基于CIE天空模型计算任意时间天空亮度分布

掌握任意时间天空亮度的分布情况是充分利用自然光、实现智能照明的基础。以国际照明委员会(CIE)15种天空类型及其给出的天空亮度计算公式为基础,对天空亮度计算公式中各个参数的计算方法进行了研究。使用这一计算方法,只需知道当地的经纬度、日期以及当前天空属于哪种天空类型,就可计算出其任意时间的天空亮度分布。从已有的可靠的天空亮度分布实测数据出发,将天空亮度分布的计算值与实测值进行比较,分析了计算值与实测值之间的误差。结果表明,通过计算得出的天空亮度分布数据能较好地与实测数据相吻合,因此可以用天空亮度分布的计算值代替实测值作为节能调光的重要数据。     

同时实现路面照度与亮度均匀性的LED光源光学系统研究

对于道路照明,人眼观察到的是路面的亮度而并非路面照度。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。从发光二极管(LED)道路照明中路面亮度与照度的关系出发,提出了一种基于路面反射特性同时实现路面照度与亮度均匀性的设计方法。首先根据国际照明委员会(CIE)标准给出的简化亮度系数表计算路面上所有点的亮度系数;然后利用最小二乘法对路面照度和亮度同时进行分析,得到路面最优照度分布;最后采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,根据目标照度分布进行三维自由曲面光学系统设计,得到实现路面照度均匀与亮度均匀的光学透镜。将此设计应用于双车道的C1路面,实现了路面93.47%的照度均匀度,各车道观察到的路面总亮度均匀度为86.94%和89.26%。     

基于天空模型的公共场所照明智能控制

公共场所照明具有全天候、多应用、能耗大的特点。掌握任意时间的天空亮度分布情况是充分利用自然光、实现智能照明的基础。基于国际照明委员会（CIE）给出的天空亮度计算公式,建立自然光对公共照明区域产生的天空照度模型。引入数学和光学相关原理建立公共场所人造光和自然光的混合模型。利用改进蚁群算法求解模型,得出最佳的灯具亮度组合,实现舒适和及节能的综合最优。最后,选择典型的大跨度带天窗建筑物为采光对象,用实验仿真验证策略的有效性。     

不同观察者锥细胞响应的同色异谱性能差异测试分析

为了研究不同年龄色觉正常观察者在不同观察条件下的锥细胞光谱响应差异,在CIELAB颜色空间选择了均匀分布的9个不同色调的颜色,组织27～35名观察者开展了两种不同光源照度和两种不同观察视场的四种观察条件下,基于显示色-打印色的颜色匹配实验。通过配色实验采集到不同观察者匹配颜色的光谱数据,与9个目标色的光谱数据计算、比较,以匹配的9个颜色最小平均CIEDE2000色差值出现的概率大小作为评价标准,检验CIE1931,CIE1964,CIE2006,Sarkar(S1～S8)共11种颜色匹配函数的表现,研究不同观察者锥细胞响应的同色异谱性。结果表明在四种不同实验条件下,表现最好的配色函数依次是CIE2006,S6,表现最差的是S1和S2。不同观察者的锥细胞响应同色异谱性差异较大,年龄因素对观察者的锥细胞响应的影响也较为明显。(λ)通道的光谱响应差异是造成不同观察者存在同色异谱现象的主要原因,大多数观察者的差异性主要集中在(λ)通道的峰值波长响应,峰值波长的位移对颜色匹配的结果影响不大。实验结果可为进一步划分不同观察者的颜色匹配函数,研究不同观察者的同色异谱性提供数据支持和理论依据。     

非序列光线追迹程序照度分布计算的随机误差分析

以点光源在平面上产生的照度分布为基准,研究了非序列光线追迹程序计算照度分布时的随机误差.结果表明,随机误差和计算面上网格的划分方式无关,和各网格内光线条数的平方根成反比.给出了网格内光线条数与随机误差之间的关系公式.根据该公式,为了使结果的标准差优于2%,则单个网格内的光线条数需要大于1 000条.根据具体计算目标,合理选择网格划分方法及追迹光线条数才能获得合理的计算结果.     

