CN102297720A - 天空背景光亮度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天空背景光亮度测量装置。所述测量装置中的指向扫描镜设置在俯仰电机上。第一分光镜的透射方向上依次设置色散光栅和线阵CCD。第二分光镜的反射方向上依次设置功率测量聚焦镜和单元传感元件。反射镜的反射方向上依次设置成像镜头和成像面阵CCD。寻北仪设置在方位旋转平台上。方位旋转平台、导电环垂直设置在方位电机上。方位电机、信息交换器、计算机和GPS设置在有自调平支腿的支撑平台上。本发明的测量装置具有天空背景光的积分亮度、光谱亮度测量和被测环境的成像记录功能，记录数据齐全；调整方便快捷，定位精度高；可实现全方位连续测量，工作效率高；能够实现多种场合的快速自调平，外场适应性强。

Description

天空背景光亮度测量装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种天空背景光亮度测量装置。本发明主要用于获取天空背景光积分亮度和光谱亮度信息，获取特定空间区域的光学环境特性，为光学成像、光信息空间传输等领域提供背景光学辐射特性参数。

背景技术

光学成像和光信息空间传输等领域的光学有效信息的提取都是在一定的天空背景光环境中进行的。天空背景光主要来源于太阳的直接照射、太阳光的多次散射和地球表面的反射及其散射光，不同地区、不同地理环境以及不同天气状况都会导致天光光谱亮度的不同。目前，主要采用理论计算的方式来获得所需地区的天空背景光的统计特性，由于计算条件采用了大量的理论模型，无法有效模拟复杂多样的气候条件和地理环境，忽略了地区性差异，无法真实反映特定区域的天空背景光特性。但是，当前还没有天空背景光亮度的专业测量装置，无法真实获取特定区域的天空背景光学特性，需要建立专门的测量装置为光学成像和光信息传输等领域提供天空背景光学辐射特性参数。

中国期刊《光学学报》2008年10月期刊登了一篇名为《一种半球形天空亮度测量仪器的研制》的文章，文章中介绍的半球形天空亮度测量仪器只限于测量某一或多个方向的天空亮度，不能实现全半空间的连续光谱测量。

中国专利文献数据库（专利号：CN101832816A）公开了一种名称为《空间激光通信中天空背景光测量装置》的发明专利申请技术。该装置只能实现多个波长或波段的亮度测量，不能实现全半空间的连续光谱测量。该装置不能实现自动调平，不能实现指向位置的自动控制。

发明内容

为了获取待测地区的天空背景光学辐射特性, 本发明提供一种天空背景光亮度测量装置。采用本发明的装置能够快速准确的测量天空背景光亮度的强度特性、光谱特性和空间分布特性。

本发明的天空背景光亮度测量装置，其特点是，所述的测量装置含有指向扫描镜、分光元件组、色散光栅、线阵CCD、单元传感元件、成像面阵CCD、二维指向转台、寻北仪、GPS、计算机、支撑平台、俯仰电机。其中，二维指向转台包括方位电机、方位旋转平台、俯仰电机、俯仰旋转轴；分光元件组包括第一分光镜、第二分光镜和反射镜；其连接关系是，所述的方位旋转平台垂直设置在方位电机的旋转轴台面上，俯仰旋转轴设置在俯仰电机的中心轴线上。指向扫描镜设置在二维指向转台的俯仰电机上，由俯仰电机带动做俯仰旋转轴扫描，第一分光镜放置在方位旋转平台上，位于俯仰旋转轴轴线的延长线上，第一分光镜的法线与俯仰旋转轴的轴线夹角为45°，在第一分光镜的透射方向上依次设置有色散光栅和线阵CCD，第二分光镜与第一分光镜平行设置，在第二分光镜的反射方向上依次设置有功率测量聚焦镜和单元传感元件。反射镜与第二分光镜平行设置，在反射镜的反射方向上依次设置有成像镜头和成像面阵CCD。在俯仰旋转轴轴线上与第一分光镜的相反方向上设置有寻北仪。导电环同轴设置在方位电机的转子上；方位电机、信息交换器、计算机和GPS设置在支撑平台的台面上。支撑平台设置在二维指向转台基座的底部。支撑平台下方设置有自调平支腿。计算机与线阵CCD、成像面阵CCD、寻北仪、俯仰电机、方位电机、信息交换器采用数据线连接。

