Новый подход к измерениям и расчетам спектральных характеристик селективных элементов оптико-электронных систем

   Введение. Исследованы вопросы энергетической калибровки и точных измерений спектральных характеристик элементов оптико-электронных систем, предназначенных для анализа излучения удаленных объектов. Современные методы калибровки требуют учета переменных параметров окружающей среды, особенно в инфракрасном диапазоне спектра. Это приводит к значительным погрешностям измерений и создает затруднения при проведении наземных испытаний. Сложность компенсации атмосферных эффектов, низкая точность и трудоемкость их учета при использовании классических методик приводят к значительным ошибкам и снижают качество полученных данных. Предложенный подход базируется на использовании узкоспектральных излучателей, расположенных непосредственно перед входным иллюминатором прибора, и исключает необходимость учета спектрального пропускания атмосферы.

   Метод. Вместо традиционных методов, основанных на использовании эталонных источников типа «черное тело» или фотоприемников, требующих учета пропускания воздушного тракта, предлагается применять в качестве калибровочного излучателя ряд узкоспектральных (спектрозональных) потоков излучения, воздействующих на испытуемую оптико-электронную систему непосредственно в плоскости ее входного иллюминатора, что позволяет получать спектральные характеристики исследуемых элементов напрямую, минуя этап определения пропускания воздушного промежутка. Такой подход уменьшает неопределенность измерений и позволяет проводить калибровку без привлечения сложных компенсирующих измерений.

   Основные результаты. Проведенные эксперименты подтвердили, что предложенный метод снижает неопределенность измерений минимум на два порядка по сравнению с традиционными подходами. Эффективность метода продемонстрирована на конкретных примерах, которые показали преимущества метода при исследовании источников света и измерениях спектральной чувствительности приборов.

   Обсуждение. Новизна предложенного подхода состоит в устранении основного источника неопределенности (учета спектрального пропускания атмосферы), что кардинально улучшает метрологические показатели калибровки. Предложенный метод эффективен практически во всех прикладных ситуациях и обеспечивает существенное повышение точности измерений. По сравнению с классическими решениями, метод проще реализуется технически и дает значительно лучшие результаты в области дистанционной оптической разведки, медицины, сельского хозяйства и экологии.

1. Григорьев А.В., Демин А.В., Сечак Е.Н. Многоспектральная оптико-электронная система // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25. № 1. С. 1–8. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-1-1-8

2. Manakov A. Evaluation of computational radiometric and spectral sensor calibration techniques // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9896. P. 98960O. doi: 10.1117/12.2228071

3. Pospelov G.V., Savin S.V. Optimization of the operating spectral band of optoelectronic devices for detecting point objects against the background of outer space // Journal of Optical Technology. 2018. V. 85. N 7. P. 416–418. doi: 10.1364/JOT.85.000416

4. Vasil’ev V.N., Gridin A.S., Dmitriev I.Yu., Sinel’shchikov V.V., Tomeev K.A. Device for the functional monitoring of the through path of a scanning optoelectronic device with a large-format multi-element radiation detector // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86. N 8. P. 466–470. doi: 10.1364/jot.86.000466

5. Eckart M., Adams J., Boyce K., Brown G., Chiao M., Fujimoto R., et al. Ground calibration of the Astro-H (Hitomi) soft x-ray spectrometer // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9905. P. 99053W. doi: 10.1117/12.2233053

6. Кукушкин Д.Е., Сазоненко Д.А., Бахолдин А.В., Красавцев В.М. Моделирование спектральных систем. Часть первая. СПб: Университет ИТМО, 2021. C. 5.

7. Горбунов Г.Г., Демин А.В., Никифоров В.О., Савицкий А.М., Скворцов Ю.С., Сокольский М.Н., Трегуб В.П. Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 75–82.

8. Гектин Ю.М., Зорин С.М., Трофимов Д.О. Способ измерения спектральных характеристик в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах и установка, реализующая этот способ. Патент RU 2710382C1. Опубликовано: 26. 12. 2019 Бюл. № 36.

9. Feng F., Huo D., Zhang Z., Lou Y., Wang S., Gu Z., et al. Symbiotic evolution of photonics and artificial intelligence : a comprehensive review // Advanced Photonics. 2025. V. 7. N 2. P. 024001. doi: 10.1117/1.ap.7.2.024001

10. Markushin G.N., Korotaev V.V., Koshelev A.V., Samokhina I.A., Vasilev A.S., Timofeev A.N., Vasileva A.V., Yaryshev S.N. Dual-band optoelectronic poaching detection systems // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. N 9. P. 528–536. doi: 10.1364/jot.89.000528

11. Iureva R.A., Timko A.S., Maltseva N.K., Raskin E.O., Chernaya A.S. Optoelectronic methods and tools for pipeline’s internal surface diagnosis // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10690. P. 106901R. doi: 10.1117/12.2306567

12. Sun Y., Liang R. High-resolution, Full-freedom spectral tunable light source for skin discrimination // Proc. of the 14^th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication. 2024.

13. Osipov V.M., Borisova N.F. Taking absorbed infrared radiation into account during the testing and certification of optoelectronic equipment // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86. N 8. P. 471–475. doi: 10.1364/jot.86.000471

14. Ильинский А.В., Мальцева Н.К. Метод многоспектральной имитации излучения точечных объектов // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 2. С. 74–78.

15. Maltseva N.K., Ilinskii A.V. Providing the uniform field of Illumination in wide spectral and dynamic ranges // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11483. P. 114830B. doi: 10.1117/12.2575618

16. Butler J.J., Brown S.W., Saunders R.D., Johnson B.C., Biggar S.F., Zalewski E.F., et al. Radiometric measurement comparison on the integrating sphere source used to calibrate the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and the Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper plus (ETM+) // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2003. V. 108. N 3. P. 199–228. doi: 10.6028/jres.108.020

17. Scharpf D., Holt J., Durell C.N., Mascia P., Dann M., Dobrowski L., Rabade S. A new solar spectrum source for absolute radiometric calibration of advanced multispectral sensors and hyperspectral imagers // Proceedings of SPIE. 2024. V. 13143. P. 1314307. doi: 10.1117/12.3026762

18. Scheiding S., Driescher H., Walter I., Hanbuch K., Paul M., Hartmann M., Scheiding M. Compact blackbody calibration sources for in-flight calibration of spaceborne infrared instruments // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10563. P. 105635P. doi: 10.1117/12.2304132

19. Трофимов Д.О., Гектин Ю.М., Зорин С.М., Зайцев А.А. Метрологические и методические аспекты спектрально-энергетических калибровок оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. Т. 5. № 2. C. 26–33. doi: 10.30894/issn2409-0239.2018.5.2.26.33

20. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 1. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. С. 224–225.

21. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. СПб: Лань, 2022. С. 258–264.

22. Носенко Т.Н., Ситникова В.Е., Стрельникова И.Е., Фокина М.И. Практикум по колебательной спектроскопии : учебное пособие. СПб: Университет ИТМО, 2021. С. 16.