氙灯积分球光源起伏对紫外系统定标影响

房陈岩，黄小仙，尹达一



氙灯积分球光源起伏对紫外系统定标影响

房陈岩1,2,3，黄小仙1,2,3，尹达一1,2,3

( 1. 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2. 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083；3. 中国科学院大学，北京 100049 )

海洋光学紫外遥感需要通过对紫外探测系统进行精确的辐射定标和系统性能指标测定来实现。本文采用积分球光谱辐射定标法，利用氙灯光源，标定自行研制的一套紫外辐射面阵探测系统。得到待测系统的输出响应与积分球输出光谱辐亮度呈极好的线性关系，线性相关性达99.99%。同时发现氙灯光源存在起伏涨落特性，本文首次提出了氙灯修正模型，建立了基于实测结果、待测系统和氙灯光源三者标准差关系的简易模型，可以修复由于氙灯输出有起伏带来测量失准48%的负面影响，得到待测系统的实际噪声和信噪比。通过文中的理论分析和模型的建立与验证，为氙灯积分球紫外辐射定标和信噪比等参数测定提供理论和数据支持。

氙灯积分球；辐射定标；起伏涨落；系统噪声；紫外波段；互相关性

0 引 言

近年来，随着海洋溢油污染以及臭氧层空洞问题的日益严重，高压输电线路上电晕放电带来能量损耗的问题也日益突出，对于紫外波段的探测技术研究越来越得到重视。无论在海洋光学紫外遥感及地面目标紫外探测上，紫外探测系统能够帮助研究人员获取目标区域的紫外定量化数据，同时为了提供更为准确和客观的评价，也需要进一步反演得到目标的紫外波段信息，因此，必须对紫外探测系统进行精确的辐射定标，确定目标光谱辐亮度与系统输出码值的对应关系，并对系统的性能指标进行测定[1]。

使用标准光源来定标光谱辐射计是广泛采用的办法[2-3]。然而，光谱辐亮度标准-高温黑体或钨带灯都没有足够大的发射面积来充满其较大的视场。因此，有人使用标准灯和标准漫反射板产生近似朗伯体的大面积光源来进行标定[2]。然而，由于在紫外波段的特殊性，标准灯不确定度较大，漫反射板双向反射分布函数也有较大不确定度，因此光谱辐射定标一般避免采用平面漫反射板定标方法。

Walker提出，基于内部照明的积分球光谱辐亮度定标，抵消了漫反射板的影响，精度得到较大的提高。Heath对积分球系统的研究表明，由氙灯照明的Zenith材料积分球，用于紫外光谱辐亮度定标，不仅可行而且是最佳选择[4-5]。因此，我们采用积分球光谱辐亮度定标方法，使用氙灯作为光源，来标定自行研制的紫外辐射面阵探测系统，得到探测系统输出码值的响应函数，对应到目标或背景的光谱辐亮度。

1 实验部分

1.1 积分球及灯源选择

积分球是内表面均匀地涂有漫反射特性涂料的中空球体，直径大小不一，可根据项目不同需求来选择。积分球体的前端有一个较大开口，白色涂料在较宽光谱范围内有高而平坦的反射率，而具有紫外波段的积分球的有效波段范围一般控制在200 nm~1 400 nm之间。入射到积分球内表面任何一点的光线经多次漫反射，均匀到达其余各部，各点的照度仅与入射光的功率有关。积分球的开口处可认为是一个理想的郎伯漫射面源，调节内部灯数个数或光阑大小的开闭，可给出不同的出射度，在待定标仪器的入瞳处产生标准的照度[6]。

氙灯属于气体放电灯，是由充有氙气的石英灯泡组成，用高电压触发放电。氙灯具有连续光谱特性，并且其可见光光谱与太阳光谱比较接近，一般可以作太阳模拟器的光源[7-8]。在相同功率下，氙灯紫外波段的辐射强度要大于卤素灯光源。图1分别为风冷氙灯灯管示意图和放电电路结构示意图。

图1 风冷短弧氙灯(a)及其电路结构示意图(b)

表1 积分球采用不同光源的优缺点对比

氙灯积分球，作为一种重要的紫外辐射定标光源，得到了普遍应用。在紫外波段，氙灯可以提供连续的辐射光谱，其强度也超过卤素灯，可以说，氙灯是一种比较理想的连续紫外辐射源。表1则对采用不同光源的积分球的优缺点进行了分析和探讨。

1.2 积分球辐射定标原理

针对本套基于紫外增强型CCD的面阵成像探测系统，利用氙灯积分球进行紫外波段辐射定标试验。本项目采用美国Labsphere公司的TX40VGC6920积分球作为定标源，如图2(a)所示。图2(b)为利用光谱仪测得此氙灯积分球的光谱曲线。待测紫外探测系统的波段范围为340 nm~360 nm，平均透过率大于20%。

图2 实验用积分球(a)及其光谱曲线(b)

通过一套辅助的标准探测器，作为辅助辐射定标，来反演出待测系统的辐射定标参数。我们将标准探测器，放置在积分球开孔处，距离开口距离为出口直径的三至五倍，此处可以获得均匀性优于99%的照度场。同样的，也将待测紫外系统放置在相同位置。

