基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成

从实测的LED光谱分布出发,对基于LED光谱可调光源进行了可行性验证。提出用非对称高斯分布函数的数学模型来拟合单个LED光谱分布,并以该数学模型为基础,运用多种不同峰值波长的LED来合成所需要的光谱分布。在原理上实现了对任意目标光谱的最小二乘拟合,使用不同峰值波长的单色LED分别对D65、溴钨灯、5 500 K理想黑体、日光照射下的标准白板的光谱分布进行拟合,相关指数均在0.94以上。最后通过对数据的分析,总结出在工程实践中必须注意的要点。     

遗传算法在LED光源光谱匹配技术中的应用

为利用单色LED实现CIE-D65标准光源、AM1.5标准太阳光目标光谱的匹配,提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,优化不同峰值波长、峰值波长间隔、半高宽的单色LED匹配光源组合,达到光源光谱匹配的目的.仿真实验表明:该算法拟合的相关指数达0.99以上,模拟光谱与目标光谱基本吻合;匹配光源的峰值波长间隔越小,光谱拟合性越好,但结合工程应用需要,峰值波长要选取适中;所提遗传算法运行速度快、效率高、拟合误差小,可广泛应用于植物照明、医疗照明等特殊照明领域的光谱匹配仿真试验和工程实践.     

太阳直射光谱和天空光谱的测量与分析

在海拔9600m高空测量并获得了大气上界直射太阳光谱和天空光谱，测量了成都、丽江和玉龙雪山地表直射太阳光谱和天空光谱.结果表明：(西昌段)大气上界直射太阳光谱能量最大峰值对应的波长位于482.1nm，天空光谱能量分布相对于直射太阳光谱能量分布明显紫移，0.41—0.42μm波段成为天空光谱能量第一主峰区；地表晴天天空光谱中的能量分布与直射太阳光谱的能量分布区别很大，而有云时天空光谱中的能量分布和直射太阳光谱能量分布的差别比较小；玉龙雪山山峰积雪雪面在可见光波段对不同波长有不同的反照率. 关键词： 太阳直射光谱 天空光谱 大气上界     

基于有效集算法的大功率单色LED太阳光谱模拟仿真

利用单色LED实现对AM1.5标准太阳光谱可见光（380~780 nm）波段和标准光源CIE-D65的匹配,提出了通过有效集算法作为目标光谱的匹配算法,将Epitex公司的大功率单色LED的峰值波长和半高全宽数据作为有效集,并建立了一个数据库。将相关指数R²最大作为优化目标,通过MATLAB编程求解超定方程组的最小二乘解求出拟合所需要的单色LED的种类和数量。拟合AM1.5可见光的最佳组合中使用24种单色LED,相关指数R²高达0.850 2,拟合标准光源CIE-D65的最佳组合中使用25种单色LED,相关指数R²高达0.940 5。进行了增加LED和减少LED的优化实验。得出的结果对工程实践中单色LED拟合太阳光谱的研究提供了理论基础。     

基于全连接神经网络的自然光谱复现方法研究

为了能够精准和快速地复现可见光波段自然光谱，实现全光谱照明，使用具有强大非线性拟合能力的神经网络完成光谱匹配。首先，利用全连接神经网络的自学习能力，在采用基于修正高斯分布拟合函数的多个单色LED合成光谱模型生成训练和测试数据集的基础上，构建充分体现合成光谱和各单色LED光强系数比例关系的神经网络模型，即该模型能够针对输入光谱得到对应的单色LED光强比例系数，进而实现光谱复现。其次，针对标准太阳光谱和实测得到的不同时刻、天气的自然光谱进行光谱复现，并与采用基于遗传算法的光谱复现方法得到的结果进行对比。结果表明，基于全连接神经网络的自然光谱复现方法能够以小于5%的误差实现标准太阳光谱和实测太阳光谱的匹配，证明可使用同一个训练模型在不改变单色LED数量和种类的条件下得到多种与目标光谱高度吻合的不同类型光谱。对比其他光谱匹配算法，所提方法的拟合速度提高了数倍，还具有稳定性高、调控灵活、操作简便等优势。     

基于LED的标准太阳光谱灯拟合算法

在测量领域中需要使具有高稳定性及良好光谱匹配性的人工模拟太阳光谱标准灯.本文提出一种基于多种不同峰值波长LED光源的方法来准确模拟AM1.5的光谱分布.以最小二乘法和高斯分布数学模型为基础,在理论上实现了非均匀间隔峰值波长的光谱拟合,从而指导LED的种类选择及其所需的驱动电流值,并通过实验论证其可行性.结果表明:在300～1100 nm的范围内,使用较少LED种类的情况下,此方法光谱失配误差小于±2.76％.此算法可精确地分辨标准太阳光谱AM1.5的吸收谷,且应用于AM0的拟合时获得小于±1.67％的光谱失配度.在工程实践中,该算法对快速、准确获得标准太阳光谱灯具有良好的指导意义.     

