技术领域
[0001]本
发明涉及光
辐射测量装置领域，具体是一种可见近红外波段高精度太阳辐照度仪。
背景技术
[0002]太阳
光谱辐照度是
气候、气象研究、遥感应用等科学领域的重要光学参数。连续细分光谱高精度测量太阳辐照度能够为科学研究和应用提供有效的观测数据。
[0003]以往的滤光片分光仅测量部分波段
太阳光谱辐照度;采用光栅分光存在分光效率低、二级光谱等问题;另外分光元件可靠性低、缺乏温控、不稳定等现象也降低了测量精度。
[0004]发明内容本发明的目的是提供一种可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，以解决
现有技术太阳光辐射照度测量装置测量精度低的问题。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，包括集成于同一仪器壳体内的控制系统、太阳光分谱探测单元，其特征在于:所述太阳光分谱探测单元包括接收太阳光的入射狭缝，入射狭缝后方依次设置有光谱整形滤光片、平面反射镜结构的入射光反射镜，入射光反射镜的反射光路上设置有曲面棱镜，所述曲面棱镜朝向入射光反射镜的前表面为凹球面，曲面棱镜后表面为凸球面，且曲面棱镜后表面
镀有
铝反射膜，太阳光通过入射狭缝，经过光谱整形滤光片滤光整形后入射至入射光反射镜，再经过入射光反射镜反射至曲面棱镜前表面，曲面棱镜前表面对入射的太阳光色散后形成色散光谱，且曲面棱镜前表面将色散光谱会聚至曲面棱镜后表面，经曲面棱镜后表面的铝反射膜反射后从曲面棱镜出射；曲面棱镜的出射光路上设置有平面反射镜结构的色散光反射镜，色散光反射镜的反射光路上设置有阵列光电探测器，所述阵列光电探测器接入控制系统，且阵列光电探测器位于曲面棱镜的焦平面
位置，曲面棱镜出射的色散光谱经色散光反射镜反射后，入射至阵列光电探测器，阵列光电探测器采集色散光谱
信号并将色散光谱信号传送至控制系统。
[0006]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:所述太阳光分谱探测单元中，入射狭缝的宽度、长度与阵列光电探测器像元尺寸相匹配，阵列光电探测器对应的色散光谱范围350nm—110011111，光谱
分辨率〈10111110
[0007]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:所述太阳光分谱探测单元中，通过光谱整形滤光片，实现探测器焦平面全波段的光强相接近，有效提高低照度波段的
信噪比。
[0008]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:所述太阳光分谱探测单元中，入射光反射镜、色散光反射镜均为平面反射镜结构，实现了光路的折转，有效减小仪器的整体体积，并方便装调。
[0009]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:所述太阳光分谱探测单元中，曲面棱镜采用主动式
热电制冷器控制
温度，所述控制系统与热电制冷器控制连接，曲面棱镜固定在金属壳体内，金属壳体设计了透明玻璃窗保证曲面棱镜的入射和出射光路不受影响，热电制冷器的一端与金属壳体
接触，金属壳体的外部利用保温材料减小与环境空气的热交换，热电制冷器的另一端与仪器壳体
底板接触，仪器壳体底板外部加工了
散热槽增大了与外界空气接触的面积，精密
温度计实时测量棱镜的温度，当曲面棱镜温度超过设定范围时，控制系统控制热电制冷器工作。
