專利名稱：一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，屬于光學(xué)遙感仿真技術(shù)領(lǐng)域，適用于光學(xué)遙感物理或半物理仿真系統(tǒng)中天空光照明環(huán)境的模擬研究。
背景技術(shù)：
遙感仿真技術(shù)是指通過數(shù)字或物理的方法對遙感過程的各個環(huán)節(jié)進行仿真實現(xiàn)?，F(xiàn)有的遙感仿真技術(shù)主要有數(shù)字仿真、物理仿真和半物理仿真，其中數(shù)字仿真是通過數(shù)學(xué)的方法對遙感過程中涉及到的遙感器、大氣傳輸?shù)冗M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(huán)境和觀測目標等進行物理實現(xiàn)；半物理仿真技術(shù)是將數(shù)字仿真和物理仿真相結(jié)合，通過物理手段完成包含遙感器、遙感平臺、照明環(huán)境和觀測目標的觀測場景模擬，通過數(shù)字手段完成大氣傳輸?shù)鹊哪M，可以在目標、環(huán)境、觀測儀器均可控、可知的條件下，開展遙感系統(tǒng)性能指標和工作模式需求分析、遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差分析、系統(tǒng)工作模式和數(shù)據(jù)處理方法改進等工作。照明環(huán)境作為遙感半物理仿真系統(tǒng)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(xiàn)，其模擬光源一般選用氙燈光源，國內(nèi)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(jīng)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(lián)系。關(guān)于天空光的光譜研究，國內(nèi)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(wù)于大氣污染監(jiān)測等領(lǐng)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(gòu)想，但目前尚無物理模擬實現(xiàn)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(shè)施，用于早期的多光譜成像仿真研究，但該設(shè)施未考慮天空光的光譜特性。天空光作為遙感仿真系統(tǒng)中照明環(huán)境的重要組成部分，其光譜特性對獲得的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量有著非常重要的影響。因此，實現(xiàn)基于人造光源的天空光光譜模擬的最大挑戰(zhàn)在于設(shè)計一種光源和其它光學(xué)元件的組合方式，實現(xiàn)400nm-2500nm范圍內(nèi)的天空光光譜特性模擬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，它可以實現(xiàn)400nm-2500nm范圍內(nèi)的天空光光譜特性模擬，服務(wù)于光學(xué)遙感物理或半物理仿真系統(tǒng)中天空光照明環(huán)境的模擬。本發(fā)明的技術(shù)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(chǔ)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(nèi)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(nèi)金屬鹵化物光源與天空光光譜的差別進行修正，最終實現(xiàn)400nm-2500nm范圍的全光譜天空光光譜特性模擬。本發(fā)明一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，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(nèi)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(nèi)的光譜補償光源；(5)選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)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?yún)?shù)設(shè)置為中緯度夏季(北緯45°，7月)/鄉(xiāng)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(shù)據(jù)。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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)金屬鹵化物光源的相對光譜能量所占的百分比較高，根據(jù)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(nèi)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(shù)作為LED的光譜分布曲線，其基本原理是假設(shè)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(wù)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(nèi)最小。其中，步驟(5)中所述的“選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)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(jīng)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(nèi)的比值，再根據(jù)計算所得的濾光片透過率曲線選擇相應(yīng)的濾光片進行光譜修正。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于補充了目前國內(nèi)天空光物理仿真的空白，一定程度上可以克服傳統(tǒng)的遙感試驗只能在野外環(huán)境下才能獲得自然光照明的局限，它具有以下優(yōu)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(tǒng)相比,可以很大程度地節(jié)約系統(tǒng)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(nèi)的光譜進行補償，操作安全且易于實現(xiàn)(3)使用光譜濾光片對該金屬鹵化物光源600nm-2500nm范圍內(nèi)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(shè)計相應(yīng)光譜補償光源和光譜濾光片的參數(shù)要求，實現(xiàn)了 400nm-2500nm的全光譜天空光模擬，打破了現(xiàn)有同類系統(tǒng)中不考慮光譜特性或只考慮局部光譜的功能障礙。


