波长值。高温黑体1-1、白光光源1-2和高压汞灯1-3一字排列安装在一维移动平台1-6上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面。当对近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置进行标定时，通过推动一维移动平台1-6使高温黑体1-1、白光光源1-2、高压汞灯1-3的发光面的中心逐个对准脉冲开关1-5的中心，而脉冲开关1-5的中心与光纤组件2中耦合透镜2-1的中心正对。在对被测脉冲光源1-4校准时，需将脉冲开关1-5移出光路，同时将被测脉冲光源1-4放置在一维移动平台1-6上，并使该脉冲光源1-4的发光面与标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜2-1的中心。
在光纤组件2中，耦合透镜2-1为凸透镜，其通光口径为8mm，焦距为10mm。阵列光纤束2-2选用英国AndorTechnology公司的SR-OPT-8002型产品。该阵列光纤束2-2的输入端为单根光纤，输出端含有19根按一字排列的光纤且输出端的长度为2.4mm,输出端处每根光纤的芯径为100μm，数值孔径为0.22。耦合透镜2-1通过光纤连接器与阵列光纤束2-2的输入端相连，本实施例中光纤连接器的型号为SMA905。阵列光纤束2-2输出端的光纤数量n的取值取决于光栅光谱仪3中狭缝3-2的长度，通常不低于10根。
光栅光谱仪3含滤光片3-1、狭缝3-2、平场凹面光栅3-3、面阵EMCCD3-4。滤光片3-1直径为10mm，厚度为2mm，材料为K9玻璃，表面镀制截止波长为560nm的光学膜层。狭缝3-2为美国NationalAperture公司生产,其宽度为10μm，误差±1μm，长度为2.4mm。平场凹面光栅3-3通光口径为81.3133mm，入射光焦点与平场凹面光栅3-3中心的距离为165.0mm，入射光的数值孔径为0.22，波段范围为0.9μm～1.1μm,0.9μm时色散率为8.3586nm/mm，1.0μm时色散率为7.8797nm/mm，1.1μm时色散率为7.3103nm/mm。该光栅色散后聚焦并形成n行线光谱，所谓线光谱是指色散光束中离焦量为零的光谱面，每一行线光谱的宽度均为25.3830mm（参见图2），线光谱中0.9μm波长的位置与平场凹面光栅中心的夹角及距离分别为11.0086°和175.0759mm，1.1μm波长的位置与该光栅中心的夹角及距离分别为18.6289°和183.7910mm。面阵EMCCD3-4为英国ANDORTechnology公司生产DU970P-BVF型EMCCD，工作在-100℃制冷的环境下，量子效率高达95%，面阵EMCCD的积分周期T为0.6ms，像元个数为200×1600个。在本实施例中，只采用了19×1587个像元，每个像元尺寸为16μm×16μm。狭缝3-2位于平场凹面光栅3-3的焦点上，面阵EMCCD3-4面向平场凹面光栅3-3的出射的色散光束一侧，其光敏面位于该色散光束的线光谱面上。
光源组件1其中一个光源发出的光束或辐射经脉冲开关1-5转换为脉冲光束且脉冲光束经耦合透镜2-1耦合到阵列光纤束2-2的输入端，或者被测脉冲光源1-4发出的脉冲光束直接经耦合透镜2-1耦合到阵列光纤束2-2的输入端，由阵列光纤束2-2输出端出射的一列光束照射到滤光片3-1上，经滤光后到达狭缝3-2，由狭缝3-2出射的光束入射到平场凹面光栅3-3上；光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦到面阵EMCCD3-4的光敏面上并形成19行线光谱，面阵EMCCD3-4将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机4。其中，平场凹面光栅3-3的刻线方向为水平方向（参见图1），阵列光纤束2-2和狭缝3-2长度相同且平行正对，平场凹面光栅3-3的刻线方向与阵列光纤束2-2和狭缝3-2的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD3-4的长度方向一致。
计算机4带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包和标定软件包，存储器内置波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λj数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵EMCCD像元列j对应的光谱辐亮度修正系数K(λj)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵EMCCD像元列j对应的标准光谱辐亮度LCC(λj)数据表。
标定软件包为已有技术，其功能是当计算机4采集到以高温黑体1-1、白光光源1-2或高压汞灯1-3为输入光或辐射时的面阵EMCCD输出信号后，对上述信号进行相应的处理，而对应获得EMCCD像元列j所对应的波长λj数据表、面阵EMCCD像元列j对应的光谱辐亮度修正系数K(λj)数据表和面阵EMCCD像元列j对应的标准光谱辐亮度LCC(λj)数据表，并以数据库的形式存入到计算机4的存储器中供对被测脉冲光源校准时调用。
光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块。菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口。功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮。光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线。
采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号VBi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBi(j)转换为随波长λj变化的背景测试信号VBi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCi(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCi(j)转换为随波长变化的脉冲光源测试信号VCi(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线。其中：i=1、2、.......、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j=1、2、.......、J。n取决于阵列光纤束输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；J取决于光线经平场凹面光栅3-3色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，面阵EMCCD的像元尺寸应大于平场凹面光栅3-3在波长范围上限时的分辨率，并小于平场凹面光栅在中心波长谱线的半宽度FWHM。在本实施例中，n=19，J=1587，平场凹面光栅在波长范围上限时的分辨率为0.0804μm，在中心波长谱线的半宽度FWHM为61.12μm。λj表示与像元列j所对应的波长值。由于面阵EMCCD中所用的像元列中1587个像元覆盖了平场凹面光栅色散的波长范围，各列与其前一列的波长差值为0.126nm，第一列对应的波长为900nm，第二列对应的波长为
