CN105699333B - 一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法,借助积分球以及宽光谱光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测,得到该待测环境表面材料的相对反射率谱;借助积分球以及单色光光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测,得到该待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率;以所获得的单色光的绝对反射率为基准,求得宽光谱范围内其他波长光的绝对反射率;将所获得的全部波长光的绝对反射率拼合,得到整个波长范围内的绝对反射率谱。该测量方法能够准确、高效地获得环境表面材料的绝对反射率谱,提高了可见光漫射通信中反射率的测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域,尤其涉及一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法。
背景技术
目前,可见光漫射通信中,光信号因为多径传播会不可避免地与周围环境表面发生多次反射交互,传统红外光无线通信也涉及光信号反射材料反射率的测量,单色光的反射率可以通过功率计捕获有无反射作用的光出射功率,进而将两部分做除法运算而较为直接地获得。
不同于传统的红外光无线通信,可见光漫射通信由于采用的是宽光谱光源而非单色光源,因而无法通过传统的低成本测量手段获得反射材料的反射率。
发明内容
本发明的目的是提供一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法,该测量方法能够准确、高效地获得环境表面材料的绝对反射率谱,提高了可见光漫射通信中反射率的测量效率。
一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法,所述方法包括:
借助积分球以及宽光谱光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到该待测环境表面材料的相对反射率谱;
借助积分球以及单色光光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到该待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率;
以所获得的单色光的绝对反射率为基准,按照已经获得的相对反射率谱中不同波长光之间的相对比例关系,按比例求得宽光谱范围内其他波长光的绝对反射率;
将所获得的全部波长光的绝对反射率拼合,得到整个波长范围内的绝对反射率谱。
所述方法还包括:
在进行相对反射率谱的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与宽光谱光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致;
在进行单色光的绝对反射率的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与单色光光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致。
所述将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,具体包括:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对宽光谱光源的两个光谱的非零连续部分进行点对点相除。
所述将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,具体包括:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对单色光光源的两个光谱在单色光波长的部分进行点对点相除。
所述宽光谱光源的连续波长范围在400纳米到780纳米之间。
所述单色光光源的中心波长在所述宽光谱光源的波长范围内。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,该测量方法能够准确、高效地获得环境表面材料的绝对反射率谱,提高了可见光漫射通信中反射率的测量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法流程示意图;
图2为本发明所举实例所用到的测试系统结构示意图;
图3为本发明所举实例测量无待测环境表面材料反射作用下的宽光谱时的积分球内部结构示意图;
图4为本发明所举实例测量有待测环境表面材料反射作用下的宽光谱时的积分球内部结构示意图;
图5为本发明所举实例测量无待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱时的积分球内部结构示意图;
图6为本发明所举实例测量有待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱时的积分球内部结构示意图;
图7为本发明所举实例中有和无待测环境表面材料反射作用下的宽光谱示意图;
图8为本发明所举实例中待测环境表面材料的相对反射率谱的示意图;
图9为本发明所举实例中有和无待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱示意图;
图10为本发明所举实例中待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率的示意图;
图11为本发明所举实例中经过计算所获得的整个波长范围内的绝对反射率谱的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述,如图1所示为本发明实施例所提供可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法流程示意图,所述方法包括:
