專利名稱：天空背景光亮度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種天空背景光亮度測量裝置。本發(fā)明主要用于獲取天空背景光積分亮度和光譜亮度信息，獲取特定空間區(qū)域的光學(xué)環(huán)境特性， 為光學(xué)成像、光信息空間傳輸?shù)阮I(lǐng)域提供背景光學(xué)輻射特性參數(shù)。
背景技術(shù)：
光學(xué)成像和光信息空間傳輸?shù)阮I(lǐng)域的光學(xué)有效信息的提取都是在一定的天空背景光環(huán)境中進(jìn)行的。天空背景光主要來源于太陽的直接照射、太陽光的多次散射和地球表面的反射及其散射光，不同地區(qū)、不同地理環(huán)境以及不同天氣狀況都會導(dǎo)致天光光譜亮度的不同。目前，主要采用理論計算的方式來獲得所需地區(qū)的天空背景光的統(tǒng)計特性，由于計算條件采用了大量的理論模型，無法有效模擬復(fù)雜多樣的氣候條件和地理環(huán)境，忽略了地區(qū)性差異，無法真實反映特定區(qū)域的天空背景光特性。但是，當(dāng)前還沒有天空背景光亮度的專業(yè)測量裝置，無法真實獲取特定區(qū)域的天空背景光學(xué)特性，需要建立專門的測量裝置為光學(xué)成像和光信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域提供天空背景光學(xué)輻射特性參數(shù)。中國期刊《光學(xué)學(xué)報》2008年10月期刊登了一篇名為《一種半球形天空亮度測量儀器的研制》的文章，文章中介紹的半球形天空亮度測量儀器只限于測量某一或多個方向的天空亮度，不能實現(xiàn)全半空間的連續(xù)光譜測量。中國專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(專利號CN101832816A)公開了一種名稱為《空間激光通信中天空背景光測量裝置》的發(fā)明專利申請技術(shù)。該裝置只能實現(xiàn)多個波長或波段的亮度測量，不能實現(xiàn)全半空間的連續(xù)光譜測量。該裝置不能實現(xiàn)自動調(diào)平，不能實現(xiàn)指向位置的自動控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲取待測地區(qū)的天空背景光學(xué)輻射特性，本發(fā)明提供一種天空背景光亮度測量裝置。采用本發(fā)明的裝置能夠快速準(zhǔn)確的測量天空背景光亮度的強度特性、光譜特性和空間分布特性。本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置，其特點是，所述的測量裝置含有指向掃描鏡、 分光元件組、色散光柵、線陣CCD、單元傳感元件、成像面陣CCD、二維指向轉(zhuǎn)臺、尋北儀、 GPS、計算機、支撐平臺、俯仰電機。其中，二維指向轉(zhuǎn)臺包括方位電機、方位旋轉(zhuǎn)平臺、俯仰電機、俯仰旋轉(zhuǎn)軸；分光元件組包括第一分光鏡、第二分光鏡和反射鏡；其連接關(guān)系是，所述的方位旋轉(zhuǎn)平臺垂直設(shè)置在方位電機的旋轉(zhuǎn)軸臺面上，俯仰旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在俯仰電機的中心軸線上。指向掃描鏡設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺的俯仰電機上，由俯仰電機帶動做俯仰旋轉(zhuǎn)軸掃描，第一分光鏡放置在方位旋轉(zhuǎn)平臺上，位于俯仰旋轉(zhuǎn)軸軸線的延長線上，第一分光鏡的法線與俯仰旋轉(zhuǎn)軸的軸線夾角為45°，在第一分光鏡的透射方向上依次設(shè)置有色散光柵和線陣CCD，第二分光鏡與第一分光鏡平行設(shè)置，在第二分光鏡的反射方向上依次設(shè)置有功率測量聚焦鏡和單元傳感元件。反射鏡與第二分光鏡平行設(shè)置，在反射鏡的反射方向上依次設(shè)置有成像鏡頭和成像面陣CCD。在俯仰旋轉(zhuǎn)軸軸線上與第一分光鏡的相反方向上設(shè)置有尋北儀。導(dǎo)電環(huán)同軸設(shè)置在方位電機的轉(zhuǎn)子上；方位電機、信息交換器、計算機和GPS設(shè)置在支撐平臺的臺面上。