一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法

摘要

本发明提供了一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，包含以下步骤：（1）利用MODTRAN辐射传输模型计算天空光的光谱特性；（2）选择金属卤化物光源作为400nm-2500nm范围内天空光光谱的主要模拟光源；（3）分段分析金属卤化物光源光谱与天空光光谱的异同；（4）使用大功率固体照明元件LED作为400nm-600nm范围内的光谱补偿光源；（5）选择相应滤光片，对600nm-2500nm范围内的金属卤化物光源光谱进行修正。该方法与同类系统相比，能够以较低的成本实现400nm-2500nm范围内的全光谱天空光模拟，适用于光学遥感物理或半物理仿真系统中天空光照明环境的研究。

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，属于光学遥感仿 真技术领域，适用于光学遥感物理或半物理仿真系统中天空光照明环境的模 拟研究。

（二）背景技术

遥感仿真技术是指通过数字或物理的方法对遥感过程的各个环节进行 仿真实现。现有的遥感仿真技术主要有数字仿真、物理仿真和半物理仿真， 其中数字仿真是通过数学的方法对遥感过程中涉及到的遥感器、大气传输等 进行建模仿真；物理仿真是通过建立实物模型对遥感器、遥感平台、照明环 境和观测目标等进行物理实现；半物理仿真技术是将数字仿真和物理仿真相 结合，通过物理手段完成包含遥感器、遥感平台、照明环境和观测目标的观 测场景模拟，通过数字手段完成大气传输等的模拟，可以在目标、环境、观 测仪器均可控、可知的条件下，开展遥感系统性能指标和工作模式需求分析、 遥感系统数据质量误差分析、系统工作模式和数据处理方法改进等工作。

照明环境作为遥感半物理仿真系统中物理仿真的重要组成部分，主要包 括太阳光模拟和天空光模拟，二者相互匹配，共同完成遥感照明。太阳光模 拟可用太阳模拟器实现，其模拟光源一般选用氙灯光源，国内以小型太阳模 拟器为主，光谱为特制滤光片修正后的氙灯光谱；国外的大型太阳模拟器光 谱为未修正的氙灯光谱。由于天空光是经大气散射后形成，其光谱特性与太 阳光光谱特性有着密切的联系。关于天空光的光谱研究，国内主要使用非成 像光谱仪在室外测量天空光光谱，分析某些光谱特征的异常，进而服务于大 气污染监测等领域，仅有长光所在本世纪初为建立遥感成像模拟实验室提出 了人造天空的构想，但目前尚无物理模拟实现方面的报道；国外只有美国 Itek公司建立了可见光范围的天空光模拟设施，用于早期的多光谱成像仿真 研究，但该设施未考虑天空光的光谱特性。

天空光作为遥感仿真系统中照明环境的重要组成部分，其光谱特性对获 得的遥感数据质量有着非常重要的影响。因此，实现基于人造光源的天空光 光谱模拟的最大挑战在于设计一种光源和其它光学元件的组合方式，实现 400nm-2500nm范围内的天空光光谱特性模拟。

（三）发明内容

本发明的目的是提供一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，它可以 实现400nm-2500nm范围内的天空光光谱特性模拟，服务于光学遥感物理 或半物理仿真系统中天空光照明环境的模拟。

本发明的技术解决方案为：在利用大气辐射传输模型（moderate spectral resolution atmospheric transmittance code，以下简称 MODTRAN）对天空光照明特性计算分析的基础上，选择合适的人造光源作 为天空光的光谱模拟光源，通过对标准天空光光谱与所选光源光谱特征的比 较，分段对天空光光谱进行模拟，在400nm-600nm，使用光谱补偿方法消 除该范围内金属卤化物光源与天空光光谱的差别，在600nm-2500nm，使 用合适的滤光片对该范围内金属卤化物光源与天空光光谱的差别进行修正， 最终实现400nm-2500nm范围的全光谱天空光光谱特性模拟。

