CN103353346A - 一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度分布的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度分布的装置，其特征在于：其包括测量探头部分、精密转台和主控制柜，其中测量探头部分包括镜筒、校准灯、光闸、光谱仪、温度传感器、控制电路和隔热罩；采用光谱仪对天空光进行测量，光谱仪内置有温度传感器，以随时检测光谱仪温度变化；精密转台包括驱动控制电路、转台；测量探头部分安装在精密转台之上，驱动控制电路驱动转台旋转以驱动测量探头部分，主控制柜部分主要由嵌入式PC，供电单元，以太网交换机，定时开关机单元和供电单元组成。

Description

一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度分布的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种测量天空亮度及其分布的装置与方法，尤其涉及一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度分布的装置与方法。

背景技术

天空亮度及其分布是天然采光设计和计算的基础和前提。获取准确的天空亮度测试数据，对于天然采光的理论研究和工程实践具有重要的意义。然而，测量天空亮度具有一定的难度，一是因为天空状态的变化很快，测量必须非常快速；二是天空亮度的变化范围较大，在如此大范围的亮度区间要保证足够的准确度较为困难。目前测量天空亮度的装置主要有两种技术，一种是通过滤光器与光电探测器组合的方法测量，另一种是基于数字图像的测量方法。下面简要阐述这两种技术存在的主要问题。

(一)使用滤光器与光电探测器组合测量亮度的方法。

该技术主要利用滤光器对接收器的光谱响应度分布进行修正使之与国际照明委员会(CIE)明视觉光谱光效率V(λ)相一致，从而获得亮度值。

该技术存在的主要缺点是：

1.光谱响应度存在误差。

尽管测量仪器经过V(λ)修正滤光器进行光谱修正，但是由于镀膜等技术的限制，修正滤光器匹配的结果仍与V(λ)不能完全一致。由此而引入的测量误差称为匹配误差U。

$U=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}|S^{*}{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{\mathrm{ret}}-V\left(\mathrm{\λ}\right)|\×\mathrm{\Δ\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}V\left(\mathrm{\λ}\right)\×\mathrm{\Δ\λ}}$ (式1)

其中：

$S^{*}{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{\mathrm{ret}}=[(\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}{P}_A\left(\mathrm{\λ}\right)\×V\left(\mathrm{\λ}\right)\×\mathrm{\Δ\λ})/(\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}{P}_A\left(\mathrm{\λ}\right)\×S{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{\mathrm{ret}}\×\mathrm{\Δ\λ})]\×S{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{\mathrm{ret}}$ (式2)

S^*(λ)_ret——标准(归一)化的光谱响应度，它与选择的光源相对光谱功率分布有关，其中P_A(λ)为CIE推荐的标准照明体A光源的相对光谱功率分布，其色温为2856K。S(λ)_ret为相对光谱响应度，其数值必须用专用仪器测量获得，波长间隔通常取为5nm。

V(λ)——明视觉光谱光视效率函数。

Δλ——波长间隔，取5nm。

2.对红外辐射响应存在误差。

亮度测量的光谱范围是可见光区，理想的探测器不应对红外辐射产生响应，然而某些光电探测器如硅光电二极管，它在近红外区有较强的响应度，如果所加的V(λ)修正滤光器对红外辐射的截止不为零，则会造成显著的误差。

3.对紫外辐射响应存在误差。

亮度测量同样不能对紫外区的辐射产生响应，而亮度计中所用的光电倍增管和硅光电二极管在紫外区均存在不同程度的响应，也会造成一定的误差。

4.探测器的非线性误差。

亮度计的响应是探测器光电流或电压的输出值，它应与入射光通量成正比，即输出与输入线性相关。而实际上亮度计只在一定的输入水平内呈线性关系。如图1所示，当入射光通量在0～Φ₀范围内时，Y的响应呈线性，当入射光通量超出Φ₀后将出现非线性响应。

5.温度误差。

一般亮度计都有标准的工作温度(如20±5℃)，通常称为参考温度，在实际测量中不可能保证环境温度总在参考温度范围内。当环境温度高于参考温度时，光电倍增管中的热电子发射增加，在经过多级放大后，使暗电流增加很快，导致倍增管的灵敏度下降。温度变化越大其响应变化越显著。

(二)通过数字图像处理方式测量天空亮度的方法。

该技术从数码照片上提取被测天空元的亮度及位置信息，确定其曝光参数及线性亮度记录范围，并通过对相机噪声与镜头畸变等误差进行分析修正从而获得亮度值。该方法存在的主要缺点如下：

