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一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法技术

技术编号:15538463 阅读:141 留言:0更新日期:2017-06-05 07:14
本发明专利技术公开了一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法,涉及自动控制技术,包括以下步骤:1)入射光强度粗测;2)光谱仪总体输出最大值确定;3)光谱仪总体输出分解;4)光谱仪最佳曝光时间t

【技术实现步骤摘要】
一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法
本专利技术涉及自动控制技术,具体涉及一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法。
技术介绍
极地凭借其自身丰富的战略资源以及独特的战略地理位置,吸引了全球各国将其作为本国重点国家发展战略。极地地区所拥有的大量海冰,鉴于其对于极地海洋生态系统、极地上层海洋过程、大气-海冰-海洋相互作用以及全球气候变化等方面均具有重要意义,因此成为极地研究的热点。有研究表明在过去的几十年中北极海冰正发生着显著的变化,海冰覆盖范围和面积均显著减小,多年冰大量融化,取而代之的是更多的一年冰,而造成这种变化很重要一个原因是太阳辐射。因此针对海冰环境下太阳辐射变化情况的长期原位测量是十分重要的。长久以来,针对极地海冰环境太阳辐射的数据十分缺乏,长期连续数据更是没有,这其中主要原因是极地环境十分恶劣,在北极海冰环境下,环境温度变化范围很大,最低温度能够低至-40℃,该温度已经大大低于包括光谱仪在内的绝大部分光学传感器的最低允许使用温度,同时非常接近绝大部分电子元器件的允许使用温度下限。因此用于极地海冰环境太阳辐射强度测量的光谱仪必须进行特殊温度相关性研究校正,方能保证测量结果的正确、有效,而该方面是目前市场上绝大部分商用光谱仪无法做到的。此外,极地海冰环境下,太阳辐射强度在时间和空间上变化都很大,为太阳辐射强度的长期连续测量带来了非常大的挑战。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的缺点,目的在于提出了一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法,提高光谱仪对环境温度的适应性,最大程度上的消除由于外界温度变化与入射光强度变化所造成的测量误差,扩大了观测系统的有效工作区间,使得系统能够自动适应外界辐射强度与温度的变化进行精确测量。为实现上述目的,本专利技术所采用的技术方案如下:一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法,所述方法包括以下步骤:(1)光谱仪接受外界入射光信号,同时通过光谱仪自带的温度传感器测量得到外界环境温度T,设定光谱仪曝光时间为t,获得对应于此入射光信号的光谱仪总体输出M(T,t);(2)根据得到的光谱仪总体输出M(T,t),利用递归算法,得到光谱仪总体输出数据中的最大值以及相对应的像素值;(3)对所述光谱仪总体输出M(T,t)进行分解,得到偏置电压Mdoff(T)、暗电压Mddk(T,t)和信号输出Ms(T,t),其中,Ms(T,t)=M(T,t)-Mdoff(T)-Mddk(T,t);(4)确定最佳曝光时间标准,同时通过线性差值方法计算最佳曝光时间top;(5)将光谱仪的曝光时间设置为top进行测量,得到测量结果(也即总体输出)。进一步的,所述步骤(3)中对所述光谱仪总体输出M(T,t)进行分解,包括以下步骤:(1)将总体输出M(T,t)分为两个部分,即暗输出Md(T,t)和信号输出Ms(T,t),其中暗输出Md(T,t)由偏置电压Mdoff(T)和暗电压Mddk(T,t)两部分组成;(2)基于线性插值和光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T),对偏置电压Mdoff(T)进行估算;(3)基于线性插值和暗电压校正数据Mddk_c(T,t),对光谱仪暗电压Mddk(T,t)进行估算;(4)通过测量得到的总体输出M(T,t)减去上述两部分估算得到的偏置电压Mdoff(T)和暗电压Mddk(T,t),得出信号输出Ms(T,t)。