【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学工程，具体提供一种真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法以及设计得到的真空共光路系统照度定标模拟光源。
技术介绍
1、太阳是地球唯一外部能量输入源，是生态系统形成、发展及变化的驱动力。地球能量平衡直接取决于输入和输出的电磁辐射。太阳总辐射照度(tsi)是地球气候模型的关键参量之一。长期精准监测空间tsi可为气候变化预测、环保政策制定提供科学依据。
2、tsi定标是太阳辐射测量仪器研制过程中的重要环节，获得的定标系数是太阳辐射测量链路的误差源之一，定标不确定度直接影响tsi测量不确定度。目前，tsi定标主要依赖溯源至世界辐射基准(wrr)的外场定标手段和利用激光光源溯源至低温辐射计的trf定标装置。
3、溯源至wrr的外场定标不确定度受wrr不确定度、地基太阳辐射稳定度、真空空气不等效性等影响仅为0.3％。而基于trf定标装置，美国acrimⅲ/acrimsat、美国tim/stpsat-3、瑞士pmo6/picard等空间tsi测量不确定度达到0.035％。
4、低温辐射计与太阳辐射计利用一维位移分时测量同一太阳模拟光源，可以消除真空空气不等效、窗口透过率、偏振、散射等影响，但提高了对太阳辐照度定标模拟光源时空间一致性的要求。为了保证真空共光路0.035％的定标精度，定标光源应能完全覆盖低温辐射计和太阳辐射计入瞳，因此光源口径需大于10mm，不稳定度优于±0.015％，由于一维位移的角度误差小于0.01°，位移前后光源覆盖重叠面积大于99％，所以不均匀度需要优于±1％。tr
技术实现思路
1、激光扫描光源工作原理是基于激光光束分时叠加而形成的基于长积分时间下的均匀光源；因此，对于短积分时间的辐射测量仪器不能适用；本专利技术为了弥补现有技术不足，使用双自由曲面反射镜进行激光整形，同时调控光源的振幅分布和相位分布，将激光转化为均匀准直光源，从而构建出的照度定标模拟光源，在任意瞬时时间都是均匀的，能够广泛应用于所有的辐射定标仪器。
2、本专利技术提供的一种真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，所述真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法包括步骤：
3、s1：建立离轴双反自由曲面照明系统的数学模型；
4、s2：将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题，通过数学求解，得到自由曲面的离散点坐标信息；所述自由曲面包括第一自由曲面和第二自由曲面；
5、s3：将所述自由曲面的离散点坐标信息分别拟合为第一自由曲面和第二自由曲面；
6、s4：根据拟合的所述第一自由曲面和所述第二自由曲面搭建出所述真空共光路系统照度定标模拟光源。
7、优选的，采用直角坐标系建立离轴双反自由曲面照明系统的数学模型。
8、优选的，在所述直角坐标系中，准直入射光与第一自由曲面相交于点p，经过所述第一自由曲面反射后，与第二自由曲面相交于点q，离开点q的准直出射光落于辐照面上点t处。
9、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程包括步骤：
10、s21：所述点p的坐标为(u,v,z(u,v))，所述点p的集合构成所述第一自由曲面，所述第一自由曲面在所述点p处的单位法矢为：
11、
12、pu和pv分别为点p处关于u和v的一阶偏导数，zu和zv分别为z(u,v)关于u和v的一阶偏导数。
13、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
14、s22：根据折射定律，所述准直入射光经过所述第一自由曲面反射后，单位矢量r＝(rx,ry,rz)为：r＝i-2(i·n)n；
15、其中，i＝(0,0,1)，为所述准直入射光的单位向量；
16、所述点q的坐标为q＝p+m·r；其中，m＝|pq|，m为pq线段的长度；r为入射激光经过第一自由曲面的反射光的单位向量。
17、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
18、s23：根据设计要求，所述准直出射光的单位矢量为o＝(ox,oy,oz)，则所述点t的坐标(tx,ty,tz)为：
19、
20、其中，n＝|qt|，n为qt线段的长度。
21、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
22、s24：根据光程守恒关系，在入射面和辐照面之间所有光线的光程相同均为l，l＝z(u,v)+m+n；
23、同时，所述点t在辐照面上，则：
24、分别计算出m和n：
25、得到所述点t的全局坐标为：
26、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
27、s25：对得到的所述点t的全局坐标进行坐标转换，转换为所述点t的局部坐标为：得到所述准直入射光和所述辐射面上对应的目标点之间的坐标关系。
28、优选的，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
29、s26：在自由曲面对所述准直入射光进行光束整形过程中，不计能量损耗情况下，所述准直入射光的能量和辐照面上的能量相同，即：
30、
31、其中，s1，s2分别为所述准直入射光的截面和所述辐照面上的照明区域，i(x,y)为所述准直入射光的能量分布，e(t′x,t′y)为所述辐照面上的照度分布；
32、结合所述点t的局部坐标，得到坐标变换关系为：
33、dt′xdt′y＝|j(t)dxdy|；
34、其中，t为所述点t的位置矢量，j|t|为矢量t的jacobi矩阵，得到：j|t|e(t′x,t′y)＝i(x,y)；
35、进而得到一个椭圆型monge-ampère方程，对所述椭圆型monge-ampère方程施加边界条件，可得：
36、
37、则完成所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为带有非线性边界条件的monge-ampère方程求解问题。
38、本专利技术还提供一种真空共光路系统照度定标模拟光源，所述真空共光路系统照度定标模拟光源通过本专利技术的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法设计得到。
39、与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
40、本专利技术提供的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，以及通过该方法设计得到的溯源至低温辐射计的真空共光路系统照度定标模拟光源，具体本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，采用直角坐标系建立离轴双反自由曲面照明系统的数学模型。
3.根据权利要求2所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，在所述直角坐标系中，准直入射光与第一自由曲面相交于点P，经过所述第一自由曲面反射后，与第二自由曲面相交于点Q，离开点Q的准直出射光落于辐照面上点T处。
4.根据权利要求3所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程包括步骤：
5.根据权利要求4所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
6.根据权利要求5所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括
7.根据权利要求6所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
8.根据权利要求7所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
9.根据权利要求8所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
10.一种真空共光路系统照度定标模拟光源，其特征在于，所述真空共光路系统照度定标模拟光源通过权利要求1～9任意一项所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法设计得到。
...【技术特征摘要】
1.一种真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，采用直角坐标系建立离轴双反自由曲面照明系统的数学模型。
3.根据权利要求2所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，在所述直角坐标系中，准直入射光与第一自由曲面相交于点p，经过所述第一自由曲面反射后，与第二自由曲面相交于点q，离开点q的准直出射光落于辐照面上点t处。
4.根据权利要求3所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程包括步骤：
5.根据权利要求4所述的真空共光路系统照度定标模拟光源的设计方法，其特征在于，所述将所述数学模型中的自由曲面设计问题转化为数学求解问题的过程还包括步骤：
...【专利技术属性】
技术研发人员：叶新，林雨辰，衣小龙，方伟，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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