[0010]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:所述仪器壳体集成了全自动挡光器，测量太阳光时自动打开，关闭时遮挡光线通过，测量仪器的暗信号。
[0011]所述的可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，其特征在于:还包括集成于仪器壳体前端的消杂光光阑筒、集成于仪器壳体内的四象限
太阳跟踪器、电控的二维转动台，所述仪器壳体置于二维转动台上，四象限太阳跟踪器的光轴与太阳光分谱探测单元中入射狭缝光轴平行，且四象限太阳跟踪器接入控制系统，由二维转动台带动太阳光分谱探测单元、四象限太阳跟踪器在二维平面内转动，所述控制系统与二维转动台控制连接;所述消杂光光阑筒同光轴设置在太阳光分谱探测单元中入射狭缝前方，太阳光经消杂光光阑筒后入射至入射狭缝。
[0012]本发明的测量光路即太阳光分谱探测单元主要由入射狭缝、光谱整形滤光片、入射光反射镜、曲面棱镜、色谱光反射镜、阵列光电探测器组成。其中，入射狭缝限制入射太阳光，入射狭缝的透光尺寸与线阵探测器的像元尺寸相匹配入射狭缝的宽度与长度以阵列光电探测器像元尺寸相匹配，测量光谱范围350nm — llOOnm，光谱分辨率<10nm;曲面棱镜对入射太阳光的色散和会聚，在处于焦平面位置的阵列光电探测器上形成连续的色散光谱;阵列光电探测器探测色散光谱的强度信息，输出
电信号;波段整形滤光片用于降低高辐照度波段的透过率并保证低照度波段的高透过率，实现各谱段的对应探测器像元输出在探测器线性动态范围内；反射镜用于折转光路，减少仪器的体积。
[0013]本发明采用曲面棱镜作为分光元件。曲面棱镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面，后表面镀铝反射膜，一个光学元件就可以实现对太阳光的色散和光谱会聚，并且仅产生一级光谱，分光效率高，杂散光低。
[0014]本发明中阵列光电探测器位于曲面棱镜的焦平面位置，太阳经分光后汇聚在光电二级管像元上，实现对可见近红外波段太阳光细分光谱的同时探测。
[0015]本发明中，曲面棱镜采用主动式热电制冷器控制温度，实现曲面棱镜的色散光谱波段
稳定性和透过率的恒稳。曲面棱镜固定在金属壳体内，金属壳体设计了透明玻璃窗保证棱镜的入射和出射光路不受影响。热电制冷器通
过热交换，控制棱镜的温度。曲面棱镜金属壳体的外部利用保温材料减小与环境空气的热交换，有利于将整个棱镜金属壳体保持在稳定温度。壳体底板外部加工了散热槽增大与外界空气接触的面积，提高与外部环境的热交换效率。曲面棱镜外表面集成了精密温度计实时测量棱镜的温度，当棱镜温度超过设定范围时，热电制冷器开始工作。
[0016]本发明中，入射狭缝后有光谱整形滤光片，该滤光片降低高辐照度波段的透过率，保证低照度波段的高透过率，透过的太阳光谱更加平坦，经曲面棱镜分光汇聚后，各光谱波段的光强一致性提高，通过设置探测器的积分时间，保证高照度波段对应探测器像元的输出不饱和，低照度波段对应像元的
输出信号增强，有效提高全波段的信噪比。
[0017]本发明中，入射狭缝与曲面棱镜之间的入射光路和曲面棱镜与阵列光电探测器之间色散光路中设计都了反射镜，实现了光路的折转，有效减小了仪器的体积和重量，提高了便携性。
[0018]本发明中，入射狭缝前设计了自动快
门，自动快门处于常闭状态，显著减少太阳光照射光学元件的时间，降低了仪器的衰减。快门处于关闭状态时测量仪器的暗信号，快门打开后测量入射太阳
光信号。
[0019]本发明中设计了电控的二维转动台，并集成了四象限太阳跟踪器，通过四象限太阳跟踪器的反馈控制二维转台运动实现对太阳的高精度跟踪。
