CN101762325A - 高精度太阳细分光谱辐照度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高精度太阳细分光谱辐照度测量方法与装置，包括有转动安装于二维转台上的棱镜光谱仪，棱镜光谱仪包括壳体，壳体外部固定有太阳跟踪器，太阳跟踪器电连接外部控制装置，外部控制装置根据太阳跟踪器的反馈信号控制二维转台带动棱镜光谱仪转动对准太阳，本发明结构简单易于实现。有效地解决了传统技术的太阳辐射观测设备无法满足观察精度要求的问题。通过设置二维转台能有效地实现对太阳光的跟踪，通过在光谱仪壳体内设置有两套相互对称的光谱探测单元，能够实现光谱探测单元相互定标，并且当一套光谱探测单元损坏时，可以由另一套光谱探测单元替换。

Description

高精度太阳细分光谱辐照度测量方法与装置

技术领域

本发明涉及光辐射测量领域和遥感科学领域，尤其是一种高精度太阳细分光谱辐照度测量方法与装置。

背景技术

太阳辐射是影响地球大气动力学、海洋动力学和全球能量平衡的决定性因素，与地球大气层和气候变化存在着相关性。评估太阳辐射变化在长期的全球气候和环境变化中所起的作用，并将它和人类影响因素如温室效应加以区分，需要根据长期精确的观测结果才能得到有说服力的结论。太阳辐射与光谱密切相关，并经过大气对波长选择性的吸收和散射影响着天气过程和气候变化，对太阳细分光谱辐射照度的观测具有特别重要的意义。

传统上对太阳辐射的观测主要集中在总辐照度变化，并且精度也受到了一定的限制。目前在大气科学与遥感领域虽然也有分光谱的太阳辐射观测设备，但这些设备并不是用于太阳辐射本身变化的观测，而是通过观测太阳光谱辐射与理论上的大气层外太阳光谱辐照度的相对变化，用于计算大气气溶胶光学厚度等参数，存在着光谱通道少、精度低、稳定性低等不足。

太阳辐射的相对变化幅度很小，一个11年的太阳周期内约变化0.1％，这对太阳绝对辐照度的观测提出了极高的精度要求，已接近于目前光辐射计量的最高水平，传统的太阳辐射观测设备无法满足这样的观测精度要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、绝对辐照度、自动化程度高的太阳细分光谱辐射度观测装置及方法，以克服已有技术的不足。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

高精度太阳细分光谱辐射照度观测装置，包括有转动安装于二维转台上的棱镜光谱仪，所述棱镜光谱仪包括壳体，壳体外部固定有太阳跟踪器，所述太阳跟踪器电连接外部控制装置，外部控制装置根据太阳跟踪器的反馈信号控制二维转台带动棱镜光谱仪转动对准太阳，其特征在于：所述壳体一个端面开有供太阳光入射的多个信号光入光口及多个参考光入光口，壳体内设置有两个呈镜像对称的可转动的费里棱镜，及呈镜像对称的分别与费里棱镜一一配合的陷阱探测器，每个费里棱镜其反射面各自对准壳体上不同的信号光入光口，太阳光从信号光入光口入射至所述费里棱镜，被费里棱镜反射至所述陷阱探测器，一个费里棱镜及与之配合的一个陷阱探测器分别构成棱镜光谱探测单元；壳体内还设置有与两个费里棱镜光路配合的耦合望远镜，所述耦合望远镜包括镜筒及分别设置于镜筒两端的且反射面相对的二个球面反射镜，两球面反射镜之间设置有狭缝，转动费里棱镜时，所述费里棱镜的反射光入射至所述耦合望远镜一端侧壁开孔入射到其中一个球面反射镜上，反射光经过狭缝，被耦合望远镜另一端的球面反射镜依次反射后，从耦合望远镜另一端侧壁上开孔出射至另一个费里棱镜，实现两个光谱探测单元的相互定标；还包括分别与棱镜光谱探测单元一一配合的两个参考光接收单元，所述参考光接收单元包括凹面镜和与凹面镜光路配合的线阵列探测器，所述凹面镜其凹面分别对准不同的参考光入光口，太阳光从参考光入光口入射至凹面镜，被凹面镜反射至线阵列探测器，所述线阵列探测器电连接外部控制装置。

