基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 6.06MB 126 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题来源和研究现状
课题来源于上海市光科技项目《紫外探测器件精确光学定标及紫外线指数测
试仪》。
传统光辐射测量中不同的辐射度量在不同光谱段都有相应的测量方法。在国
外，美国NIST早期基于黑体源建立了完整的辐射度测量体系；70年代后期建立了
以探测器为基准的测量标准装置和标准传递装置；90年代开始国际标准组织和发
达国家以低温绝对辐射计为基础建立新型高精度光辐射初级标准；英国NPL、德国
PTB等著名的标准计量机构都有精确度较高的光辐射测量系统[1, 2]。
然而随着光学事业发展，光辐射度量和光谱测量在光源、光探测器的生产、
研究制作和开发中占有越来越重要的地位，测试者对光辐射度测量系统提出了更
高要求，如全光谱测量能力、测试系统使用的方便性、可操作性、测试波形和测
量数据处理能力及系统二次开发能力等要求。自然科学特别是计算机技术、电子
技术的最新发展为传统光辐射测量带来了新的契机[3,4]。
1987 年第一台虚拟仪器由美国国家仪器公司（NI 公司）开发，实现了虚拟仪
器的概念。随后，有不少国外厂商如美国 HP 公司、Tektronix 公司、PC 仪器公司
加入了研制虚拟仪器的行列，研制的仪器包括通用电子测量仪器及专用仪器，使
用行业遍及电子、通信、自动控制、航空航天、电力等行业，但是虚拟仪器在光
学领域的应用鲜见。
目前见到山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室2006年4月在《光学
仪器》杂志发表了《基于LabVIEW的光谱自动测试系统》论文，测试系统中，斩波
器为Stanford Research System研制的SR540斩波器；光栅单色仪为国产WDG30-2
单色仪，单色仪由单片机控制；数字锁相放大器为Stanford Research System研
制的SR830 DSP Lock-in-Amplifier；上海理工大学发表了《基于单片机控制的ECPR
光功率数据采集系统》《紫外增强型电学定标热释电辐射计》等论文，其光谱测量
系统的分光系统、处理系统为硬件搭建；《微计算机信息》发表了《基于Labwindows
/CVI的光谱分析系统的设计与实现》；《光学技术》发表了暨南大学《虚拟仪器实
现光谱测试数据的采集和处理》论文。燕山大学发表了《基于虚拟仪器下的太阳
能电池模块测试系统》；中山大学发表了《基于虚拟仪器技术的EFPI光纤微位移传
感器数据处理系统》等论文[4, 5, 6, 7, 8]。
从目前公开发表的资料看，国内光辐射测量系统的构建主要还是以独立的传
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究
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统仪器组建的，数据处理、显示和控制部分采用了计算机或微机控制。但微弱信
号处理系统、数字信号处理系统和系统不确定度评定的软件实现未见。
§1.2 解决的主要问题
论文在对传统光辐射测量原理和测试系统构建方案分析的基础上，提出了基
于虚拟仪器技术、现代数字信号处理技术构建新型光辐射测量系统的方法。系统
构建框图如图 1.1 所示。
图 1.1 基于虚拟仪器技术的光辐射系统测量系统构建框图
该系统的构建主要解决了以下几个问题：
（1）典型光源数学模型分析与仿真
分析包括全辐射体、自然光源、气体放电灯、白炽灯、半导体二极管和激光
器的数学模型，利用软件进行了全辐射体、钨丝灯、汞氙灯和高压汞灯等典型光
源辐出度波形的仿真。
（2）典型光辐射探测器数学模型及仿真
分析包括光电探测器和热探测器的数学模型，利用软件进行热释电探测器对
光辐射源的输出仿真。
（3）微弱光信号的分析与检测
分析光信号特征和叠加的各种噪声的数学模型，基于 LabVIEW 开发平台设计，
使用软件方法改善信噪比，进行窄带滤波和斩波调制；分析数据采集相关理论，