进一步的,所述步骤(2)中光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T)和步骤(3)中暗电压校正数据Mddk_c(T,t)均通过实验所得,实验步骤如下:(1)在-50~45℃间每隔5℃设定一个固定测量温度点,并且在每个测量温度点均等待光谱仪内部温度完全稳定之后再进行测量,同时将光谱仪设定为高增益模式;(2)设定曝光时间从1ms分15步逐渐增加到40s,分别设定为1,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,10000,20000,30000,40000;(3)完全遮盖光谱仪光纤入口,保证在没有任何光线进入到光谱仪内部的情况下,测量各个温度点下光谱仪对应于整个可见光波段的暗输出Md(T,t);(4)对步骤(3)中所得暗输出数据进行线性拟合,可以得到在不同温度下,暗输出Md(T,t)与曝光时间t的线性曲线图;由于偏置电压Mdoff(T)与曝光时间t无关,Mddk(T,t)与曝光时间t呈正比关系,因此可知曝光时间为0时的暗输出Md(T,t)即为偏置电压Mdoff(T),也即线性曲线图中的截距,且该偏置电压Mdoff(T)就是在温度T下的光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T);同时也可知线性曲线图中的斜率即为暗电压Mddk(T,t),且该暗电压Mddk(T,t)也就是在温度T下的光谱仪暗电压校正数据Mddk_c(T,t)。进一步的,所述步骤(2)对偏置电压Mdoff(T)进行估算的步骤如下:(1)选取两个校正温度T1和T2,两个校正温度T1和T2满足关系式:-50≤T1≤T≤T2≤45,得到对应于T1和T2的光谱仪偏置电压校正数据分别为Mdoff_c(T1,t)和Mdoff_c(T2,t);(2)基于线性插值理论可得对应于环境温度T的偏置电压Mdoff(T),计算方法如下:进一步的,所述步骤(3)对暗电压Mdoff(T)进行估算的步骤如下:(1)选取两个校正温度T1和T2,两个校正温度T1和T2满足关系式:-50≤T1≤T≤T2≤45,得到对应于T1和T2的光谱仪暗电压校正数据分别为Mddk_c(T1,t)和Mddk_c(T2,t);(2)基于线性插值理论可得对应于环境温度T的暗电压Mddk(T,t),计算方法如下:进一步的,所述步骤(4)中确定最佳曝光时间top标准如下:在任意工作温度T(-50~30℃)下,当光谱仪工作在最佳曝光时间top时,其总体输出大致为线性最大值Mmax(T)的80%,也即Mmax80(T);当top的数值等于40s(光谱仪最长曝光时间)时依然无法使得总体输出等于Mmax80,那么选择top等于40s。进一步的,所述步骤(4)计算最佳曝光时间top的步骤如下:(1)选取两个校正温度T1和T2,两个校正温度T1和T2满足关系式:-50≤T1≤T≤T2≤45,查80%线性输出最大值校正数据Mmax80_c(T)表得到对应于T1和T2的80%线性输出最大值Mmax80_c(T1)和Mmax80_c(T2);(2)基于线性插值理论可得对应于环境温度T的光谱仪Mmax80估计值Mmax80(T),计算方法如下:(3)将步骤(2)所得的Mmax80(T0)代入公式M(T,t)=Mdoff(T)+a(T)t+b(T)t中,可得:其中a(T)和b(T)分别表示在温度T下光谱仪暗电压和信号输出随曝光时间的变化率,a(T)和b(T)在数值上分别与对应于温度T和曝光时间t的暗电压Mddk(T,t)和信号输出Ms(T,t)相等。(4)将步骤(3)所得的top与40相比,当top≤40时,top的值保持不变;反之,当top>40时,则取top等于40。进一步的,所述80%线性输出最大值校正数据Mmax80_c(T)表为实验所得,实验步骤如下:(1)在-50~45℃间每隔5℃设定一个固定测量温度点,并且在每个测量温本文档来自技高网...
一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法

【技术保护点】
一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)光谱仪接受外界入射光信号,同时通过光谱仪自带的温度传感器测量得到外界环境温度T,设定光谱仪曝光时间为t,获得对应于此入射光信号的光谱仪总体输出M(T,t)。(2)根据得到的光谱仪总体输出M(T,t),利用递归算法,得到光谱仪总体输出数据中的最大值以及相对应的像素值。(3)对所述光谱仪总体输出M(T,t)进行分解,得到偏置电压Md