外部控制装置根据线阵列探测器的反馈信号控制所述费里棱镜转动。

所述的高精度太阳细分光谱辐照度观测装置，其特征在于：所述凹面镜固定于费里棱镜顶端与费里棱镜共同转动，所述参考光入光口与信号光入光口上下设置。

所述的高精度太阳细分光谱辐照度观测装置观测高精度太阳细分光谱辐射照的方法，其特征在于：太阳跟踪器通过比较入射太阳光在空间方向的大小，反馈控制二维转台转动，使棱镜光谱仪始终对准太阳，太阳光从棱镜光谱仪壳体上的信号光入光口及参考光入光口入射至棱镜光谱仪；

使用其中一个棱镜光谱探测单元，另外一个棱镜光谱探测单元每隔一定的周期使用一次，以监测经常使用的棱镜光谱探测单元的衰变；太阳的信号光入射至所使用的棱镜光谱探测单元中的费里棱镜，费里棱镜集色散、会聚于一体，仅产生单一级次光谱，信号光经过费里棱镜前表面的色散，后表面的反射，会聚到焦平面形成连续光谱，同时参考光接收单元中凹面镜将参考光会聚至线阵列探测器，线阵列探测器读出会聚光线的位置，反馈控制正使用的费里棱镜扫描转动，正使用的费里棱镜转动时其反射的信号光的连续光谱在焦平面上移动，由陷阱探测器接收正使用的费里棱镜出射的信号光，信号光经过陷阱探测器五次反射吸收，五次反射后反射出来的光认为全部吸收了，即可以忽略，陷阱探测器测量各光谱波段的绝对光通量，根据信号光入光口面积和分光光路的透过率，计算得到太阳光光谱的绝对辐照度；关闭经常使用棱镜光谱仪的信号光入光口，打开另外一个隔一定周期后使用的费里棱镜光谱仪的信号光入光口成为正在使用的光谱仪，信号光被正使用的费里棱镜色散、会聚后，进入耦合望远镜，在耦合望远镜中被球面反射镜依次反射后，信号光的色散会聚光被引入到经常使用的费里棱镜作为单色入射光源，分别测量单色入射光未进入经常使用的费里棱镜前的光通量和经过经常正使用的费里棱镜反射后的光通量，将两者相比即得到经常使用的费里棱镜的透过率。

本发明包括二维转台、太阳跟踪器和棱镜光谱仪。所述的棱镜光谱仪固定在二维转台上，在太阳跟踪器的反馈控制下转台转动，带动棱镜光谱仪始终对准太阳，由棱镜光谱仪测量太阳的光谱辐照度。

棱镜光谱仪由两个相同的棱镜光谱探测单元构成，它们呈镜像对称安装，互为备份，并且可以通过耦合光路相互定标光路透过率。

棱镜光谱探测单元采用费里棱镜(以下简称Fèry棱镜)分光，太阳光经过光谱仪入射狭缝照射到Fèry棱镜上，同时棱镜扫描转动，由陷阱探测器测量出通过出射狭缝的各光谱波段的绝对光通量，并根据入射狭缝面积和分光光路的透过率，反演计算得到阳光光谱绝对辐照度。

设陷阱探测器的输出为电压V，可以表示为

V＝A∫_ΔλE(λ)t(λ)R(λ)dλ    [V]              (1)

其中E(λ)是待测的太阳光谱辐照度(W cm^-2nm^-1)，A是入射狭缝的面积(cm²)，R(λ)是陷阱探测器的通量响应率(V W^-1)，t(λ)是分光光路在波长λ处的透过率，Δλ是由分光光路决定的、能引起探测器有效响应的光谱带宽(nm)。

