一种光谱拟合方法与流程

本发明为照明控制领域，特别涉及一种光谱拟合方法。
背景技术：
光谱可调光源在光学遥感器的辐射定标、太阳光模拟、生物照明等领域有着广泛应用，其光源的选择对模拟光谱的精度至关重要。相较于传统光谱的高成本、短寿命、量子效率低、维护成本高、发射光谱不可控等缺点，使用LED作为光谱可调光源的元件具有更多的优势，其成本更低、寿命长量子效率高、光谱发射相对较窄，且其输出辐照度与输入电流近似成正比，可以对拟合光谱进行更加精确的调控。现有的光谱可调光源系统集成大量LED，可以满足可见光波段、红外波段和紫外波段的全覆盖，但大量使用LED同样造成系统发热严重、功耗高、电流控制不便等问题，在要求使用LED数量一定，对系统输入电流、功耗等有要求的特定情况并不适用。如发明专利CN110954217A所述一种光谱可调光源及调节方法，将所有LED集成在一块LED阵列灯板上，通过多元线性回归算法计算各LED的初始电流并通过其反馈机制进一步提高输出光谱精度，但在要求使用LED总数一定时，并不能找到最佳的LED组合。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种光谱拟合方法，以实现对任意光谱的拟合。为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种光谱拟合方法，应用一种光谱可调光源系统，该光谱可调光源系统包括系统控制器、微控制器、可调恒流源、LED驱动模块、LED模块、温度控制模块、光谱仪、积分球。所述系统控制器与所述微控制器连接，所述微控制器与所述LED驱动模块连接，所述LED驱动模块与所述LED模块连接，所述LED模块与所述积分球连接，所述积分球与所述光谱仪连接，所述可调恒流源为所述LED驱动模块供电，所述温度控制模块安装在LED模块上。所述光谱拟合方法包括如下步骤：S1、利用光谱仪，采集目标光谱的光谱数据，同时采集多个不同峰值波长的LED在输入各自对应额定电流时的光谱数据，要求采集的目标光谱数据点和LED在对应输入电流下的光谱数据点的数量相同。S2、根据目标光谱不同波段上波形变化的陡峭程度，将目标光谱分为平缓波段和陡峭波段；若波形斜率超过0.5即为陡峭段，否则为平缓段。S3、根据系统设计要求确定使用的LED总数N，从所述步骤1中采集的不同峰值波长的LED中选用N个LED，所选用的LED的峰值波长在目标光谱的整个波段范围内等间隔分布，确定此时的平缓段和陡峭段上使用的LED个数，然后不断减少平缓波段上的LED使用个数直至1，增加陡峭段上的LED使用个数直至N-1，得到若干组不同的LED选用方案。S4、根据采集到的目标光谱和N个所选用的LED的光谱数据，通过多元线性回归算法计算不同LED选用方案下的各LED的拟合系数，由此得到不同LED选用方案下的拟合光谱。S5、计算并比较不同LED选用方案下的拟合光谱的拟合度，找到拟合度最高的方案，确定最佳的LED选用组合。S6、确定每一个LED实际所需电流值，具体步骤为：假设第k个LED在电流Ik下测得m个光谱数据Sk(λi)(i＝1，2，3，…，m)，通过多元线性回归算法计算得到第k个LED的拟合系数为ek，结合LED输出辐射通量与输入电流近似成正比的特性，确定第k个LED实际所需电流值为ek*Ik，再通过调节PWM占空比的方式，即可输出其所需的电流。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述步骤S1具体如下：对目标光谱采集m个光谱数据，得到m个数据点f(λi)(i＝1，2，3，…，m)，测量单个LED在输入其对应额定电流时的光谱得到m个数据点S(λi)(i＝1，2，3，…，m)，在连续测量n个LED光谱后，即可得到LED光谱数据组Sj(λi)(i＝1，2，，3，…，m，j＝1，2，，3，…n)。