CN105910704A - 高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，系统由硬件和软件组成。硬件部分由积分球，直流恒流恒压电源，检测电路，采样电路，单片机处理等电路组成。软件部分用C语言编程。本发明在积分球供电电路中，对工作灯通过的电流、电压分别进行检测，将检测到的信号分别送入采集卡进行模数转换，数字信号送入单片机进行运算，将它和预设的电功率值进行比较，得出误差信号再送入采集卡进行数模转换，模拟信号送入电源中进行输出功率控制。光电探测器采集的光电信号送入采集卡进行模数转换，数字信号送入单片机进行运算，得出的误差信号送入采集卡进行数模转换，模拟信号再送入电源控制补偿灯电流的大小，从而控制补偿灯的光通量。
Description
技术领域
本发明涉及高精度光谱辐射定标积分球与控制方法，具体涉及一种高精度光谱辐射定标积分球系统。
背景技术
积分球定标光源是一种非常优异的光谱辐射定标光源，其输出的辐亮度面均匀性和稳定性，是普通光源无法比拟的。在需要使用面光源的领域，被广泛用于光学探测器的实验室定标，遥感卫星发射前光学传感器的定标，以及卫星的星上定标。积分球光源的稳定性、精确度对于定标系统至关重要，如果作为基准的积分球光源其稳定性、精确度不高，那么用此定标校验出来的光学仪器，所采集和制作的光学图像的质量也会不高。引起积分球输出不稳定的因数有很多，如积分球反射率的变化，光源灯泡电阻的变化，供电电源的电流、电压的变化等。积分球光源的供电方式，国内外通常的做法是，采用直流稳流电源给灯泡供电。因此，积分球的光通量、辐亮度的稳定性、精度等指标不能做得很高，不确定度只能达到3%左右，不能满足高精度光谱辐射定标的要求。
在影响积分球精度的诸多因素当中，供电电源产生的不确定度占的比重较大，积分球的精度的高低，主要取决于供电电源的精度指标。其次，对于灯泡电阻变化引起的光通量、辐亮度的变化也是跟恒流源供电电源有关，这是因为电阻变化时，恒流源供电要保持电流不变，加在电阻两端的电压必定要改变，灯泡所得到的实际供电功率必定要改变，发光功率的改变必定引起光通量的变化，从而引起辐亮度的变化；对于积分球的反射率变化引起的光通量、辐亮度变化靠电源是无法控制的。针对以上所说的恒流源供电积分球的诸多缺点，本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，处理系统采用单片机控制，使用恒定功率供电和光通量补偿并用的方法，实现了高精度光谱辐射定标积分球系统的实用化；本发明采用的两个创新方法在于，一是定标积分球系统光源采用恒定功率供电；二是定标积分球系统光通量采用自动补偿方法，实现光通量的恒定。
发明内容
为了解决普通积分球精度不高的问题，本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，系统由硬件和软件组成，硬件部分由积分球，直流恒流电源，检测电路，采样电路，单片机处理电路组成；所述积分球包括球体和内壁反射层；工作灯和补偿灯；所述检测电路包括电流取样和电压取样电路，光电探测电路；所述采样电路包括探测信号放大电路和A/D转换电路；所述单片机处理电路包括单片机，D/A转换电路和控制电路；软件部分用C语言编写程序。
本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，在积分球系统的供电电路中，对工作灯通过的电流和所加的电压分别进行检测，将检测到的信号分别送入数据采集卡进行模数转换，同时将光电探测器采集的光电信号也送入数据采集卡进行模数转换，将转换后数字信号送入单片机AT89C52进行运算，将它和预设的电功率值进行比较，得出误差信号再送入PCI7489进行数模转换，转换后的模拟信号送入电源中相应的部分进行输出功率的控制；另一路由光电探测器采集的光电信号也送入单片机AT89C52，和标准信号进行比较，得出的误差信号送入PCI7489进行数模转换，转换后输出的模拟信号再送入电源相应的部分控制补偿灯电流的大小，从而控制补偿灯的光通量。
当电阻变化时，电阻值增加，在电流不变的情况下，电功率增加量为，此时采样电路将采得的电流、电压值送入单片机，由单片机进行运算，得出此时的功率值，并和存储的功率值进行比较得出误差值，再经过数模转换，送入电源的相应的部分进行控制，以降低或者增加负载上的功率，使功率趋于平衡。
当电源波动引起灯泡的功率变化时，单片机同样根据检测到的信号和存储的数值进行比较，输出误差信号，反向控制电源供给灯泡的功率，使其趋于平衡。
当积分球反射率发生变化时，积分球的光通量也发生变化，光电探测器将探测到的变化转换成电信号，输入单片机和初始存储的亮度信号值进行比较，得出误差信号，送入电源的相应的部分去控制补偿灯的电流，使光通量趋于平衡。
附图说明
图1是本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法原理框图。
图2是本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法系统软件流程图。