1.照片质量造成误差。

该技术主要使用数字图像处理方式测量，所以对照片质量要求较高，而照片的质量与光学镜头，曝光时间等参数有很大关系，光学镜头由于镀膜工艺的限制无法保证所有镜头的一致性，使得设备之间则产生的照片质量无法保持一致，对测量产生的结果则会产生一定误差。

2.图像处理算法造成的误差

采用该技术通常需要对图像进行数学处理，这些软件算法会对测量结果产生一定的误差。

3.照片变形所带来的误差

由于镜头的原因，利用数码相机拍摄的照片存在不同程度的几何变形，包括桶形和枕形失真，这对测量结果也会带来一定的误差。

4.对测量范围和分辨率有所限制

数码相机的A/D转换位数通常为2⁸～2¹⁴，对于单次曝光而言，其测量范围和分辨率就受到了限制。对于亮度变化范围很大的情况，如天空亮度测量，可能需要采用多级曝光才能满足测量范围和分辨率的要求。

5.校正和标定困难

目前还缺少针对于图像亮度计的检定技术规程，而采用传统亮度计的标定和校正方法则费时费工，这使得图像亮度测量受到了一定的限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度的方法与装置，可以更准确的测量天空亮度。

为解决上述技术问题，本发明的全自动光谱式天空扫描亮度计包括测量探头部分、精密转台和主控制柜，其中测量探头部分包括镜筒、校准灯、光闸、光谱仪、温度传感器、控制电路和隔热罩；采用光谱仪对天空光进行测量，光谱仪内置有温度传感器，以随时检测光谱仪温度变化；精密转台包括驱动控制电路、转台；测量探头部分安装在精密转台之上，驱动控制电路驱动转台旋转以驱动测量探头部分，主控制柜部分主要由嵌入式PC，供电单元，以太网交换机，定时开关机单元和供电单元组成。

作为上述全自动光谱式天空扫描亮度计的其他优选方式，所述测量探头系统包括了一套高精度的光谱仪，其波长测量范围为200nm～1100nm；线性度优于0.5％；亮度测量范围为0～50000cd/m²，分辨率1cd/m²，可在-30℃～40℃环境下工作。通过调节光阑，使得镜筒的视场角为11度。系统内置的校准灯采用色温为2856K的5W钨灯，恒流驱动，经过积分球发出均匀光，积分球内部直径为36mm，能对光谱仪因为温度变化造成的信号漂移作出动态修正，保证测量结果的准确性。精密转台可在水平方向360°和垂直方向的-10°～+90°自由旋转；精密转台的定向精度优于0.5度，可在3.5分钟以内完成对天空半球145个点的测量。

本发明的测量天空亮度的方法包括以下步骤：

(1)测量前，精密转台旋转至起始位置，校准灯点亮，对仪器进行自校准和光谱修正；

(2)测量开始，精密转台旋转到预先设定的角度，光谱仪对天空光谱进行测量，积分后得到亮度值；

(3)存储测量数据后，精密转台旋转到下一个测量位置进行测量；

(4)测量完成后，精密转台旋转至起始位置，等待下一次测量的指令。

作为上述测量天空亮度的方法的一种优选方式，其中，亮度值由以下步骤取得：

(1)利用普朗克计算公式得到理论光谱曲线简化计算公式M_λB(λ，T)＝c₁λ^-5exp(-c₂/λT)，然后得到理论钨灯归一化标准光谱曲线；

(2)利用理论光谱曲线得到光谱修正系数：S(λ)＝M_λB(λ，T)/DN_S(λ，T)

其中，M_λB(λ，T)为理论2856K钨灯归一化光谱曲线；DN_S(λ，T)为实测2856K钨灯归一化光谱曲线；S(λ)为各波长下的光谱修正系数；

(3)利用亮度计算公式得到最终亮度值： $L_V=K\×{\∫}_{380}^{780}V\left(\mathrm{\λ}\right)L\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ},$