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述步骤S4具体为：在得到LED光谱数据和目标光谱数据之后，由光谱叠加原理，拟合光谱L(λ)为L(λ)＝e1·S1(λi) e2·S2(λi) … en·Sn(λi)(i＝1，2，3，…，m)；记向量S1＝(S1(λ1)，S1(λ2)，…，S1(λm))；矩阵A＝(S1，S2，…，Sn)，b＝(f(λ1)，f(λ2)，…，f(λn))T，x＝(e1，e2，…，en)，由此构建方程组Ax＝b，则方程组的解x即为各LED的拟合系数，最终计算可得拟合光谱。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述步骤S5具体为：为了说明拟合光谱与目标光谱之间的相似程度，采用相关系数R2来表征不同单色LED组合拟合的光谱的精确程度，其表达式为其中，y为光谱数据，ya为y的均值，yi为y的数学期望；R2≤1，相关系数R2越大，拟合精度越高，若R2＝1，则拟合光谱完全落在目标光谱上；在分别计算不同组LED选用方案下的拟合光谱的相关系数R2之后，比较不同组的拟合度并找到相关系数R2最大的那一组，其对应的LED选用方案即为最佳的LED选用组合。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述步骤S3中，所选用的LED的峰值波长在目标光谱的整个波段范围内等间隔分布，其间隔为20nm。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述系统控制器包括PC端上位机和手机移动端，所述手机移动端利用蓝牙远程对调光系统进行调控。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述LED驱动模块由多个并联的可调降压支持PWM调光的LED驱动器组成，由所述可调恒流源供电；每一个可调降压支持PWM调光的LED驱动器对应连接所述LED模块中的一个LED，根据所述微控制器传输的PWM信号调节对应LED的输入电流值。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述LED模块由多个LED组成，所述LED焊接在方形铝基电路板上且以正六边形的形状排布，各LED距离相同。上述一种光谱拟合方法，优选方式下，所述温度控制模块由两部分组成，分别是铝制散热器和外部的风扇；所述铝制散热器通过导热硅脂与LED所在的方形铝基电路板连接，所述外部风扇对所述铝制散热器进行主动冷却。本发明的有益效果在于：一种光谱拟合方法，在对目标光谱进行拟合时，若要求使用的LED总数一定，通过上述光谱拟合方法即可找到最佳的LED选用方案并确定每一个LED实际所需电流值，通过微控制器输出多路不同电流控制信号至LED驱动模块，再由LED驱动模块输出各LED对应所需电流值，使不同LED的输出辐照度不同，最终光谱叠加即可得到高拟合度的拟合光谱。利用光谱仪和积分球测量实际得到的拟合光谱的拟合度，而温度控制模块可以保证系统的长时间稳定工作。附图说明图1为本发明实施例的一种光谱可调光源系统的系统结构图；图2为本发明实施例的一种光谱可调光源系统的LED驱动模块电路图；图3为本发明实施例的一种光谱可调光源系统的温度控制模块；图4为本发明实施例的一种光谱拟合方法的流程示意图。图中：1、系统控制器；2、微控制器；3、可调恒流源；4、LED驱动模块；5、LED模块；6、温度控制模块；7、积分球；8、光谱仪；6a、铝制散热器；6b、风扇。具体实施方式具体实施例：为了详细说明本发明的技术特定、实施目的以及最终效果，下面结合附图对本发明的具体实施方案进行说明。本发明是一种光谱拟合方法，应用一种光谱可调光源系统。参考图1，该光谱可调光源系统，包括系统控制器1、微控制器2、可调恒流源3、LED驱动模块4、LED模块5、温度控制模块6、积分球7和光谱仪8。