基于自适应差分进化算法的LED光谱匹配

为实现用单色发光二极管(LED)合成所需要的各种目标光谱,提出将自适应差分进化算法作为光谱匹配算法。以高斯修正模型表征单色LED的分布,基于均匀分布的LED,模拟了标准AM1.5太阳光谱和植被光谱,并采用相关指数和均方根误差作为评价标准。在此基础上,利用实验室现有的LED进行了实验验证,所提算法的拟合效果均比模拟退火算法和遗传算法好。实验结果表明,提出的自适应差分进化算法可自动设置参数,拟合效果好,可以被广泛应用于各种LED光谱匹配仿真实验和工程实践中。     

光谱分布可调光源的LED筛选研究

针对LED光谱分布可调光源对LED寿命以及光谱一致性的要求,对可见光和近红外波段的29种LED分别进行200 h的电流加速老化试验,并提出LED光谱一致性筛选算法。老化试验结果表明:峰值波长为385 nm、400 nm 和420 1 nm 3种LED的辐射通量平均衰减分别为24.8 %、10.7 %和25.6 %,不能用于LED光谱分布可调光源;剩余的26种LED的辐射通量平均衰减量均低于3.5 %,可作为光谱分布可调光源的内部光源。LED光谱一致性筛选算法以LED光谱数据为基础,计算同类LED间的相对光谱偏差,26种LED的相对光谱偏差均小于4.5 %,保证了所筛选出LED的光谱一致性。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

紫外波段高光谱太阳参考光谱时变模型研究

太阳参考光谱是星上辐射定标和波长定标的基准。太阳活动周期内,太阳辐照度光谱幅值存在周期性波动,紫外波段光谱幅值变化达10%以上,相对于3%的星上绝对定标需求,太阳的时变特性不可忽略。针对不同分辨率和采样率的太阳参考光谱,首先研究了插值间隔和卷积间隔对计算MgII参数的数值影响,通过分析比较后选择合适的插值、卷积间隔,并基于Climate和SORCE的MgII参数时间序列完成太阳周期性变化建模。然后选择2003年8月21日至2012年4月15日期间80组数据,每组包含2个不同日期的不同波长的辐照度光谱幅值和MgII值,针对该80组数据使用一阶拟合取代比值方法计算得到转换因子,将不同日期的太阳参考光谱幅值修正到同一日期并与实际观测真值比较;结果表明了一阶拟合与比值方法相比有着更高的反演精度及预测精度。最后,基于一阶拟合转换因子和MgII参数时间序列对现有光谱进行时间和格式归一化,通过分波段筛除偏离较大光谱数据的方法构建了2008年6月25日,分辨率为1 nm、采样率为0.1 nm的太阳参考光谱。原有的12条光谱经过筛除后,留下全波段均位于中位的光谱6条,所构建的光谱同筛选出的6条光谱平均值相比,绝对误差在0.982%以内。所构建的光谱可以通过MgII参数时间序列和转换因子计算得到任意日期下的光谱。针对该参考光谱利用KNMI高光谱进行分辨率和采样率提升,最终基于我国计划发射的风云三号紫外高光谱臭氧探测仪(OMS)在轨观测和星上定标需求,构建得到了波长范围250～500 nm,分辨率0.1 nm,采样率0.01 nm的太阳参考光谱。     

基于单色LED补偿白光LED技术的模拟太阳光谱研究

提出一种基于单色LED补偿白光LED技术,模拟日光在可见光范围内的光谱。实际调研了大功率单色LED现状,采用光子在二维空间内联合态密度函数作为单色LED的光谱辐射模型,建立LED模拟仿真数据库。通过求解超定方程组的非负最小二乘解,优化选择不同峰值波长以及半高宽的单色LED与白光LED组合,实现对目标光谱的匹配及太阳光谱的再现。对比研究了白光LED补偿技术和纯单色LED组装技术,并分析了不同种类LED组合对太阳光谱的模拟情况。结果表明,白光LED补偿技术拟合太阳光谱相关指数达到90.74%,优于纯单色LED组装技术。并且当单色LED种类减少时,白光LED补偿技术相比纯单色LED组装技术可以实现更好的模拟效果。该方法对实现基于LED类日光照明具有较好的指导意义。     