步骤11:借助积分球以及宽光谱光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
步骤12:将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到该待测环境表面材料的相对反射率谱;
在该步骤中,所述将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除的具体过程为:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对宽光谱光源的两个光谱的非零连续部分进行点对点相除,从而得到该待测环境表面材料的相对反射率谱,具体公式为:
ρ相对(λ)=Φ有反射(λ)/Φ无反射(λ)
其中,Φ有反射(λ)为有待测环境表面材料反射作用下所得的光谱,Φ无反射(λ)为无待测环境表面材料反射作用下所得的光谱。
步骤13:借助积分球以及单色光光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
步骤14:将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率;
在该步骤中,所述将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除的具体过程为:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对单色光光源的两个光谱在单色光波长的部分进行点对点相除,从而得到待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率,具体公式为:
ρ绝对(λ单色)=Φ有反射(λ单色)/Φ无反射(λ单色)
其中,Φ有反射(λ单色)为有待测环境表面材料反射作用下借助单色光光源所得到的光谱,Φ无反射(λ单色)为无待测环境表面材料反射作用下借助单色光光源所得到的光谱,该绝对反射率被作为基准反射率。
步骤15:以所获得的单色光的绝对反射率为基准,按照已经获得的相对反射率谱中不同波长光之间的相对比例关系,按比例求得宽光谱范围内其他波长光的绝对反射率;
步骤16:将所获得的全部波长光的绝对反射率拼合,得到整个波长范围内的绝对反射率谱。
在该步骤中,整个波长范围内的绝对反射率谱的具体计算公式为:
ρ绝对(λ)=ρ相对(λ)[ρ绝对(λ单色)/ρ相对(λ单色)]
其中,ρ相对(λ单色)为相对反射率谱ρ相对(λ)在单色光光源波长λ单色处的相对反射率数值。
具体实现中,所述宽光谱光源的连续波长范围在400纳米到780纳米之间;而所述单色光光源的中心波长在所述宽光谱光源的波长范围内;同时宽光谱光源以及单色光光源在测量期间应保持光谱出射特性稳定。
另外,在进行相对反射率谱的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与宽光谱光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致;具体可以通过裁剪待测环境表面材料的尺寸,使所采样的待测环境表面材料与宽光谱光源在材料位置处所产生的大尺寸光斑在形状和尺寸上保持相同,从而使得宽光谱光源投射出的所有光都经历待测环境表面材料的反射作用。
而在进行单色光的绝对反射率的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与单色光光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致;具体可以通过裁剪待测环境表面材料的尺寸,使之与单色光光源在材料位置处所产生的小尺寸光斑在形状和尺寸上保持相同。
下面以具体的实例对上述测量方法的过程进行详细说明,如图2所示为本发明所举实例所用到的测试系统结构示意图,图2中该测试系统由积分球部分以及计算机部分组成,积分球部分包含:(1)积分球球体和(2)积分球机箱。在测量过程中,宽光谱光源或单色光光源被固定于积分球球体的臂杆上且光源法向方向垂直向下,宽光谱光源或单色光光源投射到积分球底部会形成圆形光斑。
如图3所示为本发明所举实例测量无待测环境表面材料反射作用下的宽光谱时的积分球内部结构示意图,在该测量过程中,积分球必须始终保持紧密闭合状态,球体内部仅置放宽光谱光源,通过计算机部分控制开启积分球的光谱扫测功能,并记录无待测环境表面材料反射作用下的宽光谱为Φ无反射(λ)。
如图4所示为本发明所举实例测量有待测环境表面材料反射作用下的宽光谱时的积分球内部结构示意图,在该测量过程中,积分球始终保持紧密闭合状态,球体内部同时置放宽光谱光源与待测样品(即待测环境表面材料)。其中待测环境表面材料应置于光源正下方,并剪裁样品的尺寸与光斑尺寸一致,从而使所有光源的出射光都与反射材料发生反射交互;然后通过计算机部分控制开启积分球的光谱扫测功能,记录有待测环境表面材料反射作用下的宽光谱为Φ有反射(λ)。具体测量过程中,由于光源的光出射特性随着时间会有轻微改变,为提高测量结果的准确性,可以对宽光谱Φ无反射(λ)和Φ有反射(λ)进行多次测量取平均值,从而降低测量误差。
然后再根据公式ρ相对(λ)=Φ有反射(λ)/Φ无反射(λ),获得该待测环境表面材料的相对反射率谱。
如图5所示为本发明所举实例测量无待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱时的积分球内部结构示意图,在该测量过程中,积分球始终保持紧密闭合状态,球体内部仅置放单色光光源;通过计算机部分控制开启积分球的光谱扫测功能,记录无待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱为Φ无反射(λ单色)。
如图6所示为本发明所举实例测量有待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱时的积分球内部结构示意图,在该测量过程中,积分球始终保持紧密闭合状态,球体内部同时置放宽单色光光源与小尺寸待测样品(即待测环境表面材料)。其中,该小尺寸待测样品应置于光源正下方,并裁剪使该样品的尺寸与光斑尺寸一致,从而使所有光源的出射光都与反射材料发生反射交互;再通过计算机部分控制开启积分球的光谱扫测功能,记录有待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱为Φ有反射(λ单色)。
