颜色温度和相关色温的不确定度评定方法

颜色温度和相关色温是光源的重要参量。从色品坐标(u,v)到颜色温度和相关色温的计算过程比较复杂,很难依据国际标准化组织推荐的不确定度评定方法进行分析。介绍了从光谱辐射功率和色品坐标(u,v)的不确定度出发,按照国际标准化组织的推荐方法,得到更为科学合理的颜色温度和相关色温的不确定度评定方法。针对新的国家颜色温度副基准,分别采用基于数学模型的精确方法、近似方法和几何方法对其不确定度进行了评价,并与传统方法进行了比较。采用传统方法得到的计算结果偏高,这是因为传统的计算方法很大程度上基于实验和经验估计,没有将颜色温度的不确定度与光谱辐射功率和色品坐标(u,v)的不确定度之间建立明确的数学关联,在分析过程中存在对某一不确定度源进行重复计算的可能。所述的数学推导方法相对传统方法更为科学合理。     

光源相关色温与分布温度的实验分析

在国家色温基准改造课题中,通过光谱辐射测量法得到色温副基准灯的相对光谱功率分布,分别采用四种不同的算法计算出光源的相关色温以及分布温度。为了比较这些计算方法的差别,由相关色温和分布温度反算出相应的光谱功率分布,分析了与光源原始分布的偏差。对采用不同算法得到的色坐标进行了对比,进一步阐明了光源的分布温度与相关色温之间的区别和联系。     

弹载脉冲光源有效光强空间分布测量装置研究

研究了脉冲光源有效光强空间分布的Blondel-Rey法,采用复合梯形数值积分实现了瞬时光强的测量,并对高色温光源测量时的光谱失配校正进行了分析。构建了基于双反射镜同步测量原理的脉冲光源有效光强空间分布测量装置,详细分析了全空间分布式旋转平台、脉冲光强探测系统、光谱失配校正用高分辨率光谱仪等重点组成部件。采用高色温调制光源对测量装置进行了校准。最后,对该装置的测量不确定度进行了分析,其扩展不确定度可以达到3.0%。     

生物节律因子的调光计算

针对光生物效应重要性及复杂性问题,提出一种生物节律因子的调光计算方法。给定三通道LED工作在额定条件下的光谱分布就能够实现任意比例的混合光源的照度、相关色温、节律因子的便捷计算。实验选用三种色温白光LED组成三通道光源,基于脉冲宽度调制（PWM）原理进行三通道分时调光。在某一照明测试空间距离下,先测得单通道独立工作时的光谱分布,并通过调光计算方法得到三通道在任意比例下混合光源的理论照度、相关色温、节律因子;再测得三通道光源在不同混合比例下的实际照度、相关色温与节律因子。然后将理论与实际计算所得的照度、相关色温、节律因子进行比较,并分析误差。实验结果表明,照度、相关色温、节律因子的多条拟合直线与调光计算式所描述直线的斜率差异分别在6%、2%、3%以下,截距差异分别在2%、5%、3%以下。用显著性差异检验来检验实际节律因子与理论计算所得节律因子的正态分布特性,结果显示并无明显差异,表明在给定各LED光源光谱分布的情况下,调光计算方法不用通过测量混合光源光谱分布,便能快速有效地计算出混合光源照度、相关色温、节律因子。     

二分法优化计算LED光源相关色温

色温和相关色温是LED光源的重要参量.从原始光谱数据到色品坐标(u,v)再到色温和相关色温的计算过程相当复杂,需要一种优化算法来简化计算量.因此,从色温的色度学定义出发,简要分析了直接内插法、逐点法和甬数曲线拟合法三种色温计算的经典算法,并分别指出了它们的优缺点,在此基础上提出了二分法这种新的色温优化算法.详细介绍了二分法的基本思想、程序流程等.利用软件编程实现这几种算法,通过普朗克黑体辐射公式计算得到一系列色温的理论光谱和白光LED仪器实际测试光谱,对比二分法和各种经典算法的速度和结果,证明了二分法是一种适合于计算机程序化实现的高精度高速度的色温算法.     