所述的指向扫描镜采用单面指向扫描镜。

本发明的测量装置采用二维指向转台调节测量方向，采用色散光栅和线阵CCD构成的光谱测量元件、功率测量聚焦镜和单元传感元件构成的功率测量元件可实现天空背景光的积分亮度测量和光谱亮度测量。

本发明的测量装置采用二维指向转台调节测量方向，采用色散光栅和线阵CCD构成的光谱测量元件、功率测量聚焦镜和单元传感元件构成的功率测量元件、成像镜头和成像面阵CCD构成的成像单元可实现天空背景光的积分亮度测量、天空背景光的积分亮度的光谱亮度测量和被测环境成像记录的同步进行。

本发明的测量装置采用寻北仪可实现全天候的方位旋转轴零点的测定。

本发明的测量装置采用自调平支腿实现支撑平台的自动水平调节。

计算机实现对测量装置线阵CCD、成像面阵CCD、寻北仪、俯仰电机、方位电机的控制以及数据的采集、处理和存储，并通过信息交换器实现与外部通信功能。所有记录数据包括待测点地理位置、探测时间、指向角度、探测太阳角、天空背景光积分亮度、天空背景光光谱亮度和测量环境图像。

 

本发明的工作过程是：首先采用支撑平台使二维指向转台的方位旋转平台的旋转轴线与水平面垂直；其次采用计算机读取GPS数据，获取待测点的地理位置；接着，采用计算机读取寻北仪数据，完成对二维指向转台测量方位的初始定位；然后，计算机控制二维指向平台，带动指向扫描镜指向待测方向，利用指向扫描镜将待测方向的天空背景光导入待测光路，经分光元件组分别导入：1、色散光栅和线阵CCD组成的光谱测量元件，进行光谱测量；2、功率测量聚焦镜和单元传感元件构成的功率测量元件，进行功率测量；3、成像镜头和成像面阵CCD构成的成像单元，进行测量环境成像记录。最后，所有测量数据由计算机完成处理，获取最终测量结果。由计算机控制二维指向转台对半球天空进行扫描，就可以实现对整个空域天空背景光亮度的测量。

本发明的测量装置采用色散光栅和线阵CCD进行光谱测量，采用聚焦透镜和单元传感元件进行光功率定标测量，从而实现天空背景亮度的计算，计算结果精确度高；本发明的测量装置采用远程计算机伺服控制，定位精度高；采用导电环，可实现全方位连续测量，测量效率高；采用自调平支腿，可以在大尺度调节范围内实现快速自调平，对测量环境特别是地面适应性强。

本发明具有天空背景光的积分亮度和光谱亮度测量功能，并具有被测环境的成像记录功能，记录数据齐全；装置调整方便快捷；可远程控制和外场适用性强；能够完成对俯仰角0^o～90^o，方位角0^o～360^o范围内天空背景光亮度的测量。

附图说明

图1为本发明的天空背景光亮度测量装置的俯视结构示意图。

图2为本发明的天空背景光亮度测量装置的主视结构示意图。

图3为本发明的天空背景光亮度测量装置的软件工作流程框图。

图中，1.指向扫描镜    2.分光元件组     3.色散光栅     4.线阵CCD    5.单元传感元件     6.成像面阵CCD    7.功率测量聚焦镜     8.成像镜头      9.方位旋转平台     10.俯仰旋转轴     11.俯仰电机     12.寻北仪     13.第一分光镜     14.第二分光镜     15.反射镜     16.导电环     17.方位电机     18.支撑平台     19.信息交换器     20.计算机     21.自调平支腿  22.GPS。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明的天空背景光亮度测量装置的俯视结构示意图，图2为本发明的天空背景光亮度测量装置的主视结构示意图。在图1、图2中，本发明的天空背景光亮度测量装置含有指向扫描镜1、分光元件组2、色散光栅3、线阵CCD4、单元传感元件5、成像面阵CCD6、二维指向转台、寻北仪12、GPS22、计算机20、支撑平台18；其中，二维指向转台包括方位电机17、方位旋转平台9、俯仰电机11、俯仰旋转轴10；分光元件组2包括第一分光镜13、第二分光镜14和反射镜15；其连接关系是，所述的方位旋转平台9垂直设置在方位电机17的旋转轴台面上，俯仰旋转轴10设置在俯仰电机11的中心轴线上；指向扫描镜1设置在二维指向转台的俯仰电机11上，指向扫描镜1采用单面指向扫描镜；第一分光镜13放置在方位旋转平台9上，位于俯仰旋转轴10轴线的延长线上，第一分光镜13的法线与俯仰旋转轴10的轴线夹角为45°，在第一分光镜13的透射方向上依次设置有色散光栅3和线阵CCD4；第二分光镜14与第一分光镜13平行设置，在第二分光镜14的反射方向上依次设置有功率测量聚焦镜7和单元传感元件5；反射镜15与第二分光镜14平行设置，在反射镜15的反射方向上依次设置有成像镜头8和成像面阵CCD6；在俯仰旋转轴10轴线上与第一分光镜13的相反方向上设置有寻北仪12；导电环16同轴设置在方位电机17的转子上；方位电机17、信息交换器19、计算机20和GPS22设置在支撑平台18的台面上；支撑平台18设置在二维指向转台基座的底部；支撑平台18下方以等边三角形设置三个自调平支腿21；计算机20与信息交换器19、方位电机17、俯仰电机11、寻北仪12、线阵CCD4、成像面阵CCD6采用数据线连接。