两种荧光粉混合涂覆的白光LED的光谱方程的建立

为了有效地模拟两种荧光粉混合涂覆的白光LED的发光光谱,选用了硅酸盐系列的绿色荧光粉与高显粉系列的红色荧光粉,应用英国Edinburgh FLS920P型荧光光谱仪,对绿色荧光粉与红色荧光粉进行荧光光谱的实验测量,得到绿色荧光粉发射峰在527 nm,红色荧光粉发射峰在641 nm。配置浓度为7%~17%,比例为3∶1~3∶2的样本,共144个,应用杭州远方色谱有限公司的HAAS-2000高精度光谱辐射计测量LED发光光谱,最后处理数据,得到拟合函数,在这些函数的基础上构建出了光谱方程,该光谱方程是模拟两种荧光粉的浓度和比例的系统方法。为了较为准确的预测出两种荧光粉混合后涂覆于蓝光芯片的发光光谱,对于实验中的数据进行了三维曲面拟合,得出荧光粉的浓度与比例和绿修正系数与红修正系数之间的函数关系式。将得出的绿修正系数和红修正系数的函数关系式应用到光谱方程中,得出最终模拟白光LED发光光谱的一种新方法。并且用了两组的模拟光谱图与实验的光谱图进行对比,发现两种光谱图的吻合效果都较为良好。说明这种模拟白光LED的新方法确实可行,且预测的两种荧光粉混合后涂覆于蓝光芯片的发光光谱较为准确。该方法将具体的荧光粉的质量比和浓度与LED的发光光谱图联系了起来,而之前的大多数研究都是将光谱功率分布与LED发光光谱图联系起来,并未涉及到荧光粉的质量比与浓度。在建立了具体的光谱方程之后,可以在没有实验仪器和不做实验的情况下,根据两种荧光粉的质量比,以及与AB胶混合后的浓度直接得出最终的模拟白光光谱,可以摆脱实验仪器以及其他因素的限制。并且为制备具有特定光谱特性的白光LED提供了新思路,具有一定的实用价值。     

LED-based spectrally tunable light source with optimized f itting

According to the LED spectra measured in the rated current, Gauss distribution function and asymmetric Gaussian distribution function methods are used to simulate the individual LED spectrum. Based on this mathematical model, 32 LEDs are used to synthesize arbitrary spectral distribution of the light source. Processing the spectral data with multiple linear regressions, CIE illuminant A and CIE illuminant D65 are simulated. The results show that for each LED, different Gauss models should be used. The simulation results are quite satisfying. However, there is a difference between the simulation results and the experimental results. The spectral evaluation indices of fitted both CIE illuminant A and CIE illuminant D65 do not exceed 2.5%. But in experiment, because of the changes of the peak wavelength and the FWHM caused by the current, the spectral evaluation indices of fitted CIE illuminant A and CIE illuminant D65 are around 5%.     

新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配

为了有效降低胆红素脑病的风险和减少换血的需要,以实验测试的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为光疗的目标光谱,根据光谱构造理论,采用不同峰值波长和半高宽的单色LED作为匹配光源,首次提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,得到最优LED组合比例,进而推得所需各种峰值波长的LED的数量。仿真实验结果表明：拟合的光谱曲线与目标光谱曲线十分近似,光谱匹配度达到了98.39%,获得了一种新型的LED黄疸治疗仪光源光谱功率分布。该算法简单,效率高、拟合误差小,可应用基于LED光源的光谱功率分布匹配技术的研究。     

LED可变光谱光源的多光谱拟合反演研究

利用多个不同光谱的LED单元成功拟合出几种特征明显的常见标准光源光谱。重点研究了如何通过目标光谱的特性反向找到所需要的LED的频带分布和最小使用的LED数目,进而利用所得结果对原有拟合模型进行条件判别和改进。对一些实测的目标光谱进行了模拟仿真,取得了较为理想的结果。     

作用光谱模拟及萝卜高产栽培

通过叶片的反射光谱测量来研究萝卜的光合作用的作用光谱。在萝卜叶片的反射光谱中存在440，680nm两个吸收带和550nm反射带，表明该结果同光合作用的作用光谱一致。采用在高分子树脂中分散进荧光助剂、着色剂来模拟栽培作物的作用光谱并制成农膜，把这种农膜叫作光生态膜。从光生态膜的激发光谱和荧光光谱可以看到，光生态膜存在616，660nm两个发射带与作用光谱的680nm带重合，其激发带位于550nm与叶片的反射带重合，这样高效地利用太阳能并补充了红光照的不足。用这种光生态膜苫盖日光温室进行萝卜生产，产量提高了20.2%。     

Spectral and emission characteristics of LED and its application to LED-based sun-photometry

In recent years, light-emitting diodes (LEDs) have found applications in fields like space science instrumentation in addition to its use in illumination. Sun photometry is one of the techniques for measuring aerosol optical depth. Photometers generally consisting of an interference filter and a photo-detector, measures the intensity of radiation in the wavelength band of the interference filter. LED alone replaces both the interference filter and the detector and works as a spectrally selective photo-detector. The spectral response (extinction spectra) of LED is required to calculate the aerosol optical depth. In general, it is assumed that the emission spectra and spectral response should be same. It has been found experimentally that the emission spectra and spectral response are different. The peak wavelength at which the maximum emission occurs is found to be higher than the peak of the spectral response curve. The FWHM of both are also found to be different. A typical example of Langley plot obtained from the LED-based Sun photometer is shown and optical depth obtained with this is compared with the conventional Sun photometer.     

多光谱可见光通信信道串扰分析

在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.