天空光和太阳光的颜色问题

本文运用物理学、大气物理学和色度学的理论，对天空和太阳的颜色成因作了较深入的论述和证明。首先根据分子散射理论、米氏散射理论和色度学原理，利用计算机对晴朗天空和不同太阳天顶距时太阳的颜色进行了定量计算，得到了与实际观测相符的结果；其次对不同垂直高度天空的颜色也进行了计算，并从眼睛的视觉规律予以解释；最后对臭氧、雾和霾的影响以及天空光的亮度和色纯度的变化也作了简要介绍。     

用于LED广告灯箱的自由曲面大角度透镜设计与仿真

基于能量守恒定律和网格划分法,设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜,其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系,对光源和目标面进行网格划分,并结合折射定律,迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明:短轴与长轴的比值在0.35~0.55时,出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化,重新划分网格,使叠加部分光照度减弱,提高了整体光照均匀性.仿真结果表明:仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化,在目标面高度为80mm,透镜出光角度为157°时,优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84,出光效率大于0.9.     

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LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

融合遗传算法的多域值分块低照度图像增强算法

针对低照度图像对比度低、细节模糊等问题,提出了融合遗传算法的多域值分块低照度图像增强算法.通过遗传算法寻找输入图像亮度通道的最优分割阈值,根据得到的阈值,将亮度通道划分为多个不同曝光级的子图.通过多阈值分块增强算法对所有子图进行评估,根据评估结果调整每个子图的亮度.最后使用多尺度融合方法将输入图像细节信息融合到亮度增强...     

基于双向反射分布函数的卫星表面光散射研究

基于双向反射分布函数(BRDF),从太阳辐射理论出发,分析了表面漫反射率与入射波长的关系,卫星、太阳及观测站三者的相互位置关系.推导了卫星表面为朗伯表面和以BRDF模型为基础的随机粗糙表面的散射光照度表达式.然后以FY-1D卫星为例,计算了一段观测时间内,卫星地面照度值和视星等值的变化情况.最后比较了这两种条件下的地面...     

Scattering of Radiation of the Sun and the Sky from Two Dimensional Rough Sea Surfaces

The scattering of optical wave from two dimensional rough sea surfaces is studied first with method of facets. The sea surface is divided into many facets, and each facet is treated as a surface with small roughness instead of a smooth plane, therefore more practical and effective. In addition the shadowing function of sea surfaces for arbitrary incident and scattering angles is numerically calculated with the Z-BUFFER method, which applies to any kinks of rough surfaces compared with the methods available. Finally the spectral irradiance of the sun and the spectral radiance of the sky for different time at sea level with fine weather are obtained with the software of Lowtran7, and the scattering of the radiation of the sun and the sky from two dimensional rough sea surfaces for different time, waveband and wind speed is studied, which is of great reference value for reducing the interference to the infrared detector due to the scattering of the radiation of the sun and the sky from sea surfaces.     

Computation of Near Sea Target Scattering from Complex Background Radiation

The background radiation contribution is an important component of target scattering characteristics. A study is made on target scattering characteristics from complex background radiation, with contributions of the sun and the sea and sky background and that among each components of target. In this paper, the shadowing function of sea surface is numerically calculated by using the Z-BUFFER shadowing elimination algorithm, and the scattering of each facet of sea surface and target from the sun and the sky background infrared radiation is computed based on the rough surface scattering model as well as the infrared self-radiation of the sea surface. Finally, a numerical calculation of the forward and backward radiance of a near-sea circular cylinder scattering from the sun, the sea and sky background infrared radiation of near sea target and the infrared self-radiation of the target skin have been made. The results show the important influences of each contribution on target scattering from the sea and sky background radiation in 3-5 m and 8-12 m bands.     

气溶胶垂直非均一分布对天空背景亮度的影响

对白天天空背景亮度进行了数值实验;模拟了不同标高下的气溶胶垂直分布对天空背景亮度的影响;比较了不同垂直分层和整层均匀气溶胶分布下,天空背景亮度的相对偏差,并分析了天空背景亮度对地表反射率的敏感性。结果表明:给定气溶胶光学厚度下,不同标高的垂直分布得到的天空背景亮度差别很大;天空背景亮度对地表反射率和气溶胶总光学厚度都比较敏感,敏感程度受太阳-观测几何的影响。     

