高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
高精度光谱辐射定标积分球系统与控制方法
技术领域
[0001 ]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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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】
[0009] 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。
[0010]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。
[0011] 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】
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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，由公式多=#可知，工作灯实际得到的功率变化 为AP=/_ AF，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。
[0016] 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MvAF，其 功率变化为知=- F) = =4/ F + AF /
(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10___7秒，运行过程 以100个时钟周期计算，反馈时间为ior^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。
[0017]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。
【主权项】
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。
【文档编号】G01J3/10GK105910704SQ201610200657
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月4日
【发明人】徐晓峰, 操龙德, 吴兆旺
【申请人】徐晓峰