然后再根据公式ρ绝对(λ单色)=Φ有反射(λ单色)/Φ无反射(λ单色),获得待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率,并以该单色光的绝对反射率作为基准。
如图7所示为本发明所举实例中有和无待测环境表面材料反射作用下的宽光谱示意图,图7中:“---”为线型的曲线是无待测环境表面材料反射作用下扫测得到的宽光源光谱,本发明实施例中使用的是白光LED射灯;“—”为线型的曲线是有待测环境表面材料反射作用下扫测得到的宽光源光谱,本实例中使用的待测环境表面材料取自天花板材料,由于反射材料样品会吸收一部分光信号的功率,将剩余的光功率反射输出,而这种吸收及反射作用有一定的波长选择性,因此“—”为线型曲线的光谱水平低于“---”为线型曲线的光谱水平,两者之间的差值随波长的不同而有所差异。虽然宽光谱光源的实际光谱范围很宽,图7中显示可以覆盖300纳米到1000纳米的范围,但在覆盖范围的边缘处,也就是300纳米和1000纳米附近,光谱是不连续的,为了进行光谱相除,必须将使用的光谱窗进行缩短,故本发明实施例中使用的光谱范围是400纳米和800纳米。
如图8所示为本发明所举实例中待测环境表面材料的相对反射率谱的示意图,该相对反射率谱是按照公式ρ相对(λ)=Φ有反射(λ)/Φ无反射(λ)来获得的。
如图9所示为本发明所举实例中有和无待测环境表面材料反射作用下的单色光光谱示意图,具体可以将光源替换为单色光光源,单色光光源的类型可以是手持式绿光激光器,图9中:“---”为线型的曲线是无待测环境表面材料反射作用下扫测得到的单色光光谱;“—”为线型的曲线是有待测环境表面材料反射作用下扫测得到的单色光光谱。图9显示两种情况下该单色光的半功率波长范围约为5纳米,光源的中心波长在约532纳米处。
如图10所示为本发明所举实例中待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率的示意图,将图9中两条光谱曲线相除就可以得到图10中所给出的待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率,由于本实施例中的单色光不是绝对的单波长光源,因而图10中给出的绝对反射率也处于一个区间,这个区间范围在400纳米和700纳米之间,但是在532纳米以下和535纳米以上的范围,受限于光源功率过小,对应上述两区间所得反射率有巨大的误差,实际可用于作为基准的反射率只能在532纳米和535纳米之间选取,为了尽可能提高结果的置信度,本实施例将中心波长处的反射率作为基准反射率ρ绝对(λ单色)。
如图11所示为本发明所举实例中经过计算所获得的整个波长范围内的绝对反射率谱的示意图,具体计算过程是根据反射率基准对通过宽光谱光源得到的相对反射率谱ρ相对(λ)按照公式ρ绝对(λ)=ρ相对(λ)[ρ绝对(λ单色)/ρ相对(λ单色)]进行修正,从而得到整个波长范围内的绝对反射率谱ρ绝对(λ)。
综上所述,本发明实施例所提供的测量方法对宽光谱光源无特殊要求,使得测量成本得到充分限制,同时充分利用光谱范围宽的特性,满足了对拉宽待测反射率谱波长范围的实际需求;同时通过便携式单色光源进行数据校准,使得测量结果的准确性得到进一步优化提升,两个测量阶段的实际测量用时都在几分钟内完成,进一步确保了测量过程的整体高效。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种可见光漫射通信中环境表面反射率谱的测量方法,所述方法包括:
借助积分球以及单色光光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到该待测环境表面材料对该单色光的绝对反射率;
其特征在于,所述方法还包括:
借助积分球以及宽光谱光源对有待测环境表面材料和无待测环境表面材料反射作用下的光谱分别进行扫测;
将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,得到该待测环境表面材料的相对反射率谱;
以所获得的单色光的绝对反射率为基准,按照已经获得的相对反射率谱中不同波长光之间的相对比例关系,按比例求得宽光谱范围内其他波长光的绝对反射率;
将所获得的全部波长光的绝对反射率拼合,得到整个波长范围内的绝对反射率谱。
2.根据权利要求1所述测量方法,其特征在于,所述方法还包括:
在进行相对反射率谱的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与宽光谱光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致;
在进行单色光的绝对反射率的测量过程中,待测环境表面材料的尺寸与单色光光源所产生的光斑在形状和尺寸上保持一致。
3.根据权利要求1所述测量方法,其特征在于,所述将得到的针对宽光谱光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,具体包括:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对宽光谱光源的两个光谱的非零连续部分进行点对点相除。
4.根据权利要求1所述测量方法,其特征在于,所述将得到的针对单色光光源的两个光谱的有效部分进行点对点相除,具体包括:
将积分球在有待测环境表面材料以及无待测环境表面材料条件下输出的针对单色光光源的两个光谱在单色光波长的部分进行点对点相除。
5.根据权利要求1所述测量方法,其特征在于,
所述宽光谱光源的连续波长范围在400纳米到780纳米之间。
6.根据权利要求1所述测量方法,其特征在于,
所述单色光光源的中心波长在所述宽光谱光源的波长范围内。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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