支撐平臺設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺基座的底部。支撐平臺下方設(shè)置有自調(diào)平支腿。計算機與線陣CCD、成像面陣CCD、尋北儀、俯仰電機、方位電機、信息交換器采用數(shù)據(jù)線連接。所述的指向掃描鏡采用單面指向掃描鏡。本發(fā)明的測量裝置采用二維指向轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)測量方向，采用色散光柵和線陣CCD構(gòu)成的光譜測量元件、功率測量聚焦鏡和單元傳感元件構(gòu)成的功率測量元件可實現(xiàn)天空背景光的積分亮度測量和光譜亮度測量。本發(fā)明的測量裝置采用二維指向轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)測量方向，采用色散光柵和線陣CCD構(gòu)成的光譜測量元件、功率測量聚焦鏡和單元傳感元件構(gòu)成的功率測量元件、成像鏡頭和成像面陣CCD構(gòu)成的成像單元可實現(xiàn)天空背景光的積分亮度測量、天空背景光的積分亮度的光譜亮度測量和被測環(huán)境成像記錄的同步進(jìn)行。本發(fā)明的測量裝置采用尋北儀可實現(xiàn)全天候的方位旋轉(zhuǎn)軸零點的測定。本發(fā)明的測量裝置采用自調(diào)平支腿實現(xiàn)支撐平臺的自動水平調(diào)節(jié)。計算機實現(xiàn)對測量裝置線陣CCD、成像面陣CCD、尋北儀、俯仰電機、方位電機的控制以及數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲，并通過信息交換器實現(xiàn)與外部通信功能。所有記錄數(shù)據(jù)包括待測點地理位置、探測時間、指向角度、探測太陽角、天空背景光積分亮度、天空背景光光譜亮度和測量環(huán)境圖像。
本發(fā)明的工作過程是首先采用支撐平臺使二維指向轉(zhuǎn)臺的方位旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)軸線與水平面垂直；其次采用計算機讀取GPS數(shù)據(jù)，獲取待測點的地理位置；接著，采用計算機讀取尋北儀數(shù)據(jù)，完成對二維指向轉(zhuǎn)臺測量方位的初始定位；然后，計算機控制二維指向平臺，帶動指向掃描鏡指向待測方向，利用指向掃描鏡將待測方向的天空背景光導(dǎo)入待測光路，經(jīng)分光元件組分別導(dǎo)入1、色散光柵和線陣CCD組成的光譜測量元件，進(jìn)行光譜測量; 2、功率測量聚焦鏡和單元傳感元件構(gòu)成的功率測量元件，進(jìn)行功率測量；3、成像鏡頭和成像面陣CCD構(gòu)成的成像單元，進(jìn)行測量環(huán)境成像記錄。最后，所有測量數(shù)據(jù)由計算機完成處理，獲取最終測量結(jié)果。由計算機控制二維指向轉(zhuǎn)臺對半球天空進(jìn)行掃描，就可以實現(xiàn)對整個空域天空背景光亮度的測量。本發(fā)明的測量裝置采用色散光柵和線陣CCD進(jìn)行光譜測量，采用聚焦透鏡和單元傳感元件進(jìn)行光功率定標(biāo)測量，從而實現(xiàn)天空背景亮度的計算，計算結(jié)果精確度高；本發(fā)明的測量裝置采用遠(yuǎn)程計算機伺服控制，定位精度高；采用導(dǎo)電環(huán)，可實現(xiàn)全方位連續(xù)測量， 測量效率高；采用自調(diào)平支腿，可以在大尺度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實現(xiàn)快速自調(diào)平，對測量環(huán)境特別是地面適應(yīng)性強。本發(fā)明具有天空背景光的積分亮度和光譜亮度測量功能，并具有被測環(huán)境的成像記錄功能，記錄數(shù)據(jù)齊全；裝置調(diào)整方便快捷；可遠(yuǎn)程控制和外場適用性強；能夠完成對俯仰角O0 90°，方位角0° 360°范圍內(nèi)天空背景光亮度的測量。


圖1為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的軟件工作流程框圖。圖中，1.指向掃描鏡2.分光元件組 3.色散光柵
5.單元傳感元件 8.成像鏡頭 11.俯仰電機 14.第二分光鏡 17.方位電機 20.計算機 21.