其中，c₁，c₂为常数；T为温度；V(λ)为人眼视见函数；L(λ)为波长为λ的相对光强；S(λ)为波长为λ的光谱修正系数；K为亮度系数；L_V为视觉亮度值。

作为上述测量天空亮度的方法的其他优选方式，对天顶测量位置，光谱仪进行三次测量，取三次的平均值作为天顶亮度值；光谱仪的积分时间为6ms。

本发明结合天空光谱测试的需要，使用分光测量方法实现对天空亮度的测量，并通过软件对测量的光谱进行逐点数字修正，使之与人眼光谱光(视)效率函数V(λ)曲线达到完全匹配，然后进行数字积分生成测量亮度结果，这样就避免了由于镀膜技术造成的镜片物理上无法完全匹配相应于人眼的光谱光(视)效率函数V(λ)曲线等问题。由于采用光谱仪实现分光测量，当遇到较强的光通量时能够动态通过减小积分时间使测量信号在有效范围内，保证测量结果的准确性，实现较大范围内的动态测量，避免非线性响应造成的误差。同时，由于采用了光谱测量的方法，可以给出天空光在可见光范围内的光谱功率分布，这是现有技术无法实现的。并且，该装置内置校准灯，能对光谱仪因为温度变化造成的信号漂移作出动态修正，保证测量结果的准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为现有技术中亮度计电流或电压输出值随入射光通量的比例关系图；

图2为本发明全自动光谱式天空扫描亮度计的系统组成框图；

图3为测量探头内部俯视图；

图4为测量探头外观图；

图5为测量探头内部连接图

图6为镜筒外观图；

图7为镜筒内部结构图；

图8为精密转台外观图；

图9为主控制柜部件结构图；

图10为主控制柜外观图；

图11为理论钨灯(2856K)归一化标准光谱曲线；

图12为天空测点分布图；

图13为测控软件界面；

图14为数据处理软件界面。

图中：1.舵机，2.光闸片，3.镜筒，4.连接板，5.校准灯(2856K钨灯)，6.光谱仪(型号：USB4000，探测范围：200nm～1100nm)，7.4口以太网交换机(10M/100M)，8.控制电路板，9.探头外壳，10.探头与转台连接底板，11.24V电源供电接口，12.4芯数据线接口，13.镜筒光纤接入部件，14.镜筒连接安装部件，15镜筒中间部件，16.镜筒前端部件，17.镜筒内部K9玻璃安装部件，18.Φ10光阑，19.Φ12光阑，20.Φ18光阑，21.镜头窗片，22.Φ23光阑，23.Φ27光阑，24.Φ10光阑压圈，25.Φ12光阑压圈，26.Φ18光阑压圈，27.镜头窗片压圈，28.Φ23光阑压圈，29.Φ27光阑压圈，30.探头，31.隔热罩，32.转台，33.控制柜外壳，34.工业嵌入式PC，35.供电单元(24V与12V稳压电源)，36.以太网交换机，37.前面板连接器，38.散热风扇，39.时控开关(定时器开关)，40.控制柜前面板，41.状态指示灯，42.USB接口，43.VGA接口，44.网络接口，45.控制柜开关。

具体实施方式

如图2所示，天空扫描亮度计装置主要由测量探头部分，精密转台，主控制柜三部分组成。测量探头部分主要由舵机1，光闸2，镜筒3，连接板4，校准灯5，光谱仪6，以太网交换机7，控制电路8和外壳9组成，如图3、4、5所示。其中最主要的部件为光谱仪，其作用是采用光谱扫描的方式对天空光进行测量，通过螺钉固定在外壳上。光谱仪内置有温度传感器可随时检测光谱仪温度变化，及时作出温度修正。校准灯使用2856K钨灯，恒流驱动，经过积分球发出均匀光，积分球内部直径为36mm。舵机可控制光闸，在测量前关闭光闸，获取暗底信号，测量时打开光闸。控制电路的作用是，控制光闸开关、校准灯亮灭，获取温度传感器信号，与外界通信等。镜筒的主要结构如图6和7所示，通过光纤与光谱仪连接，利用内置的多个光阑调节视场角至11度，并尽量避免杂散光进入。

如图8中所示，测量探头安装在精密转台之上，两者之间通过螺钉固定连接，并通过一根六芯线缆连接实现供电与通信。精密转台部分主要由驱动控制电路，精密机械转轴等部分组成。其中，控制电路驱动内部偏航与俯仰电机精确旋转，并与外界通信。精密转台可在水平方向360°和垂直方向的-10°～+90°自由旋转。探头主体30外设有隔热罩31，并设于转台主体32上。