图3是本发明高精度光谱辐射定标积分球系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2、附图3对本发明高精度光谱辐射定标积分球系统的使用与控制方法以及工作原理做进一步的说明：系统由硬件和软件组成，原理框图和积分球结构如图1，图2所示；系统硬件部分由积分球，直流恒流电源，检测电路，采样电路，单片机处理电路组成。所述积分球包括球体和内壁反射层；工作灯和补偿灯；所述检测电路包括电流取样电阻和电压取样电路；光电探测电路；所述采样电路包括探测信号放大电路和A/D转换电路。所述单片机处理电路包括单片机AT89C52，D/A转换电路和控制电路；软件部分用C语言编程，软件流程图如图3所示。 积分球系统工作时，打开直流恒流电源，设置积分球灯泡工作电流大小（手动调节电流的大小），在手动调节电流的同时单片机自动切换为“手动”模式，功率控制部分不起作用；调节完成以后，单片机识别到“完成”信号（五秒钟内手动调整的模拟量不变）自动切换到“控制”模式，采样电路开始采集，同时对采集到的电流、电压信号进行运算，换算成功率之后存储到寄存器中，作为基准值；系统在进行了一系列的采集，转换，运算和控制之后，使得定标积分球输出的光通量保持稳定不变，满足了高精度光谱辐射定标的要求。
本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法的两个创新点在于，其一，积分球工作过程中，工作灯的控制采用单片机控制下的恒定功率控制技术。其二，用自动光电补偿的方法抵消积分球反射率变化对光通量的影响。
大量研究实验表明，影响积定标分球辐射通量的主要因素有两个：（1）灯泡的功率是否稳定，（2）积分球的反射率变化。
首先，分析积分球的供电方式对辐射通量的影响，对于直流恒流电源方式供电，是给工作灯设定一个恒定电流值，此后的定标过程一直以此电流值作为基准进行工作；直流恒流源电源的工作原理是，电流设定好以后，在一定的范围内负载电阻的变化对输出电流的变化没有影响；而积分球工作灯在实际定标过程中，电阻是在不断变化的，直流恒流源电源要保持电流不变，就要不停地自动调整加在工作灯两端的电压，因此工作灯上得到的电功率也是不停地变化的；根据物理学理论，由公式可知，工作灯实际得到的功率变化为，所以工作灯光通量变化的大小和电功率变化的大小成正比；灯泡发光时，光通量正比于电功率，因此光通量的变化也就取决于电功率的变化；光通量不确定度和功率不确定度相同。
对定标积分球的不确定度定量分析如下：
（1）对于电阻变化引起的功率变化：
（1）
本装置采用250W，24V溴钨灯，当电阻变化0.1欧姆时，
（2）
（2）对于电源波动引起的功率变化，如果工作灯的电流、电压变化分别为、，其功率变化为
（3）
对于标称电流不确定度为10MA，电压不确定度为10MV，工作电流为10.5A，工作电压为24V的直流稳压电源，功率不确定度为：
（4）
其次，积分球反射率的变化引起光通量的变化。因为，积分球输出的光通量正比于积分球的反射率，当反射率变化时，引起的光通量的变化为
（5）
当反射率由0.98变化到0.95 时，光通量的不确定度为：
（6）
系统综合不确定度为：
（7）
由此可见电阻变化和反射率变化引起的积分球的不确定度变化成了主要的部分。在本发明中，所使用的AT89C52单片机的时钟频率为12MHZ，一个时钟周期约为秒，运行过程以100个时钟周期计算，反馈时间为秒。这样就可将工作灯电流的调整精度提高到0.1MA，电压的调整精度提高到0.01MV。工作灯功率的不确定度变为：
（8）
系统的不确定度大为降低，精度提高了4个数量级。
本发明高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法中采用了AT89C52单片机作为控制部件，PCI7489作为数据采集、模数、数模转换，因此具有结构简单，控制可靠的特点。工作时不影响直流稳流电源对电流大小的任意调节，系统还可以方便地和计算机连接；因此，本发明高精度光谱辐射定标积分球系统具有稳定度高、精度高、线性好、均匀性好，是理想的定标光源；光电探测器采用中科院安徽光机所研制的TRAP探测器，精度为0.035%。综合测试结果，本系统的精度达到0.05%，面均匀性也大为提高。
Claims (3)
1.高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，其特征是，系统由硬件和软件组成，硬件部分由积分球，直流恒流电源，检测电路，采样电路，单片机处理电路组成；所述积分球包括球体和内壁反射层，工作灯和补偿灯；所述检测电路包括电流取样电阻和电压取样电路，光电探测电路；所述采样电路包括探测信号放大电路和A/D转换电路；所述单片机处理电路包括单片机，D/A转换电路和控制电路；软件部分应用C语言编写程序。
2.高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，其特征是，采用单片机控制下的恒定功率控制技术；在定标积分球系统的供电电路中，工作时对工作灯通过的电流、所加的电压分别进行检测，将检测到的信号分别送入数据采集卡进行模数转换，将转换后数字信号送入单片机AT89C52进行运算，将它和预设的工作灯电功率值进行比较，得出误差信号再送入数据采集卡进行数模转换，转换后的模拟信号送入直流稳流电源中相应的部分进行输出功率的控制，实现恒定功率供电。