所述系统控制器1与微控制器2连接，所述微控制器2与LED驱动模块4连接，所述LED驱动模块4与LED模块5连接，所述LED模块5与积分球7连接，所述积分球7与光谱仪8连接，可调恒流源3为LED驱动模块4供电，温度控制模块6安装在LED模块5上。微控制器2通过串行外围接口(SPI)与系统控制器1连接，根据光谱拟合结果，系统控制器1发送调光信号至微控制器2，微控制器2通过数模转换器将接收的调光信号转换为占空比不同的PWM信号(如图1中的PWM1、PWM2、PWM3......PWMn)再传输至LED驱动模块4，然后由LED驱动模块4驱动LED模块5上的各LED以输出特定的辐照度。系统控制器1包括手机端和PC端，手机端利用蓝牙实现对微控制器的调控，PC端利用串行外围接口(SPI)与微控制器2连接，实现对微控制器2的调控；手机端通过蓝牙与微控制器2通信，实现远程便携的调节系统光源。参考图2，上述LED驱动模块4由多个并联的可调降压支持PWM调光的LED驱动器(如图2中的P1、P2、P3......P11)组成，由可调恒流源3供电。每一个可调降压支持PWM调光的LED驱动器对应连接LED模块5中的一个LED(如图2中的LED1、LED2、LED3......LED11)，根据微控制器2传输的PWM信号调节对应LED的输入电流值。此模块可以扩展，在对波长范围广，波形变化复杂的光谱进行拟合时，可以通过添LED驱动器的方式控制更多的LED，以提高拟合精度。上述LED模块5由多个LED组成，所有LED焊接在方形铝基电路板上且以正六边形的形状排布，各LED距离相同。LED的发光强度和光谱特性对温度变化敏感，为了避免由温度变化造成的误差，系统通过温度控制模块进行散热。上述温度控制模块6由两部分组成。铝制散热器6a通过导热硅脂与LED方形铝基电路板连接，再利用外部的风扇6b进行主动冷却；参考图3，一种铝制散热器6a并与LED方形铝基电路板连接。参考图4，一种光谱拟合方法，应用于如上述所述的一种光谱可调光源系统，包括步骤：S1、利用光谱仪，采集目标光谱的光谱数据，同时采集多个不同峰值波长的LED在输入各自对应额定电流时的光谱数据，要求采集的目标光谱数据点和LED在对应输入电流下的光谱数据点的数量相同；S2、根据目标光谱不同波段上波形变化的陡峭程度，将目标光谱分为平缓波段和陡峭波段，一般认为波形斜率超过0.5即为陡峭段，否则为平缓段；S3、根据系统设计要求确定使用的LED总数N，从所述步骤1中采集的不同峰值波长的LED中选用N个LED，所选用的LED的峰值波长在目标光谱的整个波段范围内等间隔分布，确定此时的平缓段和陡峭段上使用的LED个数，然后不断减少平缓波段上的LED使用个数直至1，增加陡峭段上的LED使用个数直至N-1，得到若干组不同的LED选用方案。一般情况下，所选用的LED的峰值波长在目标光谱的整个波段范围内等间隔分布，其间隔为20nm，间隔20nm使用一个LED，例如300nm的波段使用15个LED，得到的拟合光谱精度就相对较高，基本满足设计要求。LED使用总数的确定，是由设计要求决定的，比如对系统总功耗有要求，就确定可以使用的最大LED数量。S4、根据采集到的目标光谱和N个所选用的LED的光谱数据，通过多元线性回归算法计算不同LED选用方案下的各LED的拟合系数，由此得到不同LED选用方案下的拟合光谱；S5、计算并比较不同LED选用方案下的拟合光谱的拟合度，找到拟合度最高的方案，确定最佳的LED选用组合；S6、确定每一个LED实际所需电流值，具体步骤为：假设第k个LED在电流Ik下测得m个光谱数据Sk(λi)(i＝1，2，3，…，m)，通过多元线性回归算法计算得到第k个LED的拟合系数为ek，结合LED输出辐射通量与输入电流近似成正比的特性，确定第k个LED实际所需电流值为ek*Ik，再通过调节PWM占空比的方式，即可输出其所需的电流。所述步骤S1具体如下：对目标光谱采集m个光谱数据，得到m个数据点f(λi)(i＝1，2，3，…，m)，测量单个LED在输入其对应额定电流时的光谱得到m个数据点S(λi)(i＝1，2，3，…，m)，在连续测量n个LED光谱后，即可得到LED光谱数据组Sj(λi)(i＝1，2，，3，…，m，j＝1，2，，3，…n)。