【技术特征摘要】
1.一种适用于寒冷环境下的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)光谱仪接受外界入射光信号,同时通过光谱仪自带的温度传感器测量得到外界环境温度T,设定光谱仪曝光时间为t,获得对应于此入射光信号的光谱仪总体输出M(T,t)。(2)根据得到的光谱仪总体输出M(T,t),利用递归算法,得到光谱仪总体输出数据中的最大值以及相对应的像素值。(3)对所述光谱仪总体输出M(T,t)进行分解,得到偏置电压Mdoff(T)、暗电压Mddk(T,t)和信号输出Ms(T,t),其中,Ms(T,t)=M(T,t)-Mdoff(T)-Mddk(T,t)。(4)确定最佳曝光时间标准,同时通过线性差值方法计算最佳曝光时间top。(5)将光谱仪的曝光时间设置为top进行测量,得到测量结果(也即总体输出)。2.根据权利要求1所述的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述步骤(3)中对所述光谱仪总体输出M(T,t)进行分解,包括以下步骤:(1)将总体输出M(T,t)分为两个部分,即暗输出Md(T,t)和信号输出Ms(T,t),其中暗输出Md(T,t)由偏置电压Mdoff(T)和暗电压Mddk(T,t)两部分组成;(2)基于线性插值和光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T),对偏置电压Mdoff(T)进行估算;(3)基于线性插值和暗电压校正数据Mddk_c(T,t),对光谱仪暗电压Mddk(T,t)进行估算;(4)通过测量得到的总体输出M(T,t)减去上述两部分估算得到的偏置电压Mdoff(T)和暗电压Mddk(T,t),得出信号输出Ms(T,t)。3.根据权利要求2所述的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述步骤(2)中光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T)和步骤(3)中暗电压校正数据Mddk_c(T,t)均通过实验所得,实验步骤如下:(1)在-50~45℃间每隔5℃设定一个固定测量温度点,并且在每个测量温度点均等待光谱仪内部温度完全稳定之后再进行测量,同时将光谱仪设定为高增益模式;(2)设定曝光时间从1ms分15步逐渐增加到40s,分别设定为1,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,10000,20000,30000,40000;(3)完全遮盖光谱仪光纤入口,保证在没有任何光线进入到光谱仪内部的情况下,测量各个温度点下光谱仪对应于整个可见光波段的暗输出Md(T,t);(4)对步骤(3)中所得暗输出数据进行线性拟合,可以得到在不同温度下,暗输出Md(T,t)与曝光时间t的线性曲线图;由于偏置电压Mdoff(T)与曝光时间t无关,Mddk(T,t)与曝光时间t呈正比关系,因此可知曝光时间为0时的暗输出Md(T,t)即为偏置电压Mdoff(T),也即线性曲线图中的截距,且该偏置电压Mdoff(T)就是在温度T下的光谱仪偏置电压校正数据Mdoff_c(T);同时也可知线性曲线图中的斜率即为暗电压Mddk(T,t),且该暗电压Mddk(T,t)也就是在温度T下的光谱仪暗电压校正数据Mddk_c(T,t)。4.根据权利要求2或3所述的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述步骤(2)对偏置电压Mdoff(T)进行估算的步骤如下:(1)选取两个校正温度T1和T2,两个校正温度T1和T2满足关系式:-50≤T1≤T≤T2≤45,得到对应于T1和T2的光谱仪偏置电压校正数据分别为Mdoff_c(T1,t)和Mdoff_c(T2,t);(2)基于线性插值理论可得对应于环境温度T的偏置电压Mdoff(T),计算方法如下:5.根据权利要求2或3所述的光谱仪自适应控制方法,其特征在于,所述步骤(3)对暗电压Mdoff(T)进行估算的步骤如下:(1)选取两个校正温度T1和T2,两个校正温度...

【专利技术属性】
技术研发人员:王杭州南立文黄慧宋宏陈鹰
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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