[发明专利]一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法

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（moderatespectral 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。