透射式能见度仪定标用光源系统研究

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透射式能见度仪在气象预报、气候变化监测和大气污染治理等领域具有应用价值。目前,由于缺乏符合世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)对能见度定义的2700K色温白炽灯光源,导致定标后透射式能见度仪存在测量结果无法溯源到气象光学视程(Meteorological Optical Range,MOR)定义,已成为制约透射式能见度仪发展的技术瓶颈,为此,本文开展了透射式能见度仪定标用光源系统研究,确定光源系统总体方案,设计光源光学系统,提出光谱模拟与误差修正方法,以实现满足国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)观测要求的光谱模拟。论文的研究可为符合MOR定义的透射式能见度仪定标提供技术支撑,对完善透射式能见度仪定标与溯源体系具有重要意义。基于数字微镜(Digital Micromirror Devices,DMD)光谱调制与模拟技术,提出了一种透射式能见度仪定标用光源系统总体设计方案,优化设计了分光系统和匀光准直光学系统,仿真结果表明,分光系统光谱分辨率为1nm,匀光准直光学系统在有效辐照面φ80mm范围内辐照均匀性为99%,出射光束发散角为2°,实现了2700K色温白炽灯光谱分布的模拟和平行光束出射。光谱模拟单元的精确拟合是光谱模拟的前提和手段,为此,研究了光谱模拟单元的确定方法,仿真分析了光谱模拟单元的偏态性质,基于实测的光谱模拟单元分布,提出了一种Bigaussian、Asym2Sig和ECS三种函数组合的光谱模拟单元拟合方法,并与传统的Gaussian拟合方法进行了光谱模拟比对实验,结果表明,光谱模拟精度得到了提高。为提高2700K色温白炽灯光谱模拟精度,仿真分析了影响光谱模拟误差的主要因素,提出了一种基于误差极值调节的光谱模拟误差修正方法,以局部波段为例实验验证了该方法的可行性;在此基础上对定标光源系统的光谱模拟精度进行了测试,结果表明,在380nm到780nm波段范围内2700K色温白炽灯光谱模拟最大误差为6.2%,相比于修正前,光谱模拟误差降低了4.06倍,以此验证了光谱模拟误差修正方法的正确性和定标光源系统的可行性。
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