本发明一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，其步骤如下：

（1）利用MODTRAN辐射传输模型计算天空光的光谱特性；

（2）选择金属卤化物光源作为400nm-2500nm范围内天空光光谱的主 要模拟光源；

（3）分段分析金属卤化物光源光谱与天空光光谱的异同；

（4）使用大功率固体照明元件LED作为400nm-600nm范围内的光谱 补偿光源；

（5）选择相应滤光片，对600nm-2500nm范围内的金属卤化物光源光 谱进行修正。

其中，步骤（1）中所述的“利用MODTRAN辐射传输模型计算天空光 的光谱特性”，其含义说明如下：输入参数设置为中纬度夏季（北纬45°， 7月）/乡村气溶胶模型VIS=23km/太阳高度角70°/天顶角45°/相对方位 角45°，然后利用大气辐射传输方程计算大气中气体分子和气溶胶颗粒对 光线的散射和吸收，从而获得天空光的光谱数据。

其中，步骤（2）中所述的“选择金属卤化物光源作为400nm-2500nm 范围内天空光光谱的主要模拟光源”，其含义说明如下：金属卤化物光源的 光谱范围为400nm-2500nm，光源的具体型号为飞利浦公司生产的CDM-R 反射性陶瓷金属卤化物灯PAR30/35w/830。

其中，步骤（3）中所述的“分段分析金属卤化物光源光谱与天空光光 谱的异同”，其含义说明如下：分段分析主要是针对400nm-600nm范围内 金属卤化物光源的相对光谱能量所占的百分比较低，600nm-2500nm范围 内金属卤化物光源的相对光谱能量所占的百分比较高，根据两者的不同，以 600nm为分割点，将400nm-2500nm分为400nm-600nm和600nm-2500nm 两个波段范围进行分段分析，并在下述步骤（4）和步骤（5）中分别进行补 偿和修正。

其中，步骤（4）中所述的“使用大功率固体照明元件LED作为 400nm-600nm范围内的光谱补偿光源”，其含义说明如下：LED光谱补偿 光源的中心波长使用曲线分峰拟合的方法进行计算，其计算过程如下：由于 LED的光谱曲线可近似认为符合高斯分布，因此分峰拟合的过程中，使用高 斯函数作为LED的光谱分布曲线，其基本原理是假设目标光谱Y（v）（其 中v是光谱频率）是由若干个单峰谱线相互叠加所形成，分峰拟合的任务是 求解一组单峰谱线X_i（v）（i=1，2，...n），使得下式成立：

Y(v)=∑X_i(v)

但在实际情况下，上式两边不可能达到严格相等，在实际计算过程中， 使目标光谱Y（v）与拟合光谱∑X_i(v)之间的误差在400nm-600nm范围内 最小。

其中，步骤（5）中所述的“选择相应滤光片，对600nm-2500nm范围 内的金属卤化物光源光谱进行修正”，其含义说明如下：滤光片的选择分两 步完成，首先计算经步骤（4）补偿后的金属卤化物光源相对光谱能量分布 与MODTRAN计算的标准天空光相对光谱能量分布在600nm-2500nm范围 内的比值，再根据计算所得的滤光片透过率曲线选择相应的滤光片进行光谱 修正。

本发明与现有技术相比的优点在于：补充了目前国内天空光物理仿真的 空白，一定程度上可以克服传统的遥感试验只能在野外环境下才能获得自然 光照明的局限，它具有以下优点：（1）利用金属卤化物光源，摒弃了常用 的全光谱模拟光源——氙灯，与同类系统相比，可以很大程度地节约系统的 体积和成本；（2）利用大功率LED对该金属卤化物光源400nm-600nm范 围内的光谱进行补偿，操作安全且易于实现（3）使用光谱滤光片对该金属 卤化物光源600nm-2500nm范围内的光谱进行修正，可使获得的模拟光谱 更加接近真实天空光光谱（4）通过设计相应光谱补偿光源和光谱滤光片的 参数要求，实现了400nm-2500nm的全光谱天空光模拟，打破了现有同类 系统中不考虑光谱特性或只考虑局部光谱的功能障碍。

附图说明

图1为本发明所述方法流程框图。

图2为MODTRAN计算的天空光光谱。

图3为所选金属卤化物光源的光谱特征。

图4为所选滤光片的透过率曲线。

图4（a）为QB19滤光片透过率曲线；

图4（b）为GRB3滤光片透过率曲线。

图5为本发明中光谱补偿和光谱修正前后照明光谱对比。

具体实施方式

为了更好的说明本发明涉及的基于人造光源的天空光光谱模拟方法，利 用Light tools光学设计软件对光源进行了建模仿真，模拟光源参数设置选用 飞利浦公司生产的CDM-R反射性陶瓷金属卤化物，实现400nm-2500nm 范围内的天空光光谱特性模拟。