所述步骤S4具体为：在得到LED光谱数据和目标光谱数据之后，由光谱叠加原理，拟合光谱L(λ)为L(λ)＝e1·S1(λi) e2·S2(λi) … en·Sn(λi)(i＝1，2，3，…，m)，记向量S1＝(S1(λ1)，S1(λ2)，…，S1(λm))，矩阵A＝(S1，S2，…，Sn)，b＝(f(λ1)，f(λ2)，…，f(λn))T，x＝(e1，e2，…，en)，由此构建方程组Ax＝b，则方程组的解x即为各LED的拟合系数，最终计算可得拟合光谱。步骤S5具体为：为了说明拟合光谱与目标光谱之间的相似程度，采用相关系数R2来表征不同单色LED组合拟合的光谱的精确程度，其表达式为其中，y为光谱数据，ya为y的均值，yi为y的数学期望。R2≤1，相关系数R2越大，拟合精度越高，若R2＝1，则拟合光谱完全落在目标光谱上。在分别计算不同组LED选用方案下的拟合光谱的相关系数R2之后，比较不同组的拟合度并找到相关系数R2最大的那一组，其对应的LED选用方案即为最佳的LED选用组合。结合各LED在特定电流下测得的光谱数据与对应的拟合系数，确定各LED实际所需电流值。调节微控制器输出多路占空比不同的PWM信号至LED驱动模块，多个并联的可调降压支持PWM调光的LED驱动器会根据输入的PWM信号输出特定的电流值至LED模块上的各LED以合成拟合光谱。参考图1至图3，本发明的实施例1为：一种光谱拟合方法，应用一种光谱可调光源系统，该系统包括系统控制器1、微控制器2、可调恒流源3、LED驱动模块4、LED模块5、温度控制模块6、积分球7和光谱仪8。参考图1，系统控制器1与微控制器2连接，微控制器2与LED驱动模块4连接，所述LED驱动模块4与LED模块5连接，所述LED模块5与积分球7连接，所述积分球7与光谱仪8连接，可调恒流源3为LED驱动模块4供电，温度控制模块6安装在LED模块5上。系统控制器为PC端上位机或者是手机控制端，手机控制端可以利用蓝牙实现远程便携调控光源光谱。如图1所示，微控制器2通过串行外围接口(SPI)与系统控制器1(PC端上位机或者手机端)连接，根据光谱拟合结果，系统控制器1发送调光信号至微控制器2，微控制器2通过数模转化器(DAC)将接收到的调光信号转换为占空比不同的PWM信号并传输至LED驱动模块4，然后由LED模块5上的各LED以输出特定的辐照度。参考图2，上述LED驱动模块4由多个并联的可调降压支持PWM调光的LED驱动器组成，输入电压7V～30V，输出电流为700mA，可驱动功率为3W的LED，由可调恒流源3供电。每一个可调降压支持PWM调光的LED驱动器对应连接LED模块5中的一个LED，根据微控制器2传输的PWM信号调节对应LED的输入电流值。实施例1中共使用11个LED驱动器，分别控制11个峰值波长不同的LED，所有LED峰值波长范围在400nm至700nm之间。如图3所示，LED模块5由11个LED灯珠组成，所有LED焊接在10×10cm方形铝基电路板上且以正六边形的形状排布，各LED距离相同为2.2cm。LED的发光强度和光谱特性对温度变化敏感，可能会使LED的峰值波长发生偏移。为了避免由温度变化造成的误差，系统通过温度控制模块6进行散热。如图3所示，一种铝制散热器6a与LED方形铝基电路板连接。温度控制模块6由两个部分组成。铝制散热器6a通过导热硅脂与LED方形铝基电路板连接，再利用外部风扇6b进行主动冷却。参考图4，本发明的实施例2为：一种光谱拟合方法，应用于上述的一种光谱可调光源系统，包括步骤：S1、利用光谱仪，采集目标光谱的光谱数据，同时采集多个不同峰值波长的LED在输入各自对应额定电流时的光谱数据，要求采集的目标光谱数据点和LED在对应输入电流下的光谱数据点的数量相同。本实施例中所测量的可选用的系列LED的峰值波长如表1所示，其电学参数如表2所示。