圖1為本發(fā)明所述方法流程框圖。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為本發(fā)明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發(fā)明涉及的基于人造光源的天空光光譜模擬方法，利用Lighttools光學(xué)設(shè)計軟件對光源進行了建模仿真，模擬光源參數(shù)設(shè)置選用飛利浦公司生產(chǎn)的CDM-R反射性陶瓷金屬鹵化物，實現(xiàn)400nm-2500nm范圍內(nèi)的天空光光譜特性模擬。本發(fā)明一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，見圖1所示，具體實現(xiàn)步驟如下(I)利用M0DTRAN輻射傳輸模型計算天空光的照明特性M0DTRAN計算天空光的參數(shù)設(shè)置為中緯度夏季(北緯45°，7月)/鄉(xiāng)村氣溶膠模型VLS=23km/太陽高度角70° /天頂角45° /相對方位角45°，利用大氣輻射傳輸方程計算各層大氣的消光、衰減以及大氣中氣體分子(水汽、C02，O2等)和氣溶膠顆粒對太陽光的吸收和散射，從而獲得天空光的光譜數(shù)據(jù)，如圖2所示，光譜范圍為400nm-2500nm，光譜分辨率為IOnm ；(2)選擇金屬鹵化物光源作為400nm-2500nm范圍內(nèi)天空光光譜的主要模擬光源為了保證所選光源在400nm-2500nm內(nèi)的光譜能量分布接近標準天空光的光譜分布，對常見光源在400nm-2500nm內(nèi)的光譜能量分布曲線與標準天空光光譜能量分布曲線進行了對比，通過分析最終選用飛利浦公司生產(chǎn)的CDM-R反射性陶瓷金屬鹵化物光源PAR30/35w/830作為天空光光譜的主要模擬光源，并使用SVC HR-1024光譜儀對該光源的光譜特性進行了測量，如圖3所示。(3)分段分析金屬鹵化物光源光譜與天空光光譜的異同通過所選金屬鹵化物光源與M0DTRAN輻射傳輸模型計算的天空光光譜對比分析可以看出金屬鹵化物光源在400nm-600nm范圍內(nèi)的光譜能量所占的百分相對較低，600nm-2500nm范圍內(nèi)的光譜能量所占的百分比則比標準天空光高，為解決兩者之間不同的變化趨勢，將天空光光譜分為400nm-600nm> 600nm-2500nm兩段分別進行補償和修正。針對400nm-600nm金屬鹵化物光源光譜能量相對較低的部分，使用大功率固體照明元件LED光源進行光譜補償；針對600nm-2500nm金屬鹵化物光源光譜能量相對較高的部分，則使用低透的濾光片進行光譜修正。通過光譜補償和光譜濾光相結(jié)合的方法對天空光光譜進行分段模擬。(4)使用大功率固體照明元件LED作為400nm-600nm范圍內(nèi)的光譜補償光源大功率固體照明元件LED的中心波長是使用Origin軟件的曲線分峰擬合模塊計算完成的，其基本原理是假設(shè)目標光譜Y (ν)(其中ν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(wù)是找到一組單峰譜線Xi (ν) (i=l,2, . . . η),使得下式成立Y (ν) = Σ Xi (V)在實際情況下，上式兩邊不可能達到嚴格相等，因此在實際計算過程中，使目標光譜Y (V)與擬合光譜Σ Xi(V)之間的誤差最小。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(shù)作為LED的光譜分布曲線，通過計算得到LED光譜補償光源的中心波長為450nm、475nm、523nm和618nm,光譜半波寬為20nm。(5)選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)的金屬齒化物光源光譜進行修正根據(jù)M0DTRAN計算的標準天空光光譜曲線與補償后的金屬鹵化物光源光譜曲線相比獲得理想光譜濾光片的透過率要求，如表I所示，中心波長600nm處的透過率約為25%，半寬度約為200nm ;400nm和900n m附近的透過率T彡80%; IOOOnm后的透過率約為70%。結(jié)合現(xiàn)有的較為成熟的濾光片加工工藝，選擇圖4 (a)、(b)中所示江蘇某玻片廠制作的QB19和GRB3組合濾光片對金屬鹵化物光源的光譜進行修正，光譜補償和修正后的光譜特征如圖5所示。表I理想濾光片的透過率要求
權(quán)利要求
1.一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(nèi)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(nèi)的光譜補償光源； (5)選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)的金屬鹵化物光源光譜進行修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于在步驟(I)中所述的“利用MODTRAN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?yún)?shù)設(shè)置為中緯度夏季，即北緯45°，7月，/鄉(xiāng)村氣溶膠模型VLS=23km/太陽高度角70° /天頂角45° /相聯(lián)系位角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(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于在步驟(2)中所述的“選擇金屬鹵化物光源作為400nm-2500nm范圍內(nèi)天空光光譜的主要模擬光源”，其含義說明如下金屬齒化物光源的光譜范圍為400nm-2500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于在步驟(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(nèi)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(nèi)金屬鹵化物光源的相對光譜能量所占的百分比較高，根據(jù)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于在步驟(4)中所述的“使用大功率固體照明元件LED作為400nm-600nm范圍內(nèi)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(shù)作為LED的光譜分布曲線，假設(shè)V是光譜頻率，則目標光譜Y (V)是由單峰譜線相互疊加所形成，分峰擬合的任務(wù)是求解一組單峰譜線Xi (V) (i=l，2,. . . η),使得下式成立 Y(V) = Σ Xi (V) 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(V)與擬合光譜Σ Xi(V)之間的誤差在400nm-600nm范圍內(nèi)最小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其特征在于在步驟(5)中所述的“選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)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(jīng)步驟(4)補償后的金屬鹵化物光源相對光譜能量分布與MODTRAN計算的標準天空光相對光譜能量分布在600nm-2500nm范圍內(nèi)的比值，再根據(jù)計算所得的濾光片透過率曲線選擇相應(yīng)的濾光片進行光譜修正。
全文摘要
本發(fā)明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(nèi)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(nèi)的光譜補償光源；(5)選擇相應(yīng)濾光片，對600nm-2500nm范圍內(nèi)的金屬鹵化物光源光譜進行修正。該方法與同類系統(tǒng)相比，能夠以較低的成本實現(xiàn)400nm-2500nm范圍內(nèi)的全光譜天空光模擬，適用于光學(xué)遙感物理或半物理仿真系統(tǒng)中天空光照明環(huán)境的研究。
文檔編號G01N21/25GK102997994SQ20121048354
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者賈國瑞, 張超, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學(xué)