分析微弱信号检测、放大和提取的措施，基于 LabVIEW 开发平台，完全使用软件
实现了带通滤波器、相干滤波器和锁定放大器的设计。
（4）光辐射测试系统构建
包括虚拟系统和实际系统的构建两个部分。采用虚拟光源、虚拟探测器、虚
拟斩波器、虚拟单色仪、虚拟滤波器、虚拟锁定放大器构建一个虚拟光辐射测试
系统；采用实际光路系统和数据采集、滤波器和锁相放大器构建一个实际测试系
虚拟光源
虚拟斩波器
虚拟单色仪
虚拟探测器
聚
光
系
统
斩
波
器
单
色
仪
探
测
器
实
际
光
源
驱
动
程
序
计算机及
虚拟仪器开发平台
数
据
采
集
卡
第一章 绪论
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统。系统具有良好的用户输入界面、输出波形和数据显示功能，并能对使用该系
统进行测量所得数据进行处理、存储和显示。
（5）光辐射测试系统的应用
给出所设计系统的输入输出界面、功能选择界面、测试参数设置界面和系统
不确定度评定界面中各控件和指示器的使用方法，采用所设计系统对已知参数的
热释电探测器的性能参数进行了测试。
（6）光辐射测试系统的性能分析
分别采用不确定度 A 类和 B 类评定方法，对所设计的测试系统不确定度进行
分析计算，评估系统的技术指标，并与传统测试系统进行比较，提出系统改进方
案，为系统实用化提供理论依据。
§1.3 采取的方法及手段
课题采用虚拟测试与实际测试对照、分步进行设计的方法。首先采用仿真信
号测试，确定微弱光信号检测及处理单元运行正常情况下，再进行实际信号测试，
将实际信号测试系统与虚拟测试系统比对，分析系统不确定度，并提出改善方法。
主要步骤有：
（1）分析传统光辐射测试系统的构建方法，并对系统的每个单元工作原理进
行分析，提出硬件电路软件实现方法。
（2）利用虚拟仿真信号，对关键的信号处理单元如带通滤波器、相关器、锁
定放大器进行设计并调试。
（3）采用已知特性的光辐射源、光辐射探测器进行相对光谱测试，验证系统
功能，并对技术指标进行分析。
课题研究主要涉及微弱信号检测技术、光辐射度量测试技术、虚拟仪器开发
与应用技术、数字信号处理等技术。
§1.4 课题的成果和意义
传统光辐射测量测试系统一般包括光源、会聚透镜、光学斩波器、单色仪、
探测器、锁相放大器、计算机或微处理系统。其中光学斩波器、单色仪、探测器、
锁相放大器一般为独立的单台仪器，它们具有固定的面板和电路结构，分别完成
各自功能，最后测试数据通过计算机或微系统进行处理和显示。因此，一个系统
大都只能适用于某一固定波段光辐射度量的测量，系统存在测试范围窄、测量自
动化程度较低、数据处理功能不强等缺点，很难满足现代测试需要。
采用虚拟仪器技术、数字信号处理技术等现代技术的组建光辐射测试系统，
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究
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打破了传统仪器的构建方法，测试测试中电信号的采集和处理都由软件实现，它
们集成在一台计算机中，计算机既是数据数据处理中心，也是仪器控制中心；测
量时用户通过鼠标操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键，选用仪器功能，设
置各种参数，实现对不同波段、不同强度光辐射量的测量。测试的中间参数、最
后结果和波形都可通过计算机进行分析、处理、显示和打印，充分利用了计算机
强大的数据处理和显示功能。
课题提出的系统构建方法包括两种，一是全虚拟测试系统，系统的光源、斩
波器、探测器、单色仪、滤波器、锁定放大器及测试系统全部采用数学模型实现，
可对确定的光源和探测器进行理论验证；二是实际测试系统，对未知响应的光源
和探测器进行测试，并进行误差分析。虚拟测试系统可以在全光学谱段测试，通
过后续工作中还可建立光源、探测器等的模型库；实际测试系统在更换光源、探
测器、单色仪的基础上可实现全光学谱段测试。
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统的构建方法，大大扩宽了光辐射量的测
