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余弦接收器
余弦接收器是用来做什么的?
在测量太阳光的能量光谱时,我们常常要用到它。
在SIF系统中,测量太阳入射的能量光谱就需要这样一个小配件,(有些测量反射能量光谱也需要它)。
在无人机载高光谱使用中,也常常使用到它来测量入射光的能量光谱,和成像光谱仪测量的反射能量,一同计算反射率,这是目前最靠谱的测量模式。
总之,在光谱仪使用中,经常会用到余弦接收器来获得辐照度的数据,这类应用越来越普遍。
什么是辐照度和辐亮度
辐照度(Irradiance)指单位面积的辐射能量通量,单位为Wm-2,一般用E表示。
辐亮度(Radiance)指单位面积,单位立体角的辐射能量通量,单位为Wm-2sr-1,一般用L表示。
余弦接收器是怎么工作的?
既然辐照度是单位面积上的能量通量,那么假如入射的能量不是垂直进入的呢?
在能量以一定角度通过某一平面的情况下,相对于这一平面的辐照度,相当于入射能量的一个正交分解分量,其关系为E2=E1*cosθ。
对于光纤光谱仪,在光纤前端须加一个一些特定形状的漫透反射材料(聚四氟乙烯乳、聚碳酸脂、毛面白玻璃或乳白有机玻璃等等),加工成特定的形状,就能自然形成余弦效果。这也就是余弦接收器。
评价余弦接收器的指标是什么?
评价余弦接收器的最主要指标是余弦曲线响应度,即对从各个角度(θ)上的入射能量E1,在与入射光与余弦接收器平面成θ角时测量通过余弦接收器后的能量E2,评价是否符合E2=cosθ×E1。而对于不同角度,有一个理论的余弦相应曲线,如下图,此图为极坐标系,在不同角度的余弦值组成了这个黑色圆周,可以看到在90°时,cosθ=1,在0°和180°时,cosθ=0。
理想余弦响应曲线
怎么进行不同角度的测量?
我们专门制作了一个测量的设备,一个稳定光源,一个遮挡杂散光的光阑,一个可以改变余弦接收器接收角度,同时保持余弦材料位置的装置。
余弦接收器检测设备
IRIS
用ASD光谱仪分别安装了ASD的余弦接收器,IRIS的余弦接收器和Ocean的CC3余弦接收器,进行了测量。
并将测量结果和理论曲线进行比较。其中红线为理论曲线,蓝线为实测值。
结果显示,ASD和IRIS的余弦接收器总体表现良好,而CC3有较大的差距,整体上离理论曲线较远,在45°时较为明显,总体上利用RMSE能比较明显的显示其差异。
参数说明
RMSE:均方根误差,描述统计点的离散度,越接近0,统计点与理论点越接近。
余弦接收器
余弦接收器虽然是一个小配件,但是对研究的结果影响非常明显,有些用户在研究中也已经发现了问题,得出的结论是CC3并非收集的是180°视场角的能量,有些研究者将其估算为144°视场角。其实并不是没有收集到180°的能量,而是CC3在很多角度距离理论余弦值较远,低估了总能量。所谓144°应该是一种不甚规范的近似算法。
所谓“为大于其细”,依锐思此次刨根问底,做出一个合格的SMA905接口的余弦接收器,让相关的应用更有保障。
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