图3为本发明的天空背景光亮度测量装置的软件工作流程框图。图3中，首先进行系统调平，即采用支撑平台18使二维指向转台的方位旋转平台9的旋转轴线与水平面垂直；其次采用计算机20读取GPS22数据，获取待测点的地理位置；接着采用计算机20读取寻北仪12数据，完成对二维指向转台测量方位的初始定位；然后，计算机20控制二维指向平台，带动指向扫描镜1指向待测方向，利用指向扫描镜1将待测方向的天空背景光导入待测光路，经分光元件组2分别导入：1、色散光栅3和线阵CCD4组成的光谱测量元件，进行光谱测量；2、功率测量聚焦镜7和单元传感元件5构成的功率测量元件，进行功率测量；3、成像镜头8和成像面阵CCD6构成的成像单元，进行测量环境成像记录。最后，所有测量数据由计算机20完成处理，获取最终测量结果。由计算机20控制二维指向转台对半球天空进行扫描，就可以实现对整个空域天空背景光亮度的测量。

Claims (2)

1.一种天空背景光亮度测量装置，其特征在于，所述的测量装置含有指向扫描镜(1)、分光元件组(2)、色散光栅(3)、线阵CCD(4)、单元传感元件(5)、成像面阵CCD(6)、二维指向转台、寻北仪(12)、GPS(9)、计算机(20)、支撑平台(18)、俯仰电机(11)；其中，二维指向转台包括方位电机(17)、方位旋转平台(9)、俯仰电机(11)、俯仰旋转轴(10)；分光元件组(2)包括第一分光镜 (13)、第二分光镜(14)和反射镜(15)；其连接关系是，所述的方位旋转平台(9)垂直设置在方位电机(17)的旋转轴台面上，俯仰旋转轴(10)设置在俯仰电机（11）的中心轴线上；指向扫描镜(1)设置在二维指向转台的俯仰电机(11)上；第一分光镜 (13)放置在方位旋转平台(9)上，位于俯仰旋转轴(10)轴线的延长线上，第一分光镜 (13)的法线与俯仰旋转轴(10)的轴线夹角为45°，在第一分光镜 (13)的透射方向上依次设置有色散光栅(3)和线阵CCD(4)；第二分光镜(14)与第一分光镜 (13)平行设置，在第二分光镜(14)的反射方向上依次设置有功率测量聚焦镜(7)和单元传感元件(5)；反射镜(15)与第二分光镜 (14)平行设置，在反射镜(15)的反射方向上依次设置有成像镜头(8)和成像面阵CCD(6)；在俯仰旋转轴轴线上与第一分光镜(13)的相反方向上设置有寻北仪(12)；导电环(16) 同轴设置在方位电机(17)的转子上；方位电机(17) 、信息交换器(19)、计算机(20)和GPS(22)设置在支撑平台(18)的台面上；支撑平台(18)设置在二维指向转台基座的底部；支撑平台(18)下方设置有自调平支腿(21)；计算机(20)与信息交换器(19)、方位电机(17)、俯仰电机(11)、寻北仪(12)、线阵CCD(4)、成像面阵CCD(6)采用数据线连接。

2.根据权力要求1所述的天光背景光亮度测量装置，其特征在于，所述的指向扫描镜（1）采用单面指向扫描镜。

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