[0020]本发明利用高稳定的曲面棱镜对入射太阳光色散和光谱会聚，处于焦平面位置的阵列光电探测器测量光谱信号，探测光谱范围350nm-1100nm，光谱分辨率小于10nm。仪器测量光路设计了光谱整形滤光片、色散棱镜精确温控、暗信号自动扣除，提高了仪器测量的信噪比，采用反射镜折转光路，减小了仪器的体积，并提高了测量精度。该可见近红外波段高精度太阳辐照度仪集成了太阳自动跟踪、环境
感知、自动控制等功能，全自动测量太阳光谱辐照度。
附图说明
[0021]图1为可见近红外波段高精度太阳辐照度仪构成图。
[0022]图2太阳辐照度测量光路图。
具体实施方式
[0023]如图1、图2所示，可见近红外波段高精度太阳辐照度仪，包括集成于同一仪器壳体内的控制系统、太阳光分谱探测单元3，太阳光分谱探测单元3包括接收太阳光的入射狭缝31，入射狭缝31后方依次设置有光谱整形滤光片32、平面反射镜结构的入射光反射镜33，入射光反射镜33的反射光路上设置有曲面棱镜34，曲面棱镜朝34向入射光反射镜33的前表面为凹球面，曲面棱镜34后表面为凸球面，且曲面棱镜34后表面镀有铝反射膜，太阳光通过入射狭缝31，经过光谱整形滤光片32滤光整形后入射至入射光反射镜33，再经过入射光反射镜33反射至曲面棱镜34前表面，入射的太阳光通过曲面棱镜34前表面后发生色散，并到达曲面棱镜34后表面，经曲面棱镜34后表面的铝反射膜反射后继续色散，一直到曲面棱镜34的前表面，同时从曲面棱镜34后表面的铝反射膜反射后的单色光汇聚，通过曲面棱镜34的前表面出射；曲面棱镜34的出射光路上设置有平面反射镜结构的色散光反射镜35，色散光反射镜35的反射光路上设置有阵列光电探测器36，阵列光电探测器36接入控制系统，且阵列光电探测器36位于曲面棱镜34的焦平面位置，曲面棱镜34出射的色散光谱经色散光反射镜35反射后，入射至阵列光电探测器36，阵列光电探测器36采集色散光谱信号并将色散光谱信号传送至控制系统。
[0024]，太阳光分谱探测单元3中，入射狭缝31的宽度、长度与阵列光电探测器36像元尺寸相匹配，阵列光电探测器36对应的色散光谱范围350nm—I 10nm，光谱分辨率〈10nmo
[0025] 太阳光分谱探测单元3中，通过光谱整形滤光片32，实现探测器焦平面全波段的光强相接近，有效提高低照度波段的信噪比。
[0026]太阳光分谱探测单元3中，入射光反射镜33、色散光反射镜35均为平面反射镜结构，实现了光路的折转，有效减小仪器的整体体积，并方便装调。
[0027]太阳光分谱探测单元3中，曲面棱镜34采用主动式热电制冷器控制温度，控制系统与热电制冷器控制连接，曲面棱镜34固定在金属壳体内，金属壳体设计了透明玻璃窗保证曲面棱镜的入射和出射光路不受影响，热电制冷器的一端与金属壳体接触，金属壳体的外部利用保温材料减小与环境空气的热交换，热电制冷器的另一端与仪器壳体底板接触，仪器壳体底板外部加工了散热槽增大了与外界空气接触的面积，精密温度计实时测量棱镜的温度，当曲面棱镜温度超过设定范围时，控制系统控制热电制冷器工作。
[0028]太阳光分谱探测单元3集成了全自动挡光器，测量太阳光时自动打开，关闭时遮挡光线通过，测量仪器的暗信号。
[0029]可见近红外波段高精度太阳辐照度仪还包括消杂光光阑筒1、四象限太阳跟踪器2、电控的二维转动台4，消杂光光阑筒1、太阳光分谱探测单元3、四象限太阳跟踪器2集成在一起置于二维转动台4上，四象限太阳跟踪器2的光轴与太阳光分谱探测单元3中入射狭缝31光轴平行，且四象限太阳跟踪器2接入控制系统，由二维转动台4带动太阳光分谱探测单元3、四象限太阳跟踪器2在二维平面内转动，控制系统与二维转动台4控制连接;消杂光光阑筒I同光轴设置在太阳光分谱探测单元3中入射狭缝31前方，太阳光经消杂光光阑筒I后入射至入射狭缝31。