量范围，提高了测试系统的可靠性、精确性和测试自动化程度，同时用户可根据
测试要求，更改仪器操作面板、修改系统软件、变换仪器功能，体现了“软件即
仪器”思想。该测试系统虽为本课题设计，仅对热释电探测器性能指标进行了测
试，但从理论上分析，采用目前系统的构建方案不仅可测量其他光辐射度量，还
可通过软件修改，构架各种其他各种测试仪器，包括时域测试的示波器、电压表，
数据域测试的逻辑分析仪、频域测试的频谱分析仪等，完全可以组建自己的个人
实验室[9, 10]。
课题在对传统光辐射测试技术分析的基础上，将现代电子测量技术、现代数
字信号处理技术与光学测试技术的结合起来，充分利用计算机强大的数据处理和
显示功能，是光辐射测量技术一种新的模式，也将是未来光辐射测试技术发展的
方向之一。
§1.5 论文结构层次
论文撰写采取先全局、再分部；先传统、再现代的层次。
第一章是论文的绪论，说明课题来源、研究现状、研究方法和研究的意义；
第二章从系统的角度，先分析传统光辐射测量系统的构建方法，再提出基于
虚拟仪器技术的现代光辐射测量系统的构建方法，给出系统构建框图；
第三章到第六章是对构建系统的各模块进行详细分析。第三章在对传统光源、
传统斩波器和传统单色仪分析的基础上，提出基于虚拟仪器技术的光源、斩波器
和单色仪的设计方法。
第一章 绪论
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第四章先对传统探测器工作原理、技术指标进行分析，再提出基于虚拟仪器
技术的仿真探测器设计方法。
第五章为系统模块的重要连接和控制单元。通过 NI-PCI6251DAQ 数据采集卡，
将探测器单元输出的模拟信号转变为数字信号，送到信号处理单元进行滤波、信
号提取；通过 NI-PCI6251DAQ 数据采集卡，输出软件设计的参考信号、电动机驱
动励磁信号对斩波器、单色仪和锁定放大器实施控制。
第六章对采集后进入计算机的数字信号进行处理和检测。对微弱信号特点进
行分析，着重分析基于相关检测技术的锁定放大器的工作原理；基于同步积累法
的相干滤波器。在虚拟仪器开发平台上设计了相干滤波器和锁定放大器。
第七章以热释电探测器性能参数的测量过程为例，说明系统输入输出界面、
功能选择和测试界面各功能控件的作用和使用方法，提出采用该系统进行光辐射
度量测量的一般方法。
第八章根据误差理论，采用 A 类和 B 类不确定度评定方法对系统的不确定度
进行分析，对系统性能进行评定，提出系统改进和推进实用性的解决方案。
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究
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第二章 光辐射测量方法与测量系统的构建分析
§2.1 辐射度量的基本概念
自然界中的物体，温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式不停地向外传
送热量,这种传送能量的方式称为辐射[11]。辐射是一种能的形式，它既有电磁本质，
也有量子性质。
§2.1.1 光辐射度量
光辐射伴随着辐射能的转移。辐射能及其引起的特性以能量或有效的物理量
来测量。在光辐射的定量描述中，常用的辐射度量有辐射能、辐通量、辐强度、
辐能密度、辐亮度、辐出度、辐照度等[11, 12]。
1、辐射能（
e
Q
）
用来描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量。当描述辐射能量在一段时
间内的积累时，就用辐射能来表示。
2、辐射通量（
e
）
在单位时间内通过某一定面积的辐射能称为通过该面积的辐射通量。表示为
dt
dQe
（2-1）
式中
——
dt
时间内转移的单元能量。
3、辐射能密度（
e
）
定义为体积元内的辐能除以该元的体积。表示为
dV
dQe
（2-2）
4、辐射强度（
e
I
）
定义为在某给定传输方向上的立体角内光源发出的辐通量除以该立体角元，表
示为
d
dQe
（2-3）
辐强度是把光源作为一个整体来描述其辐射功率的方向特性的。点光源向空
间发出的辐射能是球面波，如果在传输介质内没有损失（反射、散射、吸收），那