主控制柜为一独立的箱体，与测量探头和精密转台分开放置。主控制柜部分主要由工业嵌入式PC34，供电单元35，以太网交换机(10M/100M)36，时控开关39组成，如图9、10所示。供电单元外接220V市政供电，通过交直流转换通过一根两芯线缆为精密转台和测量探头提供24V供电，通过交直流转换为嵌入式PC提供12V供电。主控制柜内置的工业嵌入式PC通过以太网交换机实现与精密转台与测量探头部分的通信，通信连接线为八芯线缆。工业嵌入式PC可以选择主频1G，内存1G，2G CF卡，主要使用网口，USB口通过以太网交换机与外界通信，拷贝数据等操作。时控开关使系统具有自动上电运行与定时断电功能，减少系统功耗。延长系统使用寿命。

本发明所需的理论计算步骤如下：

(1)利用普朗克计算公式得到2856K钨灯下的理论光谱曲线普朗克计算公式

M_λＢ(λ，T)＝c₁λ^-5/[exp(c₂/λT)-1]  (式3)

其中式3中c₁，c₂为常数：

c₁＝2πhc²＝3.741832×10^-16(W.m²)

c₂＝hc/k_B＝1.438786×10^-2(m·K)

在温度较低、波长较短时，比如在白炽灯的温度范围内(T＜3400K)对可见光(λ＜0.78×10^-6m)，此时，λT＜＜c₂，(式3)可以简化为维恩公式，即

M_λB(λ，T)＝c₁λ^-5exp(-c₂/λT)  (式4)

通过(式4)可得到图11所示的理论钨灯(2856K)归一化标准光谱曲线。

(2)利用理论光谱曲线得到光谱修正系数

光谱修正系数计算公式：

S(λ)＝M_λB(λ，T)/DN_S(λ，T)  (式5)

M_λB(λ，T)——理论2856K钨灯归一化光谱曲线

DN_S(λ，T)——实测2856K钨灯归一化光谱曲线

S(λ)——各波长下的光谱修正系数

(3)利用亮度计算公式得到最终亮度值

亮度值计算公式：

$L_V=K\×{\∫}_{380}^{780}V\left(\mathrm{\λ}\right)L\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$ (式6)

V(λ)——明视觉光谱光视效率函数

L(λ)——波长为λ的相对光强

S(λ)——波长为λ的光谱修正系数

K——亮度系数

L_V——视觉亮度值

首先，打开220V电源开关，向主控制柜供电，主控制柜内的PC开机，启动WindowsXP操作系统，操作系统加载完成后运行测量程序。测量前，精密转台旋转至起始位置，校准灯点亮，对仪器进行自校准和光谱修正。测量开始，精密转台旋转到预先设定的角度，光谱仪对天空光谱进行测量，积分后得到亮度值；存储测量数据后，精密转台旋转到下一个测量位置进行测量。整个测量过程为全自动，在测量过程中，可随时在PC机外接的显示器上查看测量的进度。测量完成后，精密转台旋转至起始位置，等待下一次测量的指令。完成测量后，可利用PC机上的USB接口下载测量数据。

在整个天空半球的145个测点中，天顶亮度是最重要的，因此本发明在到达天顶测量位置时，光谱仪进行三次测量，取三次的平均值作为天顶亮度值，以提高测量的准确性。另外，光谱仪的积分时间也是极其重要的，积分时间过短对测量的准确性有影响，过长则影响测量的速度和效率，本发明中光谱仪的积分时间为6ms，是通过理论分析和多次实验最终确定的，兼顾了准确性和效率。

用所述天空扫描亮度计对北京市的天空亮度分布进行了为期一年的跟踪观测，得到的测量数据与国际照明委员会(CIE)提出的标准天空吻合的较好，系统的性能指标满足CIE对于天空亮度测量的要求，其稳定性和可靠性也得到了验证。

本发明的光谱分光扫描测量天空亮度的装置可在3.5min内完成一次整个天空半球的测量，测量的天空元分布(共145个测点)，如图12所示。具体测量步骤如下：

(1)对于每个测量点，测量天空元在380nm到780nm内的相对光谱信号，并进行归一化处理。

(2)使用(式5)中的S(λ)对归一化后的相对光谱做修正处理并与V(λ)相乘得到该波长光在人眼视觉下产生的相对响应强度。

(3)对(1)中产生的相对响应强度从380nm到780nm积分，得到光谱归一化后的亮度值。

(4)与亮度系数K相乘得到绝对亮度值。

软件部分主要由测控软件与数据处理软件组成。测控软件用于实现对系统全自动测量与控制，图13为测控软件界面。数据处理软件实现对记录数据的查看，分析，以及数据输出等功能，图14给出了数据处理软件界面。

