[發明專利]一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法

有效

• 申請號: 201210483543.4
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102997994A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 賈國瑞;張超;趙慧潔
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01J3/10
• 分類號: G01J3/10;G01N21/25
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

（一）技術領域

本發明涉及一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，屬于光學遙感仿真技術領域，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。

（二）背景技術

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。

（三）發明內容

本發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。

本發明的技術解決方案為：在利用大氣輻射傳輸模型（moderatespectral?resolution?atmospheric?transmittance?code，以下簡稱MODTRAN）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。

本發明一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，其步驟如下：

（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。

其中，步驟（1）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。