么在给定方向上某一立体角内，不论辐射能传输距离有多远，它的辐通量是不变
第二章 光辐射测量方法与测量系统构建分析
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的。
5、辐射亮度（
e
I
）
为光源在垂直其辐射传输方向上每单位光源表面积在单位立体角内发出的辐
通量。它是光源上微面元在垂直传输方向上辐强度特性的描述。表示为
coscos
2
dA
dI
dd
d
Le
e
（2-4）
式中
dA
——光源的表面元；
——光源表面的法线与给定方向间的夹角。
L
的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向变化。辐亮度的概念在光辐射能
的传输和测量中起到核心的作用。
6、辐照度（
e
E
）
定义为表面某处面元被照射（或接收）的辐通量除以该面元的面积，即
d
d
Ee
e
（2-5）
7、辐射出射度（
e
M
）
定义为离开光源表面某处面元的辐通量除以该面元面积，即
d
dQ
Me
e
（2-6）
辐照度和辐出度具有相同的定义方程和单位。它们分别描述微元面发射和接
收辐通量的特性。
§2.1.2 光谱辐射度量
实际上，辐射源所发出的能量往往是由许多波长的单色辐射所组成，为了研
究各种波长的光所分别辐射的能量，常引入光谱辐射度量的概念[1]。光谱辐射度量
是单位波长间隔内的辐射度量。
1、光学谱段的划分
光学谱段一般是指包括波段为 10 nm 左右的远紫外到波长约 0.1cm 的极远红
外范围。谱段与波长范围如表 1所示[11]。
2、光谱辐射度量及含义
与光辐射度量相应的光谱辐射度量主要有光谱辐射通量、光谱密度函数、光
谱辐射出射度、光谱辐照度、光谱辐射强度和光谱辐射亮度。
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究
- 8 -
（1）光谱辐射通量（
）
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量
。即
d
d
（2-7）
式中
d
——在
到
d
间隔内的辐射通量。
表 1 光学谱段的划分
序号
波段划分
波段名称
波长范围
1
紫外区
真空紫外
10nm~200nm
UVC
200nm~280nm
UVB
280nm~320nm
UVA
320nm~400nm
2
可见光区
蓝紫
400nm～500nm
绿
500nm～600nm
红橙
600nm～700nm
3
红外区
近红外
700nm～760nm
红外
760nm～3000nm
远红外
3000nm～50000nm
（2）光谱辐射出射度（
M
）
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出射度称为光谱辐射出射度
M
。
d
dM
M
（2-8）
式中
——在
到
d
间隔内的光辐射出射度。
（3）光谱辐射强度（
I
）
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强度称为光谱辐射强度
I
。
d
dI
I
（2-9）
式中
dI
——在
到
d
间隔内的光辐射强度。
（4）光谱辐射亮度（
L
）
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度称为光谱辐射亮度
L
。
d
dL
L
（2-10）
式中
dL
——在
到
d
间隔内的光辐射亮度。
（5）光谱辐照度（
E
）
第二章 光辐射测量方法与测量系统构建分析
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光源发出的光在每单位波长间隔内的辐照度称为光谱辐照度
E
。
d
dE
E
（2-11）
式中
dE
——在
到
d
间隔内的光辐射照度。
§2.2 传统光辐射测量方法与系统的构建
光辐射测量涉及辐射度学和光度学范畴，本文研究的辐射度量主要是辐射度
学范畴，包括光源特性和探测器特性测量，重点讨论光源光谱特性和探测器的光
谱响应特性，是纯物理量的测量。其基本方法为绝对测量法和相对测量法[12]。