[0030] 如图1所示，本发明中，控制系统包括主
控制器13、四象限探测器
电路5、阵列光电探测器电路6、温控电路7、二维转动电路8、供电
接口 9、环境感知模
块接口 1、本地和远程控制接口 11。
[0031] 太阳光分谱探测单元3中，阵列光电探测器36输出端与阵列光电探测器电路6输入端连接，阵列光电探测器电路6输出端接入
主控制器13;热电制冷器输入端与温控电路7输出端连接，温控电路7输入端接入主控制器13。
[0032]四象限太阳跟踪器2输出端与四象限探测器电路5输入端连接，四象限探测器电路5输出端接入主控制器13。
[0033] 二维转动台4输入端与二维转动电路8输出端连接，二维转动电路8输入端接入主控制器13。
[0034] 供电接口 9接入主控制器13，外部电源通过供电接口 9供电至主控制器13。
[0035]环境感知模块接口 10接入主控制器13，外部环境
传感器通过环境感知模块接口 10接入主控制器13。
[0036] 本地和远程控制接口 11接入主控制器13，主控制器13通过本地和远程控制接口 11与远端上位机通讯连接。
[0037]本发明包括消杂光光阑筒1、太阳跟踪单元2、太阳光分谱探测单元3，二维转动台4。仪器光电探测部分固定在二维转动台4上，其中四象限太阳跟踪器2与太阳光分谱探测单元光轴平行，共同集成在仪器壳体内。仪器的电控系统控制系统自动工作，系统设计了供电接口9，可以采用市电或
太阳能电池板供电，环境感知模块接口 10，用于收集测量时温度、湿度、雨
水、气压等测量辅助信息，当下雨时，仪器自动停止工作，并将光学探测光阑筒自动对地状态，避免雨水进入光阑筒，并减小尘土的污染。本地和远程控制接口 11，用于上位机和远程控制仪器工作，输入自动工作参数，读出测量数据及辅助信息。
[0038]仪器开机后，温控电路7开始工作，棱镜的温度由精密温度计实时反馈到总控系统，直到棱镜温度达到设定范围，在工作过程中，棱镜一直保持在± 1°的温度变化范围。曲面棱镜的光谱折射率和透过率和温度密切相关，利用帕尔贴温控曲面棱镜，保证棱镜的稳定性，提高光谱辐射测量的高精度。
[0039]仪器开机到达稳定状态后，首先总控系统根据观测点所在的经玮度和时间，由理论公式计算出太阳的理论位置，控制转动机构在相应的天顶
角和方位角方向转动，自动粗跟踪太阳，然后利用四象限太阳跟踪器2精密跟踪太阳，四象限探测器电路5对光电信号放大、处理，主控制器13计算出偏离太阳的方位角和天顶角，以及转动机构需要转动的步数，二维转动电路8执行对太阳跟踪，在跟踪过程中，四象限太阳跟踪器2实时反馈跟踪精度，直到跟踪太阳角度
阈值小于0.1°，仪器停止跟踪，开始测量。
[0040]仪器首先测量本底信号，并保持到总控系统。然后打开快门，太阳光进入分光探测光路，如图2所示，太阳光依次通过滤光片、快门、入射光反射镜到达曲面棱镜，曲面棱镜对太阳光分光，经后表面反射后透过前表面，由分光反射镜改变光路方向，在阵列探测器焦平面位置汇聚，形成连续色散光谱。阵列光电探测器电路6的功能包括电路驱动、信号滤波放大、程控放大，由各探测器像元完成光电转换，输出电信号，总控系统扣除本底信号，自动保存所测量的光谱辐射信号，为判断测量时的天气状况，仪器在10秒内连续测量3次。所测量的数据可以通过控制接口传输到本地上位机或远程上位机。