本发明一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，见图1所示，具体实 现步骤如下：

（1）利用MODTRAN辐射传输模型计算天空光的照明特性： MODTRAN计算天空光的参数设置为中纬度夏季（北纬45°，7月）/乡村 气溶胶模型VLS=23km/太阳高度角70°/天顶角45°/相对方位角45°，利 用大气辐射传输方程计算各层大气的消光、衰减以及大气中气体分子（水汽、 CO₂，O₂等）和气溶胶颗粒对太阳光的吸收和散射，从而获得天空光的光谱 数据，如图2所示，光谱范围为400nm-2500nm，光谱分辨率为10nm；

（2）选择金属卤化物光源作为400nm-2500nm范围内天空光光谱的主 要模拟光源：为了保证所选光源在400nm-2500nm内的光谱能量分布接近 标准天空光的光谱分布，对常见光源在400nm-2500nm内的光谱能量分布 曲线与标准天空光光谱能量分布曲线进行了对比，通过分析最终选用飞利浦 公司生产的CDM-R反射性陶瓷金属卤化物光源PAR30/35w/830作为天空 光光谱的主要模拟光源，并使用SVC HR-1024光谱仪对该光源的光谱特性 进行了测量，如图3所示。

（3）分段分析金属卤化物光源光谱与天空光光谱的异同：通过所选金 属卤化物光源与MODTRAN辐射传输模型计算的天空光光谱对比分析可以 看出：金属卤化物光源在400nm-600nm范围内的光谱能量所占的百分相对 较低，600nm-2500nm范围内的光谱能量所占的百分比则比标准天空光高， 为解决两者之间不同的变化趋势，将天空光光谱分为400nm-600nm、 600nm-2500nm两段分别进行补偿和修正。

针对400nm-600nm金属卤化物光源光谱能量相对较低的部分，使用大 功率固体照明元件LED光源进行光谱补偿；针对600nm-2500nm金属卤化 物光源光谱能量相对较高的部分，则使用低透的滤光片进行光谱修正。通过 光谱补偿和光谱滤光相结合的方法对天空光光谱进行分段模拟。

（4）使用大功率固体照明元件LED作为400nm-600nm范围内的光谱 补偿光源：大功率固体照明元件LED的中心波长是使用Origin软件的曲线 分峰拟合模块计算完成的，其基本原理是假设目标光谱Y（v）（其中v是 光谱频率）是由若干个单峰谱线相互叠加所形成，分峰拟合的任务是找到一 组单峰谱线X_i（v）（i=1，2，...n），使得下式成立：

Y(v)=∑X_i(v)

在实际情况下，上式两边不可能达到严格相等，因此在实际计算过程中， 使目标光谱Y（v）与拟合光谱∑X_i(v)之间的误差最小。由于LED的光谱曲 线可近似认为符合高斯分布，因此分峰拟合的过程中，使用高斯函数作为 LED的光谱分布曲线，通过计算得到LED光谱补偿光源的中心波长为 450nm、475nm、523nm和618nm，光谱半波宽为20nm。

（5）选择相应滤光片，对600nm-2500nm范围内的金属卤化物光源光 谱进行修正：根据MODTRAN计算的标准天空光光谱曲线与补偿后的金属 卤化物光源光谱曲线相比获得理想光谱滤光片的透过率要求，如表1所示， 中心波长600nm处的透过率约为25％，半宽度约为200nm；400nm和 900n m附近的透过率T≥80％；1000nm后的透过率约为70％。结合现有的 较为成熟的滤光片加工工艺，选择图4（a）、（b）中所示江苏某玻片厂制 作的QB19和GRB3组合滤光片对金属卤化物光源的光谱进行修正，光谱 补偿和修正后的光谱特征如图5所示。

表1理想滤光片的透过率要求

通过图5中曲线的数据可以计算出，本发明设计的一种基于人造光源的 天空光光谱特性模拟方法可实现400nm-2500nm范围内的天空光光谱模 拟，其光谱匹配误差<35％,满足现有同类系统（如太阳模拟器等）对光谱 匹配误差的基本要求。