一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法技術

本發明專利技術提供了一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，包含以下步驟：（1）利用MODTRAN輻射傳輸模型計算天空光的光譜特性；（2）選擇金屬鹵化物光源作為400nm-2500nm范圍內天空光光譜的主要模擬光源；（3）分段分析金屬鹵化物光源光譜與天空光光譜的異同；（4）使用大功率固體照明元件LED作為400nm-600nm范圍內的光譜補償光源；（5）選擇相應濾光片，對600nm-2500nm范圍內的金屬鹵化物光源光譜進行修正。該方法與同類系統相比，能夠以較低的成本實現400nm-2500nm范圍內的全光譜天空光模擬，適用于光學遙感物理或半物理仿真系統中天空光照明環境的研究。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，屬于光學遙感仿真
，適用于光學遙感物理或半物理仿真系統中天空光照明環境的模擬研究。
技術介紹
遙感仿真技術是指通過數字或物理的方法對遙感過程的各個環節進行仿真實現。現有的遙感仿真技術主要有數字仿真、物理仿真和半物理仿真，其中數字仿真是通過數學的方法對遙感過程中涉及到的遙感器、大氣傳輸等進行建模仿真；物理仿真是通過建立實物模型對遙感器、遙感平臺、照明環境和觀測目標等進行物理實現；半物理仿真技術是將數字仿真和物理仿真相結合，通過物理手段完成包含遙感器、遙感平臺、照明環境和觀測目標的觀測場景模擬，通過數字手段完成大氣傳輸等的模擬，可以在目標、環境、觀測儀器均可控、可知的條件下，開展遙感系統性能指標和工作模式需求分析、遙感系統數據質量誤差分析、系統工作模式和數據處理方法改進等工作。照明環境作為遙感半物理仿真系統中物理仿真的重要組成部分，主要包括太陽光模擬和天空光模擬，二者相互匹配，共同完成遙感照明。太陽光模擬可用太陽模擬器實現，其模擬光源一般選用氙燈光源，國內以小型太陽模擬器為主，光譜為特制濾光片修正后的氙燈光譜；國外的大型太陽模擬器光譜為未修正的氙燈光譜。由于天空光是經大氣散射后形成，其光譜特性與太陽光光譜特性有著密切的聯系。關于天空光的光譜研究，國內主要使用非成像光譜儀在室外測量天空光光譜，分析某些光譜特征的異常，進而服務于大氣污染監測等領域，僅有長光所在本世紀初為建立遙感成像模擬實驗室提出了人造天空的構想，但目前尚無物理模擬實現方面的報道；國外只有美國Itek公司建立了可見光范圍的天空光模擬設施，用于早期的多光譜成像仿真研究，但該設施未考慮天空光的光譜特性。天空光作為遙感仿真系統中照明環境的重要組成部分，其光譜特性對獲得的遙感數據質量有著非常重要的影響。因此，實現基于人造光源的天空光光譜模擬的最大挑戰在于設計一種光源和其它光學元件的組合方式，實現400nm-2500nm范圍內的天空光光譜特性模擬。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供，它可以實現400nm-2500nm范圍內的天空光光譜特性模擬，服務于光學遙感物理或半物理仿真系統中天空光照明環境的模擬。本專利技術的技術解決方案為在利用大氣福射傳輸模型(moderatespectralresolution atmospheric transmittance code,以下簡稱 M0DTRAN)對天空光照明特性計算分析的基礎上，選擇合適的人造光源作為天空光的光譜模擬光源，通過對標準天空光光譜與所選光源光譜特征的比較，分段對天空光光譜進行模擬，在400nm-600nm，使用光譜補償方法消除該范圍內金屬鹵化物光源與天空光光譜的差別，在600nm-2500nm，使用合適的濾光片對該范圍內金屬鹵化物光源與天空光光譜的差別進行修正，最終實現400nm-2500nm范圍的全光譜天空光光譜特性模擬。本專利技術，其步驟如下(I)利用M0DTRAN輻射傳輸模型計算天空光的光譜特性；(2)選擇金屬鹵化物光源作為400nm-2500nm范圍內天空光光譜的主要模擬光源；(3)分段分析金屬鹵化物光源光譜與天空光光譜的異同；(4)使用大功率固體照明元件LED作為400nm-600nm范圍內的光譜補償光源；(5)選擇相應濾光片，對600nm-2500nm范圍內的金屬鹵化物光源光譜進行修正。