4.線陣CCD 7.功率測量聚焦鏡 10.俯仰旋轉(zhuǎn)軸 13.第一分光鏡 16.導(dǎo)電環(huán)
19.信息交換器
6.成像面陣CCD
9.方位旋轉(zhuǎn)平臺
12.尋北儀
15.反射鏡
18.支撐平臺
自調(diào)平支腿 22. GPSt
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1、圖2中，本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置含有指向掃描鏡1、分光元件組2、色散光柵3、線陣CCD4、單元傳感元件5、成像面陣 (XD6、二維指向轉(zhuǎn)臺、尋北儀12、GPS22、計算機20、支撐平臺18 ；其中，二維指向轉(zhuǎn)臺包括方位電機17、方位旋轉(zhuǎn)平臺9、俯仰電機11、俯仰旋轉(zhuǎn)軸10 ；分光元件組2包括第一分光鏡13、 第二分光鏡14和反射鏡15 ；其連接關(guān)系是，所述的方位旋轉(zhuǎn)平臺9垂直設(shè)置在方位電機17 的旋轉(zhuǎn)軸臺面上，俯仰旋轉(zhuǎn)軸10設(shè)置在俯仰電機11的中心軸線上；指向掃描鏡1設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺的俯仰電機11上，指向掃描鏡1采用單面指向掃描鏡；第一分光鏡13放置在方位旋轉(zhuǎn)平臺9上，位于俯仰旋轉(zhuǎn)軸10軸線的延長線上，第一分光鏡13的法線與俯仰旋轉(zhuǎn)軸 10的軸線夾角為45°，在第一分光鏡13的透射方向上依次設(shè)置有色散光柵3和線陣(XD4 ； 第二分光鏡14與第一分光鏡13平行設(shè)置，在第二分光鏡14的反射方向上依次設(shè)置有功率測量聚焦鏡7和單元傳感元件5 ；反射鏡15與第二分光鏡14平行設(shè)置，在反射鏡15的反射方向上依次設(shè)置有成像鏡頭8和成像面陣CCD6 ；在俯仰旋轉(zhuǎn)軸10軸線上與第一分光鏡 13的相反方向上設(shè)置有尋北儀12 ；導(dǎo)電環(huán)16同軸設(shè)置在方位電機17的轉(zhuǎn)子上；方位電機 17、信息交換器19、計算機20和GPS22設(shè)置在支撐平臺18的臺面上；支撐平臺18設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺基座的底部；支撐平臺18下方以等邊三角形設(shè)置三個自調(diào)平支腿21 ；計算機 20與信息交換器19、方位電機17、俯仰電機11、尋北儀12、線陣CCD4、成像面陣CCD6采用數(shù)據(jù)線連接。圖3為本發(fā)明的天空背景光亮度測量裝置的軟件工作流程框圖。圖3中，首先進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)平，即采用支撐平臺18使二維指向轉(zhuǎn)臺的方位旋轉(zhuǎn)平臺9的旋轉(zhuǎn)軸線與水平面垂直；其次采用計算機20讀取GPS22數(shù)據(jù)，獲取待測點的地理位置；接著采用計算機20讀取尋北儀12數(shù)據(jù)，完成對二維指向轉(zhuǎn)臺測量方位的初始定位；然后，計算機20控制二維指向平臺，帶動指向掃描鏡1指向待測方向，利用指向掃描鏡1將待測方向的天空背景光導(dǎo)入待測光路，經(jīng)分光元件組2分別導(dǎo)入1、色散光柵3和線陣(XD4組成的光譜測量元件，進(jìn)行光譜測量；2、功率測量聚焦鏡7和單元傳感元件5構(gòu)成的功率測量元件，進(jìn)行功率測量；3、成像鏡頭8和成像面陣CCD6構(gòu)成的成像單元，進(jìn)行測量環(huán)境成像記錄。最后，所有測量數(shù)據(jù)由計算機20完成處理，獲取最終測量結(jié)果。由計算機20控制二維指向轉(zhuǎn)臺對半球天空進(jìn)行掃描，就可以實現(xiàn)對整個空域天空背景光亮度的測量。