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通过建立检漏结果不确定度的评定模型,应用蒙特卡罗方法对检漏数据进行随机模拟,获得了各输入量的随机样本,计算了检漏结果的不确定度,并与传统评定方法得到的不确定度进行了比较和分析。研究表明,两种方法计算得到的不确定度一致,说明蒙特卡罗方法可以作为评定氦质谱检漏结果不确定度的有效方法,且蒙特卡罗评定方法计算效率更高,应用范围更广。     

蒙特卡罗方法模拟评定氦质谱检漏不确定度

通过建立检漏结果不确定度的评定模型,应用蒙特卡罗方法对检漏数据进行随机模拟,获得了各输入量的随机样本,计算了检漏结果的不确定度,并与传统评定方法得到的不确定度进行了比较和分析。研究表明,两种方法计算得到的不确定度一致,说明蒙特卡罗方法可以作为评定氦质谱检漏结果不确定度的有效方法,且蒙特卡罗评定方法计算效率更高,应用范围更广。     

高显色指数LED合成白光光源的研究

针对目前白光发光二极管(LED)照明灯具显色性不高的问题,基于测色法研究了LED合成白光显色指数的计算模型,根据参与合成的LED光源光谱及其数量,软件编程计算得出合成光源的色温、显色指数等参数。采用优化的遍历范围,将实验测量得到的冷、暖白光及单色LED的光谱导入程序进行模拟计算,得到不同色温下合成光源的显色指数最大值以及所对应的各种LED配比数量。结果表明,暖白光LED与红、绿、蓝LED合成可以获得色温T_c介于3500 K~12300 K、显色指数R_a介于92.0~97.7的白光;与红、绿、青LED合成可以获得R_a介于95.0~97.8的低色温白光(3500 K~4500 K)。冷白光LED与红、绿、青LED合成可以获得R_a介于90.9~98.4的高色温白光(8200 K~13000 K)。对理论计算的T_c=7803 K、R_a=97.29的LED配比进行实际制作,实验测量得到T_c=7992 K,R_a=97.1,理论计算结果与实验结果吻合。     

基于蒙特卡罗法的平面度测量不确定度评定

形位误差的测量不确定度评定是目前测量领域研究的热点;但由于其测量的复杂性和测量结果评定的多样性,导致在实际测量结果中形位误差测量的不确定度评定成了难题;为此,根据形状误差评定准则,选取最小二乘法建立数学模型,确定形状误差数学模型中各参数值的传递系数和单点不确定度,并分析具体的测量方法和测量过程中的不确定度来源,根据传统的GUM法对其进行不确定度评定;然后采用蒙特卡罗伪随机数的方法来模拟实际测量数据,从而得到平面度误差的不确定度;通过设置实验对比,验证了蒙特卡罗法评定平面度不确定度的可靠性和准确性;该方法不需要求出数学模型中的传递系数,利用MATLAB软件很容易实现,为平面度误差测量结果不确定度评定提供了更加简便的方法,值得推广和应用。     

X射线二极管阴极灵敏度测量及其不确定度分析

 在北京同步辐射装置上,利用经过标定的硅光二极管作为标准探测器,对金、铝两种阴极的X射线二极管灵敏度进行了绝对测量。由于光源中二次谐波的影响,会造成计算所得的灵敏度降低。为了消除二次谐波的影响,实验中采用透射光栅对光源的二次谐波份额进行测量,并以此为依据对计算所得的灵敏度进行修正。通过光阴极次级电子发射模型对二次电子转换效率进行了分析,并且利用分析结果对缺省能点的阴极灵敏度进行了计算。同时对影响灵敏度计算的各种因素进行分析,最终得到的X射线二极管光阴极灵敏度的相对不确定度小于3%。     

基于混合光源的星模拟器光谱研究

提出了一种基于氙灯和卤钨灯混合光源的星模拟器光谱模拟方案.采用氙灯和卤钨灯组成宽光谱光源灯阵,并通过色温模拟与控制模块后射入积分球,为星模拟器提供理想光源,模拟出与特定色温3 900K,4 800K,6 500K相近的光谱曲线.通过对标准黑体光谱曲线的仿真,计算出滤光片各个微小波段最优透过率,并对微小波段区间的透过率进行区间合并处理,得到满足设计指标要求的滤光片透过率,实现对特定色温光谱曲线的模拟.仿真结果表明,采用本文方案能够满足微小波段匹配模拟误差在10%以内,用相对面积法验证匹配误差在4%以内,从而为星模拟器模拟特定色温的光谱曲线提供有效的方法.     