表1可选用的系列LED的峰值波长表2可选用的系列LED的峰值波长和电学参数峰值波长/nm385392397409421423431446额定电压/V3.2～3.83.2～3.43.2～3.83.2～3.43.2～3.43.2～3.43.2～3.41.8～2.2额定电流/mA500500500700700700700700峰值波长/nm461463470487495519528576额定电压/V3.2～3.43.2～3.43.2～3.43.2～3.43.2～3.43.2～3.63.2～3.63.0～3.4额定电流/mA700700700700700700700700峰值波长/nm594610626638643660669687额定电压/V3.0～3.42.2～2.42.2～2.42.2～2.61.8～2.22.2～2.61.8～2.22.3～3.6额定电流/mA700500500700700700700700S2、根据目标光谱不同波段上波形变化的陡峭程度，将目标光谱分为平缓波段和陡峭波段，一般认为波形斜率超过0.5即为陡峭段，否则为平缓段；本实施例中，平缓波段分为500～630nm，陡峭段分为400～500nm，630～700nm。S3、使用11个LED对目标光谱进行拟合，从所述步骤1中采集的不同峰值波长的LED中选择11个峰值波长在400nm至700nm波段上，尽可能等间隔分布的LED组合。此时平缓段上使用6个LED，陡峭段上使用5个LED。不断减少平缓波段上的LED使用个数直至1，增加陡峭段上的LED使用个数直至10，共得到六组不同的LED选用方案。当所选用的LED的峰值波长在目标光谱的整个波段范围内等间隔分布，并且其间隔为20nm，得到的拟合光谱精度就相对较高，基本满足设计要求。LED使用总数的确定，是由设计要求决定的，比如对系统总功耗有要求，就确定可以使用的最大LED数量。S4、根据采集到的目标光谱和11个不同峰值波长的LED的光谱数据，通过多元线性回归算法计算不同LED选用方案下的各LED的拟合系数，由此得到不同LED选用方案下的拟合光谱。本实施例中，目标光谱波长范围为400nm至700nm，利用11个峰值波长不同的LED进行拟合。以1nm为间隔，分别对目标光谱和所有LED采集300个光谱数据点，分别为ftarget(λi)(i＝1，2，3，…，300)(i＝1，2，3，…，300)，11个LED构成光谱数据组Sj(λi)(i＝1，2，，3，…，300，j＝1，2，，3，…11)，由光谱叠加原理，拟合光谱L(λ)为L(λ)＝e1·S1(λi) e2·S2(λi) … en·Sn(λi)(i＝1，2，3，…，300，n＝1，2，，3，…11)，则e1至e11即为11个LED的拟合系数。根据上述数据采集及计算拟合系数的方法，得到不同LED选用方案时对应的LED拟合系数。S5、计算并比较不同LED选用方案下的拟合光谱的拟合度，找到拟合度最高的方案，确定最佳的LED选用组合。本步骤中，采用相关系数R2来表征不同单色LED组合拟合的光谱的精确程度，其表达式为其中，y为光谱数据，ya为y的均值，yi为y的数学期望。R2≤1，相关系数R2越大，拟合精度越高，若R2＝1，则拟合光谱与目标光谱重合。分别计算步骤4中不同LED选用方案下的拟合度，相关系数R2最高的即为最佳LED选用方案。本实施例以陡峭段上使用8个LED，平缓段使用3个LED的组合为例说明相关系数的计算过程。目标光谱ftarget＝(0.057，0.0574，0.0578，...，0.001)为400～700nm的叶绿素b吸收光谱，ffitting＝(0.0172，0.0201，0.0232，...，0.0015)为由以上LED组合及对应拟合系数得到的拟合光谱，分别包含三百个光谱数据点，首先计算得到ffitting与ftarget的残差平方和为Rss＝∑(ftarget-ffitting)2＝0.0414，计算得到ftarget的数学期望fa＝0.0514，由相关系数R2的表达式计算得到：通过上述计算得出陡峭段上LED使用个数与拟合光谱相关系数的关系如表3所示。