§2.2.1 光辐射源的测量
光辐射度量的绝对值直接测量比较困难，如对于光通量的绝对测量先采用分
布光度计测量光源发光的空间分布，再计算光源发射的总光通量。相对测量法则
较易实现。传统光辐射相对测量有两种方法，一是采用标准光源和待测光源相比
较的方法；二是转换成其它可测物理量，例如电量、热量等进行测量[1]。用标准辐
射源来标定待测光源、待测探测器和光辐射测量系统的方法是光辐射测量常用的
方法。
标准辐射源，是指由国家计量部门保存的主基准以及和主基准或副基准进行
比队测量产生的用做计量标准的工作基准。作为辐射度量测量的标准辐射源，有
黑体、光谱幅照度标准灯、光谱幅亮度标准灯等。
待测光源辐射度量的测量，可用已知辐射度量的辐射源和待测光源在相同的
测量条件下进行比对。图 2.1 所示为传统光源光谱幅亮度相对测量的测装置图[12]。
图2.1 传统光辐射源相对测量原理框图
系统由已知光谱辐亮度的已知光源 A、待测光源 B、聚光系统、斩波器、单色
仪、探测器和测量显示电路构成。由于这两个光源在近似相同的测量条件下进行，
因而单色仪的色散特性、透射特性以及探测器的光谱响应度对它们是相同的，在
相对测量中它们的影响就自动消去了，这样待测光源的光谱幅亮度为
聚
光
系
统
斩
波
器
单
色
仪
探
测
器
待
测
光
源
测量显示
电路
已
知
光
源
A
B
基于虚拟仪器技术的光辐射测量系统构建技术研究
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)(
)(
)(
)(
A
A
B
BL
U
U
L
（2-12）
式中
)(
A
L
——已知光源的光谱幅亮度；
)(
A
U
——探测器探测标准光源输出的对应电压读数值；
)(
B
U
——探测器探测待测光源输出的对应电压读数值。
§2.2.2 光辐射探测器的测量
1、测量基本原理
光辐射探测器光谱响应度相对测量可以用已知光谱响应度的探测器和已知光
谱辐射度量的光源进行。采用已知光谱响应度探测器的测量装置如图2.2所示[12]。
图2.2 传统光辐射源相对测量原理框图
系统由光源系统、聚光系统、斩波器、单色仪、探测器和测量显示电路。与光
辐射源相对测量相似，带有光反馈监测器的光源，经过斩波器调制成变化的光信
号，经光栅单色仪对入射的光源进行分光后输出单色光，已知响应的标准探测器
和待测探测器通过探测器定位与控制装置自动切换，参考探测器和待测探测器的
响应经过信号采集与控制系统后进行显示。
在均匀辐射的单色光辐照下，测量标准探测器的光电流为
)()(),()( 1
RAtEI
（2-13）
式中
),( 1
tE
——标准探测器上的辐照度，单位
2
/cmW
；
A
——标准探测器面积，单位
2
cm
；
——光学系统（包括单色仪和各种光学元件）的光谱透过率；
)(
R
——标准探测器的光谱响应率，单位
WA /
。
在同样的光辐照下，测量待探测器的光电流为
)()(),()( 2
xxx RAtEI
（2-14）
式中
),( 2
tE
——待测探测器上的辐照度，单位
2
/cmW
；
x
A
——待测探测器面积，单位
2
cm
；
聚
光
系
统
斩
波
器
单
色
仪
标
准
光
源
测量显示
电路
已知响应
的探测器
被测
探测器
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1课题来源和研究现状课题来源于上海市光科技项目《紫外探测器件精确光学定标及紫外线指数测试仪》。传统光辐射测量中不同的辐射度量在不同光谱段都有相应的测量方法。在国外，美国NIST早期基于黑体源建立了完整的辐射度测量体系；70年代后期建立了以探测器为基准的测量标准装置和标准传递装置；90年代开始国际标准组织和发达国家以低温绝对辐射计为基础建立新型高精度光辐射初级标准；英国NPL、德国PTB等著名的标准计量机构都有精确度较高的光辐射测量系统[1,2]。然而随着光学事业发展，光辐射度量和光谱测量在光源、光探测器的生产、研究制作和开发中占有越来越重要的地位，测试者对光辐射...

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