本发明结构简单易于实现，有效地解决了传统技术的太阳辐射观测设备无法满足观察精度要求的问题。通过设置二维转台能有效地实现对太阳光的跟踪，通过在光谱仪壳体内设置有两套相互对称的光谱探测单元，能够实现光谱探测单元相互定标，并且当一套光谱探测单元损坏时，可以由另一套光谱探测单元替换。

附图说明

图1为本发明测量原理图。

图2为本发明外观示意图。

图3为本发明棱镜光谱仪内部光谱探测单元光路图。

图4为耦合望远镜光路图。

图5为参考光接收单元光路图。

图6为陷阱探测器光路示意图。

图7为费里棱镜光路图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示。高精度太阳细分光谱辐射度观测装置，包括有转动安装于二维转台1上的棱镜光谱仪2，棱镜光谱仪2包括壳体，壳体外部固定有太阳跟踪器3，太阳跟踪器3电连接外部控制装置，外部控制装置根据太阳跟踪器3的反馈信号控制二维转台1带动棱镜光谱仪2转动对准太阳，壳体一个端面开有供太阳光入射的多个信号光入光口及多个参考光入光口，壳体内设置有两个呈镜像对称的可转动的费里棱镜4、5，及呈镜像对称的分别与费里棱镜一一配合的陷阱探测器6、7，每个费里棱镜4、5其反射面各自对准壳体上不同的信号光入光口，太阳光从信号光入光口入射至费里棱镜，被费里棱镜反射至陷阱探测器，一个费里棱镜及与之配合的一个陷阱探测器分别构成棱镜光谱探测单元；壳体内还设置有与两个费里棱镜4、5光路配合的耦合望远镜14，耦合望远镜14包括镜筒8及设置于镜筒8两端的反射面相对的球面反射镜9、10，两球面反射镜9、10之间设置有狭缝11，转动费里棱镜4时，费里棱镜4的反射光入射至耦合望远镜镜筒一端侧壁的开孔进入其中一个球面反射镜9上，经过狭缝11，被耦合望远镜两端的球面反射镜10反射后，从耦合望远镜镜筒另一端侧壁开孔出射至另一个费里棱镜5，分别测量进入费里棱镜5前入射光的光通量和经过费里棱镜5反射回去的光通量，实现对费里棱镜5费里棱镜透过率的定标；还包括分别与棱镜光谱探测单元一一配合的两个参考光接收单元，参考光接收单元包括凹面镜12和与凹面镜12光路配合的线阵列探测器13，凹面镜固定于费里棱镜顶端与费里棱镜共同转动，参考光入光口开在所述信号光入光口上方。凹面镜其凹面分别对准不同的参考光入光口，太阳光从参考光入光口入射至凹面镜，被凹面镜反射至线阵列探测器，线阵列探测器电连接外部控制装置，外部控制装置根据线阵列探测器的反馈信号控制费里棱镜转动。

高精度太阳细分光谱辐射度观测方法为：将棱镜光谱仪、太阳跟踪器对准太阳，太阳光从棱镜光谱仪壳体上的信号光入光口及参考光入光口入射至棱镜光谱仪，太阳跟踪器通过比较入射太阳光在空间方向的大小，反馈控制二维转台转动，使棱镜光谱仪始终对准太阳；