光源光谱对标志逆反射系数的影响

以光源发射光谱和逆反射材料光谱反射率曲线为基础,通过数据拟合的方式研究了多种光源照射条件下材料逆反射系数的相对关系及其变化趋势。在已有标准A光源测试系统基础上,分别测试氙灯、卤素灯、不同色温白光LED光源发射光谱和红、黄、白、绿、蓝五种逆反射材料的光谱反射率曲线,并通过拟合计算得到同一材料在不同光源照射条件下的相对逆反射系数修正因子。分析结果表明,在可见光范围内具有连续光谱反射率曲线分布的白色材料逆反射系数数值受入射光源光谱变化较小,而单色材料逆反射系数受入射光源光谱差异影响较大,且呈现不同的变化趋势：以卤素光源入射条件下材料逆反射系数测试结果为基础值,不同色温的白光LED、氙灯光源对红色和黄色材料逆反射系数具有正增益效果,且随着光源色温的升高,红色和黄色材料逆反射系数呈下降趋势,降幅最高分别达到47.7%和4.9%;绿色和蓝色材料逆反射系数呈上升趋势,涨幅最高达到16.5%和28.9%。     

落球法测液体粘滞系数的不确定度推算

根据"测量不确定度"理论推导落球法测量液体粘滞系数不确定度的传递公式。对形式复杂的不确定度传递公式作简化处理;实验数据计算表明:简化后的不确定度估算方法更加方便、快捷且可操性强。     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标,研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法,通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法,研制了绝对辐射定标装置,校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值,实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

光谱仪测量窄带宽光源光谱分布的七点修正法

针对光谱仪在测量窄带宽光源的光谱分布时出现的光谱变形现象,提出了一种带宽修正方法—七点修正方法。首先,利用泰勒级数和相关的导数公式,得到了七点修正公式的数学解析式;其次,用光谱线型为正弦函数的模拟光谱对七点修正法进行验证,采用正弦函数来模拟真实光谱,通过光谱仪的带宽函数计算出测量值,然后应用七点修正公式,对测量值进行修正;最后利用中心波长为365 nm的LED光源对七点修正法进行了实验验证,用双光栅单色仪来测量LED光源的光谱辐射照度,光谱仪带宽分别选为5与0.5 nm,将七点修正公式应用于测量值,得到修正值。模拟结果表明： 在选定的模拟条件下,修正后得到的中心波长处的峰值可以达到真实值的99%以上;实验结果表明： 修正后中心波长处的峰值可以达到真实值的95%以上。由模拟结果和实验结果可知,七点修正法与三点修正法和五点修正法相比,修正效果有明显提升,这种带宽修正方法可以广泛应用在光谱测量领域。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

基于贝叶斯理论的ATS测量不确定度评定

从自动测试系统(ATS)的组成机理出发,提出一种ATS测量不确定度评定方法。其基本过程是首先基于测量信号路径,建立相应的测量链;其次,计算各个传递单元的不确定度,静态测量、动态测量分别选用贝叶斯信息融合法和贝叶斯预测法进行评定;最后,利用蒙特卡罗(MC)法计算各链的合成不确定度。通过某ATS中具体的测量链作为实例,重点分析了动态测量不确定度评定过程中遇到的不同情况及解决办法。实验表明,较其它常用评定方法,该法评定ATS静态测量得到的结果更接近理论值,不确定度变化小,评定动态测量得到结果更符合ATS动态特性且精确度高。     

浑浊介质中近红外漫反射光谱测量灵敏度解析

在采用近红外漫反射光谱对浑浊介质中的物质浓度做定量分析时,物质浓度测量的灵敏度与所选的光源-检测器位置有较大的关联。解析了物质浓度测量的灵敏度随光源-检测器距离变化的曲线特点,给出了三个特殊位置:灵敏度全局极大位置、灵敏度为零的位置和灵敏度局部极大的位置。以葡萄糖在某浑浊介质溶液(含血红蛋白、白蛋白的Intralipid溶液)中的测量为例,从扩散方程、蒙特卡罗模拟、漫反射光谱测量实验三方面,均验证了灵敏度曲线中存在的这三个特殊位置。另一方面,考虑到近红外光源的稳定性、铟镓砷检测器的量子效率与系统噪声等因素的限制,采用仪器的信噪比作为另一个客观指标,对实际测量可得到的灵敏度进行了评价。综合灵敏度曲线的特点和仪器的实际测量水平,给出了测量葡萄糖的最佳位置,可实现最优的测量灵敏度与测量精度。采用优化后的测量位置,葡萄糖的测量灵敏度可提高10倍以上。测量葡萄糖灵敏度的研究对人体组织中的无创血糖检测有较好的参考价值,同时,对漫射光谱灵敏度的解析方法可被借鉴于其他物质的近红外漫反射光谱测量位置的优选。     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性|且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层的积分球出射光的光谱分布、色坐标和色温.结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响特征相同,表现在色度上是色坐标(x,y)增大,色温降低.其中聚四氟乙烯积分球非中性较小,其出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20 K和70 K|而硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300 K和1 000 K,非中性影响明显.     

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。