氙燈積分球光源起伏對紫外系統定標影響

房陳巖，黃小仙，尹達一

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氙燈積分球光源起伏對紫外系統定標影響

房陳巖1,2,3，黃小仙1,2,3，尹達一1,2,3

( 1. 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2. 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海 200083；3. 中國科學院大學，北京 100049 )

海洋光學紫外遙感需要通過對紫外探測系統進行精確的輻射定標和系統性能指標測定來實現。本文采用積分球光譜輻射定標法，利用氙燈光源，標定自行研制的一套紫外輻射面陣探測系統。得到待測系統的輸出響應與積分球輸出光譜輻亮度呈極好的線性關系，線性相關性達99.99%。同時發現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，建立了基于實測結果、待測系統和氙燈光源三者標準差關系的簡易模型，可以修復由于氙燈輸出有起伏帶來測量失準48%的負面影響，得到待測系統的實際噪聲和信噪比。通過文中的理論分析和模型的建立與驗證，為氙燈積分球紫外輻射定標和信噪比等參數測定提供理論和數據支持。

氙燈積分球；輻射定標；起伏漲落；系統噪聲；紫外波段；互相關性

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研究越來越得到重視。無論在海洋光學紫外遙感及地面目標紫外探測上，紫外探測系統能夠幫助研究人員獲取目標區域的紫外定量化數據，同時為了提供更為準確和客觀的評價，也需要進一步反演得到目標的紫外波段信息，因此，必須對紫外探測系統進行精確的輻射定標，確定目標光譜輻亮度與系統輸出碼值的對應關系，并對系統的性能指標進行測定[1]。

使用標準光源來定標光譜輻射計是廣泛采用的辦法[2-3]。然而，光譜輻亮度標準-高溫黑體或鎢帶燈都沒有足夠大的發射面積來充滿其較大的視場。因此，有人使用標準燈和標準漫反射板產生近似朗伯體的大面積光源來進行標定[2]。然而，由于在紫外波段的特殊性，標準燈不確定度較大，漫反射板雙向反射分布函數也有較大不確定度，因此光譜輻射定標一般避免采用平面漫反射板定標方法。

Walker提出，基于內部照明的積分球光譜輻亮度定標，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，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方法，使用氙燈作為光源，來標定自行研制的紫外輻射面陣探測系統，得到探測系統輸出碼值的響應函數，對應到目標或背景的光譜輻亮度。

1 實驗部分

1.1 積分球及燈源選擇

積分球是內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，可根據項目不同需求來選擇。積分球體的前端有一個較大開口，白色涂料在較寬光譜范圍內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。入射到積分球內表面任何一點的光線經多次漫反射，均勻到達其余各部，各點的照度僅與入射光的功率有關。積分球的開口處可認為是一個理想的郎伯漫射面源，調節內部燈數個數或光闌大小的開閉，可給出不同的出射度，在待定標儀器的入瞳處產生標準的照度[6]。

氙燈屬于氣體放電燈，是由充有氙氣的石英燈泡組成，用高電壓觸發放電。氙燈具有連續光譜特性，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度要大于鹵素燈光源。圖1分別為風冷氙燈燈管示意圖和放電電路結構示意圖。

圖1 風冷短弧氙燈(a)及其電路結構示意圖(b)

表1 積分球采用不同光源的優缺點對比

氙燈積分球，作為一種重要的紫外輻射定標光源，得到了普遍應用。在紫外波段，氙燈可以提供連續的輻射光譜，其強度也超過鹵素燈，可以說，氙燈是一種比較理想的連續紫外輻射源。表1則對采用不同光源的積分球的優缺點進行了分析和探討。

1.2 積分球輻射定標原理

針對本套基于紫外增強型CCD的面陣成像探測系統，利用氙燈積分球進行紫外波段輻射定標試驗。本項目采用美國Labsphere公司的TX40VGC6920積分球作為定標源，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。待測紫外探測系統的波段范圍為340 nm~360 nm，平均透過率大于20%。

圖2 實驗用積分球(a)及其光譜曲線(b)

通過一套輔助的標準探測器，作為輔助輻射定標，來反演出待測系統的輻射定標參數。我們將標準探測器，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于99%的照度場。同樣的，也將待測紫外系統放置在相同位置。

根據光電探測的基本理論，積分球光譜輻亮度的輻射定標式為

對于本套待測紫外探測系統，只開啟一盞1 000 W的氙燈，通過調節積分球光闌大小來控制積分球輸出光譜輻亮度，再調節待測系統的積分時間，對數據進行線性擬合。在某一檔確定的積分時間下，擬合系數達到99.99%。