使用其中一个棱镜光谱探测单元，另外一个棱镜光谱探测单元每隔一定的周期使用一次，以监测经常使用的棱镜光谱探测单元的衰变；太阳的信号光入射至所使用的棱镜光谱探测单元中的费里棱镜，费里棱镜集色散、会聚于一体，仅产生单一级次光谱，信号光经过费里棱镜前表面的色散，后表面的反射，会聚到焦平面形成连续光谱，同时参考光接收单元中凹面镜将参考光会聚至线阵列探测器，线阵列探测器读出会聚光线的位置，反馈控制正使用的费里棱镜扫描转动，正使用的费里棱镜转动时其反射的信号光的连续光谱在焦平面上移动，由陷阱探测器接收正使用的费里棱镜出射的信号光，信号光在陷阱探测器五次经过反射吸收，由陷阱探测器测量出各光谱波段的绝对光通量，根据信号光入光口面积和分光光路的透过率，计算得到太阳光光谱的绝对辐照度；关闭经常使用棱镜光谱仪的信号光入光口，打开另外一个隔一定周期后使用的费里棱镜光谱仪的信号光入光口成为正在使用的光谱仪，信号光被正使用的费里棱镜色散、会聚后，进入耦合望远镜，在耦合望远镜中被球面反射镜依次反射后，信号光的色散会聚光被引入到经常使用的费里棱镜作为单色入射光源，分别测量单色入射光未进入经常使用的费里棱镜前的光通量和经过经常正使用的费里棱镜反射后的光通量，将两者相比即得到经常使用的费里棱镜的透过率。

棱镜光谱仪是核心组成部分。太阳跟踪器通过比较入射太阳光在空间方向的大小，反馈控制二维转台转动，带动棱镜光谱仪始终对准太阳。

棱镜光谱仪包含了两个独立的棱镜光谱探测单元，它们的结构完全相同，对称安装，两个棱镜光谱探测单元通过耦合光路相互定标光谱单元光路的透过率。其中一个棱镜光谱探测单元经常使用，另外一个棱镜光谱探测单元每隔一定的周期使用一次，用于监测经常使用的棱镜光谱探测单元的衰变。并且当其中一个发生故障时由另外一个棱镜光谱探测单元代替工作。

棱镜光谱探测单元采用Fèry棱镜分光、陷阱探测器探测。Fèry棱镜集色散、会聚于一体，并仅产生单一级次光谱，因而有利于降低杂散光、提高光通量，提高信噪比。太阳光经过壳体的信号光入光口照射到Fèry棱镜上，入射光经过Fèry棱镜前表面的色散，后表面的反射，会聚到焦平面形成连续光谱，同时Fèry棱镜扫描转动，连续光谱在焦平面上移动，由陷阱探测器测量出通过出射狭缝的各光谱波段的绝对光通量，并根据入射狭缝面积和分光光路的透过率，计算得到阳光光谱绝对辐照度。

Fèry棱镜的扫描转动由参考光接收单元精确反馈控制。参考光接收单元路由凹面反射镜、线阵列探测器组成，凹面反射镜固定在Fèry棱镜顶部与棱镜一起转动，凹面反射镜反射的太阳光会聚在线阵列探测器上，由线阵列探测器读出会聚光线的位置，反馈控制棱镜的旋转角度。

陷阱探测器由三片大面积无窗硅光电二极管固定在结构体上构成反射式光敏元件。入射光经过五次反射吸收，使总反射率大大降低，并对入射光的偏振状态是非敏感的。此结构提高了光电转换效率和灵敏度，降低了测量不确定度。陷阱探测器相对于低温辐射计进行绝对光功率响应度的定标，实现光通量的绝对测量。

耦合望远镜的作用是联接两个棱镜光谱探测单元的光路，将其中一个棱镜光谱探测单元的色散光会聚光引入到另外一个棱镜光谱探测单元作为入射光源照射另外一个Fèry棱镜，Fèry棱镜通过旋转机构切入光路，分别测量入射棱Fèry棱镜前的光通量和经过Fèry棱镜反射后的光通量，将两者相比即得到测试Fèry棱镜的透过率。

Claims (3)