表3陡峭段上的LED使用个数与其对应的拟合光谱的相关系数陡峭段上LED使用个数5678910相关系数0.90380.91420.92740.93150.92660.8876由表3可知，在陡峭段上使用8个LED，平缓段上使用3个LED，相关系数最高为0.9315，确定最佳的LED选用组合。在上述最佳的LED选用组合下，所使用的LED峰值波长与对应的拟合系数如表4所示。表4使用的11个LED峰值波长及对应的拟合系数峰值波长/nm拟合系数峰值波长/nm拟合系数4090.14085761.00004310.01686101.00004460.00576430.08984610.05176600.08774700.13316690.00725280.0741S6、确定每一个LED实际所需电流值，具体步骤为：结合测量光谱数据时的额定电流值和拟合系数，确定各LED实际所需电流值。假设第k个LED在电流Ik下测得m个光谱数据Sk(λi)(i＝1，2，3，…，m)。通过多元线性回归算法计算得到第k个LED的拟合系数为ek。结合LED输出辐射通量与输入电流近似成正比的特性，确定第k个LED实际所需电流值为ek*Ik，再通过调节PWM占空比的方式，即可输出其所需的电流。选用的11个LED对应的电流值如表4所示。以峰值波长为409nm的LED为例，如表1所示其额定电流Ik为700mA，如表4所示其拟合系数ek为0.1408，其对应的电流值为700mA*0.1408＝98.45mA。表4使用的11个LED峰值波长及对应的电流值本发明的有益效果在于：在对目标光谱进行拟合时，若要求使用的LED总数一定，通过上述光谱拟合方法即可找到最佳的LED选用方案并确定每一个LED实际所需电流值，通过微控制器输出多路不同电流控制信号至LED驱动模块，再由LED驱动模块输出各LED对应所需电流值(即通过微控制器输出多路不同占空比的PWM波信号的方式控制LED模块上各LED的输入电流值)，使不同LED的输出辐照度不同，最终光谱叠加即可得到高拟合度的拟合光谱。利用光谱仪和积分球测量实际得到的拟合光谱的拟合度，而温度控制模块可以保证系统的长时间稳定工作，LED不会因为温度变化而造成光谱偏移最终造成误差。综上所述，本发明提供一种光谱拟合方法。先对目标光谱和可选用的LED在对应波长处采集相同数量的光谱数据点，根据目标光谱波形变化的陡峭程度分为平缓波段和陡峭波段。在确定使用的LED总数之后，选用峰值波长在目标光谱波段范围内尽量等间隔分布的LED组合，确定此时不同波段上LED的使用数量。不断减少平缓段上LED的使用数量，增加陡峭段上的LED使用数量，得到多组LED选用方案。利用多元线性回归算法，计算不同LED选用方案下不同LED的拟合系数并计算得到对应的拟合光谱。比较不同组的拟合光谱的拟合精度，找到拟合精度最高的组合，其对应的LED选用方案即为最佳组合。系统控制器控制微控制器输出多路占空比不同的PWM信号至LED驱动模块，LED驱动模块由多个并联的LED驱动器组成，由可调恒流源供电。每一个LED驱动器对应连接LED模块中的一个LED，每一个LED实际所需电流值由拟合系数和测量光谱时对应的电流值确定。为防止温度变化造成的误差，保证系统长时间工作，将所有LED以正六边形的形状排布，焊接在方形铝基电路板上，同时利用导热硅脂将其安装在铝制散热器上，再利用外部的风扇6b主动冷却，最终得到的实际光谱可由光谱仪和积分球测得。通过调整不同LED的输入电流值控制其的输出辐照度，再根据光谱叠加原理即可实现系统输出光谱可调，在对波长变化更为复杂，波长范围更广的目标光谱进行拟合时，可以扩展LED驱动器数量，使用更多LED对目标光谱进行拟合以提高拟合精度。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12