權(quán)利要求
1.一種天空背景光亮度測量裝置，其特征在于，所述的測量裝置含有指向掃描鏡(1)、 分光元件組O)、色散光柵(3)、線陣CCD 0)、單元傳感元件(5)、成像面陣CCD(6)、二維指向轉(zhuǎn)臺、尋北儀(12)、GPS(9)、計算機(20)、支撐平臺(18)、俯仰電機(11)；其中，二維指向轉(zhuǎn)臺包括方位電機(17)、方位旋轉(zhuǎn)平臺(9)、俯仰電機(11)、俯仰旋轉(zhuǎn)軸(10)；分光元件組 (2)包括第一分光鏡(13)、第二分光鏡(14)和反射鏡(1 ；其連接關(guān)系是，所述的方位旋轉(zhuǎn)平臺(9)垂直設(shè)置在方位電機(17)的旋轉(zhuǎn)軸臺面上，俯仰旋轉(zhuǎn)軸(10)設(shè)置在俯仰電機 (11)的中心軸線上；指向掃描鏡(1)設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺的俯仰電機(11)上；第一分光鏡 (13)放置在方位旋轉(zhuǎn)平臺(9)上，位于俯仰旋轉(zhuǎn)軸(10)軸線的延長線上，第一分光鏡(13) 的法線與俯仰旋轉(zhuǎn)軸(10)的軸線夾角為45°，在第一分光鏡(1 的透射方向上依次設(shè)置有色散光柵C3)和線陣CCW4)；第二分光鏡(14)與第一分光鏡(1 平行設(shè)置，在第二分光鏡(14)的反射方向上依次設(shè)置有功率測量聚焦鏡(7)和單元傳感元件(5)；反射鏡(15) 與第二分光鏡(14)平行設(shè)置，在反射鏡(1 的反射方向上依次設(shè)置有成像鏡頭(8)和成像面陣CCD(6)；在俯仰旋轉(zhuǎn)軸軸線上與第一分光鏡(1 的相反方向上設(shè)置有尋北儀(12)； 導(dǎo)電環(huán)(16)同軸設(shè)置在方位電機(17)的轉(zhuǎn)子上；方位電機(17)、信息交換器(19)、計算機00)和GPS (2 設(shè)置在支撐平臺(18)的臺面上；支撐平臺(18)設(shè)置在二維指向轉(zhuǎn)臺基座的底部；支撐平臺(18)下方設(shè)置有自調(diào)平支腿；計算機00)與信息交換器(19)、方位電機(17)、俯仰電機(11)、尋北儀(12)、線陣CCD0)、成像面陣CCD(6)采用數(shù)據(jù)線連接。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的天光背景光亮度測量裝置，其特征在于，所述的指向掃描鏡 (1)采用單面指向掃描鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天空背景光亮度測量裝置。所述測量裝置中的指向掃描鏡設(shè)置在俯仰電機上。第一分光鏡的透射方向上依次設(shè)置色散光柵和線陣CCD。第二分光鏡的反射方向上依次設(shè)置功率測量聚焦鏡和單元傳感元件。反射鏡的反射方向上依次設(shè)置成像鏡頭和成像面陣CCD。尋北儀設(shè)置在方位旋轉(zhuǎn)平臺上。方位旋轉(zhuǎn)平臺、導(dǎo)電環(huán)垂直設(shè)置在方位電機上。方位電機、信息交換器、計算機和GPS設(shè)置在有自調(diào)平支腿的支撐平臺上。本發(fā)明的測量裝置具有天空背景光的積分亮度、光譜亮度測量和被測環(huán)境的成像記錄功能，記錄數(shù)據(jù)齊全；調(diào)整方便快捷，定位精度高；可實現(xiàn)全方位連續(xù)測量，工作效率高；能夠?qū)崿F(xiàn)多種場合的快速自調(diào)平，外場適應(yīng)性強。
文檔編號G01J3/28GK102297720SQ20111013853
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者萬敏, 余鴻銘, 冷杰, 楊銳, 葛成良, 路大舉, 鄒凱, 鄭捷, 陳傳均 申請人:中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所