根据光电探测的基本理论，积分球光谱辐亮度的辐射定标式为

对于本套待测紫外探测系统，只开启一盏1 000 W的氙灯，通过调节积分球光阑大小来控制积分球输出光谱辐亮度，再调节待测系统的积分时间，对数据进行线性拟合。在某一档确定的积分时间下，拟合系数达到99.99%。

2 数据分析与建模方法

2.1 氙灯积分球实验的数据分析

本套待测紫外探测系统采用紫外增强型面阵CCD，面阵大小500´600，帧频2帧/秒，即每隔0.5 s，采集一次数据，共连续采集了120幅面阵图像。由于面阵总像素数是30 000，点数太多不利于分析，因此采用随机函数选取了图像面阵中的100个像素点，针对这随机选择的100个像素点进行分析。

图3为经过处理后的图。其中，白点序列为在某一时刻下这100个随机像素点的码值的均值。黑色区域即为这100个随机像素点在1~120个时刻下获取得到的码值分布。

图3 Y值随时间变化曲线分布图(氙灯)

从图3可以发现，蓝圈白点序列随轴呈现明显上下起伏。在本文中，白点可近似等于氙灯积分球在当前时刻的输出光谱辐亮度下所获得的系统响应平均avg值。根据式(2)，系统的输出响应与系统的入射光谱辐亮度呈线性关系，因此，白点序列也可以作为氙灯积分球输出光谱辐亮度的一种线性表征。运用式(4)，将图3中黑色区域那些点的值减去与之相同坐标下的蓝圈白点的值后，计算可得图4。图4更能反映出氙灯光源的涨落起伏对系统响应带来的影响。

图4 Ynew值随时间变化曲线分布图

在统计学中，通常采用皮尔逊积差矩阵计算方法，得到两个随机变量序列的相关系数，用来度量序列和序列的相关性。如果=1则完全相关，0.7~0.99则高度相关，0.4~0.69则中度相关。计算式：

将100个像素点的码值随时间波动的序列简称为序列，将相同时刻下100点均值随时间波动的码值序列称为序列，可以通过皮尔逊积差矩阵计算方法得到序列与序列的相关性系数矩阵(1´100)。由图5可以看出，相关系数均匀地分布在0.75左右，表明与这两个序列显著相关。

图5 x、y序列皮尔逊相关系数曲线图

2.2 模型建立

根据光电系统相关理论，对于面阵凝视型成像系统的噪声计算，将每个像素视为一个独立个体，通常将每个像素在稳定光照输入下一定时间内响应码值序列的标准差，作为该像素点的噪声大小。再根据本文之前的推论，可以认为原始数据计算测得的标准差，不仅包含了待测系统的整体噪声，也包含了光源输出光照能量标准差。由于两者从形成原理上互不相关，故可建立简易如下模型：

图6 各像素点的标准差曲线

由图6可以看出，100多个点的原始数据的均方差主要分布在noise=7.898 8附近，做修正氙灯不稳定影响处理后的均方差为=5.335 3。因此，可以得到氙灯积分球输出涨落的均方差为=2.563 5。可以看出，由于氙灯光源自身的不稳定性，对积分球输出涨落的均方差带来超过48%的负面影响，即修正模型可以修复48%的影响。

图7(a)表示100个像素点在120个采集时间点的散点图，横坐标为某一个像素点在120个时间下的均值，纵坐标为测得的码值。同时，选取了任意一个像素点，对其120个时间下采集到的数据进行直方图的

2.3 卤素灯积分球的实验数据分析与比对

采用同一套紫外探测系统，放置在和上述实验中距离积分球出光口相同的距离处。光源换成卤素灯。采用和之前一致的方法，连续成像120幅图像，并调用随机函数随机选取了面阵中的100像素点。可依据图3的绘制方法，绘制出如图8所示的系统响应值随时间变化的曲线分布图。

图8 Y值随时间变化曲线分布图(卤素灯)

表2 高斯分布拟合结果

若按照2.2节阐述的氙灯修正模型，应用式(6)、式(7)，计算后可发现，，即，也验证了卤素灯并没有氙灯具有的涨落起伏特性。或者说，卤素灯输出能量的变化极其微弱，不足以影响本套待测系统对系统噪声的计算测定。同时，也从另一个侧面说明，在积分球采用氙灯光源的情况下，本氙灯修正模型具有合适性。

3 结 论

通过积分球辐射定标方法，采用积分球氙灯光源，对紫外面阵成像探测系统在不同积分时间、不同光强输出情况下采集得到的数据进行分析与研究。实验结果表明，在同一个积分时间条件下，待测系统的输出响应与积分球氙灯光源输出光谱辐亮度呈极好的线性关系，线性相关性达到99.99%。因此，采用氙灯作为紫外辐射定标的标准光源，是非常合适的。同时，首次提出并建立了基于标准差的氙灯修正模型，应用于采用氙灯积分球对紫外成像系统进行信噪比测定的试验结果中，可以有效校正由于氙灯的输出光谱辐亮度有高低涨落起伏所带来的大约48%的影响。通过辐射定标光源选择方法的理论分析，校正模型的建立与验证，可以为氙灯积分球紫外辐射定标、噪声和信噪比测定提供理论和数据支持，帮助实现海洋遥感、地面目标等目标的反演。

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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

国家自然科学基金资助项目(40776100)

房陈岩(1989-)，男(汉族)，浙江宁波人。博士研究生，主要从事紫外光谱、成像及信息处理技术研究。E-mail: fcyanyan_1@163.com。