1.高精度太阳细分光谱辐照度观测装置，包括有安装于二维转台上的棱镜光谱仪，所述棱镜光谱仪包括壳体，壳体外部固定有太阳跟踪器，所述太阳跟踪器电连接外部控制装置，外部控制装置根据太阳跟踪器的反馈信号控制二维转台带动棱镜光谱仪转动对准太阳，其特征在于：所述壳体一个端面开有供太阳光入射的多个信号光入光口及多个参考光入光口，壳体内设置有两个呈镜像对称的可转动的费里棱镜，及呈镜像对称的分别与费里棱镜一一配合的陷阱探测器，每个费里棱镜其反射面各自对准壳体上不同的信号光入光口，太阳光从信号光入光口入射至所述费里棱镜，被费里棱镜反射至所述陷阱探测器，一个费里棱镜及与之配合的一个陷阱探测器分别构成棱镜光谱探测单元；壳体内还设置有与两个费里棱镜光路配合的耦合望远镜，所述耦合望远镜包括镜筒及分别设置于镜筒两端的且反射面相对的二个球面反射镜，两球面反射镜之间设置有狭缝，转动费里棱镜时，所述费里棱镜的反射光入射至所述耦合望远镜一端侧壁开孔入射到其中一个球面反射镜上，反射光经过狭缝，被耦合望远镜另一端的球面反射镜依次反射后，从耦合望远镜另一端侧壁上开孔出射至另一个费里棱镜，实现两个光谱探测单元的相互定标；还包括分别与棱镜光谱探测单元一一配合的两个参考光接收单元，所述参考光接收单元包括凹面镜和与凹面镜光路配合的线阵列探测器，所述凹面镜其凹面分别对准不同的参考光入光口，太阳光从参考光入光口入射至凹面镜，被凹面镜反射至线阵列探测器，所述线阵列探测器电连接外部控制装置。

2.根据权利要求1所述的高精度太阳细分光谱辐照度观测装置，其特征在于：所述凹面镜固定于费里棱镜顶端与费里棱镜共同转动，所述参考光入光口与信号光入光口上下设置。

3.利用权利要求1所述的高精度太阳细分光谱辐照度观测装置观测高精度太阳细分光谱辐射照的方法，其特征在于：太阳跟踪器通过比较入射太阳光在空间方向的大小，反馈控制二维转台转动，使棱镜光谱仪始终对准太阳，太阳光从棱镜光谱仪壳体上的信号光入光口及参考光入光口入射至棱镜光谱仪；

使用其中一个棱镜光谱探测单元，另外一个棱镜光谱探测单元每隔一定的周期使用一次，以监测经常使用的棱镜光谱探测单元的衰变；太阳的信号光入射至所使用的棱镜光谱探测单元中的费里棱镜，费里棱镜集色散、会聚于一体，仅产生单一级次光谱，信号光经过费里棱镜前表面的色散，后表面的反射，会聚到焦平面形成连续光谱，同时参考光接收单元中凹面镜将参考光会聚至线阵列探测器，线阵列探测器读出会聚光线的位置，反馈控制正使用的费里棱镜扫描转动，正使用的费里棱镜转动时其反射的信号光的连续光谱在焦平面上移动，由陷阱探测器接收正使用的费里棱镜出射的信号光，信号光经过陷阱探测器五次反射吸收，五次反射后反射出来的光认为全部吸收了，即可以忽略，陷阱探测器测量各光谱波段的绝对光通量，根据信号光入光口面积和分光光路的透过率，计算得到太阳光光谱的绝对辐照度；关闭经常使用棱镜光谱仪的信号光入光口，打开另外一个隔一定周期后使用的费里棱镜光谱仪的信号光入光口成为正在使用的光谱仪，信号光被正使用的费里棱镜色散、会聚后，进入耦合望远镜，在耦合望远镜中被球面反射镜依次反射后，信号光的色散会聚光被引入到经常使用的费里棱镜作为单色入射光源，分别测量单色入射光未进入经常使用的费里棱镜前的光通量和经过经常正使用的费里棱镜反射后的光通量，将两者相比即得到经常使用的费里棱镜的透过率。

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