900nm+0.126nm，最后一列对应的波长为1100nm。
在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号VBim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号VBim(j)转换为随波长λj变化的背景测试信号VBim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵 EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号VCim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号VCim(j)转换为随波长λj变化的脉冲光源测试信号VCim(λj)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λj变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m=1、2、..........M,m为EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期。
计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，并根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λj)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：
L(λj)＝k0·K(λj)·[VC(λj)-VB(λj)]
VB(λj)=Σi=1nVBi(λj)]]>
VC(λj)=Σi=1nVCi(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
式中，j=1、2、.......、1587，LCBB(λj)是高温黑体1-1在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，LCC(λj)为白光光源1-2的标准光谱辐亮度值，LCC0为白光光源1-2出厂时的光谱辐亮度值；VCBB(λj)是高温黑体1-1在2856K色温下的测试电压值，VCC(λj)是白光光源1-2的测试电压值。上述五个参数均为已知值。
在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值Lm(λj)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线。
Lm(λj)＝k0·K(λj)·[VCm(λj)-VBm(λj)]
VCm(λj)=Σi=1nVCim(λj)]]>
VBm(λj)=Σi=1nVBim(λj)]]>
k0＝LCC(λj)/LCC0(λj)
K(λj)＝LCBB(λj)/[VCBB(λj)-VB(λj)]
LCC(λj)＝K(λj)·[VCC(λj)-VB(λj)]
采用上述一组公式的计算过程为：在m=1时，将j=1、2、.......、1587时的λj代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L1(λj)，在m=2时，将j=1、2、.......、1587时的λj代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L2(λj)，直到m=M时，将j=1、2、.......、1587时的λj代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值LM(λj)。
本实施例中近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的使用方法如下：
1）将被测脉冲光源1-4放置在一维平台1-6上，将脉冲开关1-5移出光路，手动一维平台1-6将被测脉冲光源1-4移入光路并使其发光面的中心对准耦合透镜2-1的中心；打开面阵EMCCD3-4和计算机4的电源开关。
2）如果被测脉冲光源1-4的脉宽小于或等于本校准装置中面阵EMCCD的积分周期，则在计算机屏幕主页面上光谱采集选择菜单中选择单光谱采集选项；点击计算机屏幕主页面上背景测试按钮，背景光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后在菜单模块的显示窗口中显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；点亮被测脉冲光源，待其稳定后，点击计算机屏幕主页面上脉冲光源测试按钮，被测脉冲光源发出的光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后显示随波长变化的被测脉冲光源电压测试曲线；点击计算机屏幕主页面上计算按钮，计算机显示被测脉冲光源的随波长变化的光谱辐亮度值曲线。
3）如果被测脉冲光源1-4的脉宽大于本校准装置的积分周期，则在计算机屏幕主页面上光谱采集选择菜单中选择多光谱采集选项；在菜单模块的参数设置栏中输入被测脉冲光源的脉宽参数τ；点击计算机屏幕主页面上背景测试按钮，背景光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后在菜单模块的显示窗口中按从第一周期数至第M周期数逐条显示随波长λj变化的背景电压测试曲线；点亮被测脉冲光源,待其稳定后，点击计算机屏幕主页面上脉冲光源测试按钮，被测脉冲光源发出的光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后按从第一周期数至第M周期数逐条接收后显示随波长变化的被测脉冲光源电压测试曲线；点击计算机屏幕主页面上计算按钮，并由计算机按第一周期数至第M周期数逐条显示被测脉冲光源的随波长变化的光谱辐亮度曲线。