零视距地物长波红外特征场景仿真研究

为仿真地物长波红外场景图像,根据地表温度随时间变化的规律,并结合气象状况、背景材质、热特性参量、热状态等参数,在对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度和地表热传导等影响地表温度变化的因素进行分析的基础上,建立了基于热平衡理论和热传导过程的方程。解算出多种常见地表一日之中的温度变化情况,并将其应用于由相同景物可见光纹理图像反演出的相应红外纹理图像中。在考虑景物表面自身发射、反射的辐射计算模型的前提下,生成了具有相似红外纹理细节的地表红外场景。结果表明,该方法可生成接近真实感的红外场景,有效地模拟仿真地物的长波红外特征。     

基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱的自动识别系统。文章给出了一种基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成：(1) 利用小波变换的方法对观测光谱进行谱线特征提取;(2) 将提取出的特征和恒星谱线的特征模板进行相关匹配;(3) 根据相关匹配结果进行恒星光谱识别。通过对Sloan Digital Sky Survey (SDSS),Data Release Four (DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,该方法具有对噪声鲁棒等特点,正确识别率高达96.7%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求,可为天文学家进行恒星和银河系的结构等研究提供帮助。     

晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型

 利用大气光学质量和大气气溶胶光学厚度的经验公式,由HITRAN数据库获得大气分子谱线参数,基于辐射传输方程,给出了晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型。根据该近似计算模型对晴朗无云天空光谱辐射亮度进行的计算结果表明：天空光谱辐射亮度曲线上存在明显的O₂和H₂O吸收线;晴朗无云天空辐射的光谱分布偏蓝,天空亮度主要集中在短波段部分;太阳角小的天空光谱亮度出现“红移”现象;由于大气厚度变大,近地平的天空辐射亮度较大。     

X射线荧光光谱测定地质样品中27种组分分析结果不确定度的评估

建立了一种X射线荧光光谱分析方法分析结果不确定度的评估模式。以大量有可靠值的硅酸盐类地质样品的偏振能量色散X射线荧光光谱的分析结果为研究对象,对27个组分分别采用浓度分段,分别评估不同浓度段内各个组分分析方法精密度引入的相对不确定度(n=6,一个浓度段内各水平相对标准偏差的平均值)和准确度引入的相对不确定度(一个浓度段内各个水平的相对偏差的相对标准偏差),依据误差传递理论,合成精密度和准确度分别引入的相对不确定度得到总的相对不确定度。这种基本模式可以解决一定浓度范围内常规大量类似基体未知地质样品不确定度评估难的问题,不必对每个未知样品的分析结果都进行不确定度的评估,可以从这种模式统计的结果中给出不确定度的值。这种评估模式是一种基本的具有实际应用价值的统计模式,可以为后续的不确定度评估的函数模式的建立提供有力的基础。但是该不确定度评估模式涉及的有可靠值的样品数量较多,难以简单应用到其他基体样品分析结果的不确定度评估。争取以本研究为基础尽快建立一种合理的数理统计函数模式以适用于不同类型样品X射线荧光光谱分析结果不确定度的评估。     

Modeling the infrared radiance of rough sea surface in the infrared windows: 3-5 μm and 8-12 μm

The general formulations for spectral directional emissivity and spectral bi-directional reflectivity are analyzed by using Fresnel's formula and Snell's law in rough sea surface which is simulated by wave facets, whose slopes are changing according to the isotropic Gaussian distribution with respect to surface wind. Then, shadowing effect is taken into account in both emission and reflection of sea surface. On this basis, the mathematic expression is obtained for spectral radiance of rough sea surface, in which the radiance of rough sea surface is considered as a composition of self-emission, reflection of sky and reflection of sun. Finally, calculations for infrared radiance of rough sea surface in bands of 3-5 μm and 8-12 μm are given to illustrate their significant different, which are caused mostly by the dispersion of sun radiation.     

基于辐射传输理论和分形理论的云场景仿真

 基于云的边缘特征和天空亮度分布特征，对有云天空场景的仿真方法进行了研究。分析了云对天空亮度影响，并据此提出了一种基于分形原理的云场景仿真方法。通过辐射传输理论，给出了有无云天空的光谱亮度分布计算方法。在分析了云边缘具有自相似分形特征基础上，利用有云天空亮度分布特征、二次随机法和分形几何的Diamond-Square算法设计了云纹理生成算法。利用混合修正δ-Eddington近似计算出了观察视场2°×2°内640×480单元的2维天空亮度数组。利用该理论模型得到有云天空的2维亮度数组，并用VC++实现了云场景的动态仿真，得到了较为逼真的结果。