3.高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法，其特征是，采用单片机控制下的电探测自动光通量补偿技术；对积分球反射率变化引起的光通量变化的补偿方法是，由光电探测器采集的光电信号送入数据采集卡进行模数转换，将转换后的数字信号送入单片机AT89C52进行运算，和标准信号进行比较，得出的误差信号送入数据采集卡进行数模转换，转换后输出的模拟信号再送入直流稳流电源相应的部分，去控制补偿灯电流的大小，从而控制补偿灯的光通量，实现光通量的自动补偿。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107907210A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-04-13 | 中国人民解放军63908部队 | 光学辐射标定装置 |
| CN111610004A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-09-01 | 常州光电技术研究所 | 一种基于星上定标led光源的光源调控方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004309323A (ja) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Oputeru:Kk | 発光素子の絶対量子効率測定方法及び装置 |
| US20100079747A1 (en) * | 2008-10-01 | 2010-04-01 | Park Seong Chong | Instrument and method for measuring total luminous flux of luminous elements |
| CN101813455A (zh) * | 2010-04-13 | 2010-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 可调对比度目标源 |
| CN202339395U (zh) * | 2011-12-14 | 2012-07-18 | 黑龙江省计量科学研究院 | 半导体发光器件的发光效率检测系统 |
| CN104006951A (zh) * | 2014-06-16 | 2014-08-27 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 激光能量计校准用大功率卤钨灯辐射效率测量系统及测量方法 |
-
2016
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004309323A (ja) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Oputeru:Kk | 発光素子の絶対量子効率測定方法及び装置 |
| US20100079747A1 (en) * | 2008-10-01 | 2010-04-01 | Park Seong Chong | Instrument and method for measuring total luminous flux of luminous elements |
| CN101813455A (zh) * | 2010-04-13 | 2010-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 可调对比度目标源 |
| CN202339395U (zh) * | 2011-12-14 | 2012-07-18 | 黑龙江省计量科学研究院 | 半导体发光器件的发光效率检测系统 |
| CN104006951A (zh) * | 2014-06-16 | 2014-08-27 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 激光能量计校准用大功率卤钨灯辐射效率测量系统及测量方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐晓峰、王陈宁: ""高稳定性、高精度积分球辐射定标系统的研究"", 《安庆师范学院学报（自然科学版）》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107907210A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-04-13 | 中国人民解放军63908部队 | 光学辐射标定装置 |
| CN107907210B (zh) * | 2017-12-11 | 2023-11-21 | 中国人民解放军63908部队 | 光学辐射标定装置 |
| CN111610004A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-09-01 | 常州光电技术研究所 | 一种基于星上定标led光源的光源调控方法 |
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