天空背景辐射光谱测量系统及软件的设计与实现

发布时间：2020-09-15 14:10

　　天空背景辐射源自于被大气分子、气溶胶粒子等散射元散射的太阳辐射,其被散射后形成了散射光亮度的空间分布,在大气科学研究、白天天文观测、激光通信、地基空间目标检测、被动测距等领域均有较大的应用价值。为了对天空背景辐射光谱进行测量,本文基于光纤光谱仪研制了一台一体化光谱型天空背景辐射计。本文首先阐述了天空背景辐射测量的理论模型,介绍了光纤光谱仪及其控制软件开发的相关背景,然后重点描述了与设备控制逻辑密切相关的机械、光学硬件模块的组成结构。本文在分析实际光谱测量功能需求和系列型号后续改进需求的基础上,确定光谱仪、单片机、工控机等关键控制模块的通信连接方式,设计了具有分层结构的整体控制逻辑,将设备控制程序开发任务拆分为单片机控制逻辑的设计与工控机软件业务功能模块的编写。将单片机所直接控制的动作行为抽象并封装为多个可以分别执行的功能模块,简化单片机程序的顶层逻辑。工控机软件的开发以面向对象的方式进行,抽象出通信接口控制类与功能逻辑类。以线程暂停的方式来协调软件与单片机之间的动作流程,实现功能控制代码的集中编写,使设备顶层的行为控制逻辑开发成为只需按动作顺序依次添加相应代码模块的简单过程。重点介绍了如电机转动控制等关键功能模块的具体实现过程。对所研制的光谱型天空背景辐射计进行功能测试,并分析光谱测量数据。对比已有研究结果,验证了定点测量和全天空扫描测量数据的时空变化规律,都与已有结果保持一致。确认所研制的一体化光谱型天空背景辐射计能够正常运转,并从侧面说明了测量结果的正确性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O433.1
【部分图文】：

实物,设备,天空亮度,辐亮度

二‘逡逑ｍ：＾Ｍｍ逡逑图１．１直接成像型观测设备（左侧为ＴＳＩ，右侧为ＡＳＩ）逡逑非成像扫描型观测设备，原理是通过点源光强接收装置对全天空不同方位逐逡逑个进行扫描测量，进而获取与空间方位有关的辐亮度数据。这类设备可以再细分逡逑为三种：多波段、宽谱段和连续光谱型。多波段型设备，是测量部分波长通道处逡逑辐亮度的设备，以法国的ＣＥ３１８太阳光度计和日本的ＰＯＭ０２日晕计为代表％；逡逑宽谱段型设备，测量一个较宽的波长范围内的整体积分辐亮度，如中科院安徽光逡逑机所研制的ＤＴＬ－１型天空亮度仪［４６］；连续光谱型设备，可以测量一个波长范围逡逑内的连续光谱，如国防科技大学研制的ＴＫＦＳ０１天空亮度测量系统［４７］。还有一些逡逑综合了成像型与非成像型设备结构而研制的天空亮度测量仪

直接成像,观测设备,天空亮度,天空背景

内的连续光谱，如国防科技大学研制的ＴＫＦＳ０１天空亮度测量系统［４７］。还有一些逡逑综合了成像型与非成像型设备结构而研制的天空亮度测量仪，如将光电探测器放逡逑置在半球形支架上，直接测量多个方向上的天空背景辐射『４８，４９］。图１．２从左往右逡逑分别为ＣＥ３１８、ＰＯＭ０２和ＤＴＬ－１的实物图片。逡逑晶ｉＨ逡逑ＷＭＭｍ逡逑图１．２邋ＣＥ３１８、ＰＯＭ０２、ＤＴＬ－１设备实物图（从左至右依次）逡逑ＣＥ３１８邋的波长通道有邋９邋个：３４０ｎｍ、３８０ｎｍ、４４０ｎｍ、５００ｎｍ、６７５ｎｍ、８７０ｎｍ、逡逑９３６ｎｍ、１０２０ｎｍ、１６４０ｎｍ，通道的光谱宽度为邋１０ｎｍ，其中邋４４０ｎｍ、５００ｎｍ、６７０ｎｍ、逡逑８７０ｎｍ、１０２０ｎｍ、１６４０ｎｍ这６个通道可以进行天空背景辐射测量［５Ｇ］。ＣＥ３１８可逡逑以工作在太阳跟踪测量、太阳位置等高度角扫描、太阳位置主平面扫描三种不同逡逑的测量模式下。ＤＴＬ－１以ＡＰＤ邋（雪崩二极管）为天空背景辐射响应器件，测量逡逑４００ｎｍ？ｌＯＯＯｎｍ波长范围内的整体积分辐亮度，具有定点连续测量和全天空扫描逡逑两种模式不同的工作模式。ＴＫＦＳ０１天空亮度测量系统可以测量３８０ｎｍ￣１１００ｎｍ逡逑４逡逑

模型图,辐射体,朗伯,模型

辐射传输逡逑图２．１朗伯辐射体模型逡逑如图２．１所示，在面元心处，辐射方向与面元的法线夹角为０，令０邋＝邋０时逡逑的辐亮度为Ｉ。。这里不考虑单色的问题，认为此处的辐射量均为单色辐射量，带逡逑有Ａ下标，故而省略参数中的所有Ａ。由式（２．３）有：逡逑ｄＯ逡逑Ｌ０＝逦（２．１３）逡逑ｄＡｄＱｄＡ逡逑ｔ／Ｏ逡逑４＝逦邋（２．１４）逡逑ｃｏｓｄｄＡｄＣｋ／Ａ逡逑对各向同性辐射场，有＆邋＝乙，则逡逑Ｉｇ邋＝邋Ｌｄ邋ｃｏｓ９ｄＡ邋＝邋Ｌ０ｃｏｓＯｄＡ邋＝邋／０邋ｃｏｓ６逦（２．１５）逡逑接收面上的辐射强度和接收面法线方向与辐射传输方向的夹角成余弦关系，逡逑此即朗伯余弦定律。逡逑２．２．２测量模型逡逑对天空背景辐射进行测量，可以抽象成图２．２的模型：逡逑图２．２天空背景辐射测量模型逡逑图２．２中，天空背景辐射的面元为Ａ，地基测量设备的光学镜筒入瞳处接逡逑收面为面元以和入瞳面０的法线方向分别为《，、《２，天空背景面元办与入逡逑瞳面０的距离为／？

【参考文献】