2 數據分析與建模方法

2.1 氙燈積分球實驗的數據分析

本套待測紫外探測系統采用紫外增強型面陣CCD，面陣大小500′600，幀頻2幀/秒，即每隔0.5 s，采集一次數據，共連續采集了120幅面陣圖像。由于面陣總像素數是30 000，點數太多不利于分析，因此采用隨機函數選取了圖像面陣中的100個像素點，針對這隨機選擇的100個像素點進行分析。

圖3為經過處理后的圖。其中，白點序列為在某一時刻下這100個隨機像素點的碼值的均值。黑色區域即為這100個隨機像素點在1~120個時刻下獲取得到的碼值分布。

圖3 Y值隨時間變化曲線分布圖(氙燈)

從圖3可以發現，藍圈白點序列隨軸呈現明顯上下起伏。在本文中，白點可近似等于氙燈積分球在當前時刻的輸出光譜輻亮度下所獲得的系統響應平均avg值。根據式(2)，系統的輸出響應與系統的入射光譜輻亮度呈線性關系，因此，白點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。運用式(4)，將圖3中黑色區域那些點的值減去與之相同坐標下的藍圈白點的值后，計算可得圖4。圖4更能反映出氙燈光源的漲落起伏對系統響應帶來的影響。

圖4 Ynew值隨時間變化曲線分布圖

在統計學中，通常采用皮爾遜積差矩陣計算方法，得到兩個隨機變量序列的相關系數，用來度量序列和序列的相關性。如果=1則完全相關，0.7~0.99則高度相關，0.4~0.69則中度相關。計算式：

將100個像素點的碼值隨時間波動的序列簡稱為序列，將相同時刻下100點均值隨時間波動的碼值序列稱為序列，可以通過皮爾遜積差矩陣計算方法得到序列與序列的相關性系數矩陣(1′100)。由圖5可以看出，相關系數均勻地分布在0.75左右，表明與這兩個序列顯著相關。

圖5 x、y序列皮爾遜相關系數曲線圖

2.2 模型建立

根據光電系統相關理論，對于面陣凝視型成像系統的噪聲計算，將每個像素視為一個獨立個體，通常將每個像素在穩定光照輸入下一定時間內響應碼值序列的標準差，作為該像素點的噪聲大小。再根據本文之前的推論，可以認為原始數據計算測得的標準差，不僅包含了待測系統的整體噪聲，也包含了光源輸出光照能量標準差。由于兩者從形成原理上互不相關，故可建立簡易如下模型：

圖6 各像素點的標準差曲線

由圖6可以看出，100多個點的原始數據的均方差主要分布在noise=7.898 8附近，做修正氙燈不穩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定性，對積分球輸出漲落的均方差帶來超過48%的負面影響，即修正模型可以修復48%的影響。

圖7(a)表示100個像素點在120個采集時間點的散點圖，橫坐標為某一個像素點在120個時間下的均值，縱坐標為測得的碼值。同時，選取了任意一個像素點，對其120個時間下采集到的數據進行直方圖的

2.3 鹵素燈積分球的實驗數據分析與比對

采用同一套紫外探測系統，放置在和上述實驗中距離積分球出光口相同的距離處。光源換成鹵素燈。采用和之前一致的方法，連續成像120幅圖像，并調用隨機函數隨機選取了面陣中的100像素點?？梢罁D3的繪制方法，繪制出如圖8所示的系統響應值隨時間變化的曲線分布圖。

圖8 Y值隨時間變化曲線分布圖(鹵素燈)

表2 高斯分布擬合結果

若按照2.2節闡述的氙燈修正模型，應用式(6)、式(7)，計算后可發現，，即，也驗證了鹵素燈并沒有氙燈具有的漲落起伏特性?；蛘哒f，鹵素燈輸出能量的變化極其微弱，不足以影響本套待測系統對系統噪聲的計算測定。同時，也從另一個側面說明，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 論

通過積分球輻射定標方法，采用積分球氙燈光源，對紫外面陣成像探測系統在不同積分時間、不同光強輸出情況下采集得到的數據進行分析與研究。實驗結果表明，在同一個積分時間條件下，待測系統的輸出響應與積分球氙燈光源輸出光譜輻亮度呈極好的線性關系，線性相關性達到99.99%。因此，采用氙燈作為紫外輻射定標的標準光源，是非常合適的。同時，首次提出并建立了基于標準差的氙燈修正模型，應用于采用氙燈積分球對紫外成像系統進行信噪比測定的試驗結果中，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。通過輻射定標光源選擇方法的理論分析，校正模型的建立與驗證，可以為氙燈積分球紫外輻射定標、噪聲和信噪比測定提供理論和數據支持，幫助實現海洋遙感、地面目標等目標的反演。

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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

國家自然科學基金資助項目(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研究。E-mail: fcyanyan_1@163.com。