测控软件具有积分时间可设，起始测量时间和结束测量时间可设，测量间隔时间可设；测量数据自动存储；标定功能；测量显示功能；以及自启动功能等。

数据处理软件用于对测量数据的导入、导出和分析，为进一步分析研究提供基础数据。数据处理软件具有亮度数据导出；光谱数据导出；图形显示，查看整体天空亮度与天空各个面元亮度及光谱显示等功能。

系统由主控柜中的嵌入式PC通过网线向远端精密转台与探头部分发送控制命令与测量命令，通过扫描方式快速实现对天空145个区域进行亮度测量并记录到本地存储，实现无人值守，全自动定时扫描测量与记录任务。

本系统具有以下特点：

(1)实现了全自动控制，可在PC端设置测量的起始时间和采样间隔，设备一经调整后，无需进行手动调整，全部通过计算机进行操作控制测量；

(2)采用分光测量，可给出天空光的光谱分布，数字积分可见光亮度，精度高，动态范围大；

(3)采用以太网接口，设备安装地点与控制计算机距离不受限制；

(4)测量探头具备自检和自校准功能；

(5)开发了功能强大，界面友好的测控软件，可设定测量的时间间隔，测量的次数等，图形化显示，并可利用数据处理软件进行数据处理和输出。

Claims (10)

1.一种全自动光谱分光扫描测量天空亮度分布的装置，其特征在于：其包括测量探头部分、精密转台和主控制柜，其中测量探头部分包括镜筒、校准灯、光闸、光谱仪、温度传感器、控制电路和隔热罩；采用光谱仪对天空光进行测量，光谱仪内置有温度传感器，以随时检测光谱仪温度变化；精密转台包括驱动控制电路、转台；测量探头部分安装在精密转台之上，驱动控制电路驱动转台旋转以驱动测量探头部分，主控制柜部分主要由嵌入式PC，供电单元，以太网交换机，定时开关机单元和供电单元组成。

2.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，其中所述光谱仪为高精度光谱仪，波长测量范围为200nm～1100nm，线性度优于0.5％，亮度测量范围为0～50000cd/m²，分辨率1cd/m²。

3.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，所述镜筒中的光阑可调，所述镜筒的视场角为11度。

4.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，所述的校准灯采用色温为2856K的5W钨灯，恒流驱动，经过积分球发出均匀光，所述积分球内部直径为36mm，能对光谱仪因为温度变化造成的信号漂移作出动态修正。

5.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，所述探头部分的探头主体外设有隔热罩。

6.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，所述精密转台可在水平方向360°和垂直方向的-10°～+90°自由旋转。

7.如权利要求1所述的测量天空亮度的装置，其特征在于，所述精密转台的定向精度优于0.5度。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的装置通过光谱分光扫描测量天空亮度分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量前，精密转台旋转至起始位置，校准灯点亮，对仪器进行自校准和光谱修正；

(2)测量开始，精密转台旋转到预先设定的角度，光谱仪对天空光谱进行测量，积分后得到亮度值；

(3)存储测量数据后，精密转台旋转到下一个测量位置进行测量；

(4)测量完成后，精密转台旋转至起始位置，等待下一次测量的指令。

9.如权利要求8所述的测量天空亮度的方法，其特征在于，亮度值由以下步骤取得：

(1)利用普朗克计算公式得到理论光谱曲线简化计算公式M_λB(λ，T)＝c₁λ^-5exp(-c₂/λT)，然后得到理论钨灯归一化标准光谱曲线；

(2)利用理论光谱曲线得到光谱修正系数：S(λ)＝M_λB(λ，T)/DN_S(λ，T)

其中，M_λB(λ，T)为理论2856K钨灯归一化光谱曲线；DN_S(λ，T)为实测2856K钨灯归一化光谱曲线；S(λ)为各波长下的光谱修正系数；

(3)利用亮度计算公式得到最终亮度值： $L_V=K\×{\∫}_{380}^{780}V\left(\mathrm{\λ}\right)L\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ},$

其中，c₁，c₂为常数；T为温度；V(λ)为人眼视见函数；L(λ)为波长为λ的相对光强；S(λ)为波长为λ的光谱修正系数；K为亮度系数；L_V为视觉亮度值。

10.如权利要求9所述的测量天空亮度的方法，其特征在于，对天顶测量位置，所述光谱仪进行三次测量，取三次的平均值作为天顶亮度值。

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