其中，步驟(I)中所述的“利用M0DTRAN輻射傳輸模型計算天空光的光譜特性”，其含義說明如下輸入參數設置為中緯度夏季(北緯45°，7月)/鄉村氣溶膠模型VIS=23km/太陽高度角70° /天頂角45° /相對方位角45°，然后利用大氣輻射傳輸方程計算大氣中氣體分子和氣溶膠顆粒對光線的散射和吸收，從而獲得天空光的光譜數據。其中，步驟(2)中所述的“選擇金屬鹵化物光源作為400nm-2500nm范圍內天空光光譜的主要模擬光源”，其含義說明如下金屬鹵化物光源的光譜范圍為400nm-2500nm，光源的具體型號為飛利浦公司生產的CDM-R反射性陶瓷金屬鹵化物燈PAR30/35w/830。其中，步驟(3)中所述的“分段分析金屬鹵化物光源光譜與天空光光譜的異同”，其含義說明如下分段分析主要是針對400nm-600nm范圍內金屬鹵化物光源的相對光譜能量所占的百分比較低，600nm-2500nm范圍內金屬鹵化物光源的相對光譜能量所占的百分比較高，根據兩者的不同，以600nm為分割點，將400nm-2500nm分為400nm_600nm和600nm-2500nm兩個波段范圍進行分段分析，并在下述步驟(4)和步驟(5)中分別進行補償和修正。其中，步驟(4)中所述的“使用大功率固體照明元件LED作為400nm-600nm范圍內的光譜補償光源”，其含義說明如下LED光譜補償光源的中心波長使用曲線分峰擬合的方法進行計算，其計算過程如下由于LED的光譜曲線可近似認為符合高斯分布，因此分峰擬合的過程中，使用高斯函數作為LED的光譜分布曲線，其基本原理是假設目標光譜Y (v)(其中V是光譜頻率)是由若干個單峰譜線相互疊加所形成，分峰擬合的任務是求解一組單峰譜線Xi (V) (i=l，2, . . . η),使得下式成立Y (ν) = Σ Xi (ν)但在實際情況下，上式兩邊不可能達到嚴格相等，在實際計算過程中，使目標光譜Y (ν)與擬合光譜Σ Xi(V)之間的誤差在400nm-600nm范圍內最小。其中，步驟(5)中所述的“選擇相應濾光片，對600nm-2500nm范圍內的金屬鹵化物光源光譜進行修正”，其含義說明如下濾光片的選擇分兩步完成，首先計算經步驟(4)補償后的金屬鹵化物光源相對光譜能量分布與M0DTRAN計算的標準天空光相對光譜能量分布在600nm-2500nm范圍內的比值，再根據計算所得的濾光片透過率曲線選擇相應的濾光片進行光譜修正。本專利技術與現有技術相比的優點在于補充了目前國內天空光物理仿真的空白，一定程度上可以克服傳統的遙感試驗只能在野外環境下才能獲得自然光照明的局限，它具有以下優點(I)利用金屬鹵化物光源，摒棄了常用的全光譜模擬光源——m燈，與同類系統相比,可以很大程度地節約系統的體積和成本；(2)利用大功率LED對該金屬鹵化物光源400nm-600nm范圍內的光譜進行補償，操作安全且易于實現(3)使用光譜濾光片對該金屬鹵化物光源600nm-2500nm范圍內的光譜進行修正,可使獲得的模擬光譜更加接近真實天空光光譜(4)通過設計相應光譜補償光源和光譜濾光片的參數要求，實現了 400nm-2500nm的全光譜天空光模擬，打破了現有同類系統中不考慮光譜特性或只考慮局部光譜的功能障礙。附圖說明圖1為本專利技術所述方法流程框圖。圖2為M0DTRAN計算的天空光光譜。圖3為所選金屬鹵化物光源的光譜特征。圖4為所選濾光片的透過率曲線。圖4 (a)為QB19濾光片透過率曲線；圖4 (b)為GRB3濾光片透過率曲線。圖5為本專利技術中光譜補償和光譜修正前后照明光譜對比。具體實施例方式為了更好的說明本專利技術涉及的基于人造光源的天空光光譜模擬方法，利用Lighttools光學設計軟件對光源進行了建模仿真，模擬光源參數設置選用飛利浦公司生產的CDM-R反射性陶瓷金屬鹵化物，實現400nm-2500nm范圍內的天空光光譜特性模擬。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于，它包含以下步驟：（1）利用MODTRAN輻射傳輸模型計算天空光的光譜特性；（2）選擇金屬鹵化物光源作為400nm?2500nm范圍內天空光光譜的主要模擬光源；（3）分段分析金屬鹵化物光源光譜與天空光光譜的異同；（4）使用大功率固體照明元件LED作為400nm?600nm范圍內的光譜補償光源；（5）選擇相應濾光片，對600nm?2500nm范圍內的金屬鹵化物光源光譜進行修正。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈國瑞，張超，趙慧潔，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：