CN101881662B - 全自动可见短波红外细分光谱辐照度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，包括有积分球，步进电机驱动的弧形挡光条可遮挡在入光口上方以遮挡太阳直射，积分球的出光口接入有集束式光纤；还包括有单色仪、模拟信号处理电路，单色仪的阵列探测器输出信号通过信号线接入信号处理电路。本发明运用天文学理论及高等数学相关算法计算得出每次转动的角度，以遮挡太阳直射光信号，从而测得天空漫射照度。本发明三个分光探测单元实现了模块化，可根据用户的不同选择任意组合，以满足不同用户对探测波段范围的要求，有较强的适应性。

Description

全自动可见短波红外细分光谱辐照度计

技术领域

本发明涉及环境遥感观测领域，具体涉及用于大气光学特性、太阳辐射传输的研究与观测的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计。

背景技术

太阳光谱辐照度计主要用于太阳辐射的研究与观测、大气光学特性研究以及研究太阳输送到地球的能量等领域。以太阳辐射作为光源，可实现两部分辐照度的测量：①上部2π半球空间的全辐照度；②天空向下大气对太阳的漫射辐射照度，两者相减得到太阳直射照度。通过这些参数还可以反演大气光学厚度、大气透过率等光学参数。这些都是环境光学遥感领域重要的研究内容。

随着技术的发展和遥感应用领域的不断拓展，遥感观测需求对光谱辐照度计的技术要求越来越高。对具备宽波段范围、高光谱分辨率、高智能化的太阳光谱辐照度计的需求愈发迫切。从国内外研制现状来看，目前用于环境遥感科学领域的高端辐照度计、日射计等多是国外研究机构所研制，国内研制此类仪器的机构较少。而放眼国内外现有的用于遥感观测领域的光谱辐照度计，至今没有一台有着较宽的光谱范围(如：从可见光400nm～短波红外2500nm)，而且具有较高光谱分辨率的细分光谱的太阳辐照度计。根据调研结果，目前国内外现有的太阳照度计，测量光谱范围长波最长只能到1600nm。为遥感研究领域，特别是对于卫星传感器的地面定标应用方面具有很大的局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，以解决国内环境遥感科学领域的高端太阳光谱辐照度计研制尚处于空白的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：包括有积分球，所述积分球顶部开有入光口，有由步进电机驱动其转动的弧形挡光条可挡在入光口上方遮挡太阳直射，所述挡光条的内弧面朝向积分球，所述积分球的出光口接有集束式光纤；还包括有单色仪，所述单色仪包括三个工作波长范围不同的模块化的分光探测单元，集束式光纤的另一端分束成三束分束光纤后一一对应接入三个分光探测单元，所述各分光探测单元包括滤光片、入射狭缝、平场凹面光栅，以及与对应的平场凹面光栅工作波长匹配的阵列探测器，所述分束光纤的出光口对准滤光片，所述入射狭缝、阵列探测器的光敏面分别位于平场凹面光栅反射面一侧，所述阵列探测器的信号输出端通过信号线接入所述模拟信号处理电路。

所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述积分球为余弦特性的积分球，积分球内壁材料采用聚四氟乙烯材料，积分球入光口与积分球直径比列θ＝1∶4.2，为保证系统具有良好的朗伯特性，积分球出光口处设计有遮挡直射光和一次反射光信号的聚四氟乙烯材料(F4)挡光片。

所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述三个分光探测单元的工作波长范围分别为400～1000nm、900～1700nm和1700～2500nm，其中工作波长范围在1700～2500nm的分光探测单元中设置有由外部制冷电路控制的制冷装置对所述工作波长范围在1700～2500nm的InGaAs PDA阵列探测器制冷。

所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述模拟信号处理电路包括与阵列探测器信号输出端连接的滤波放大电路、与滤波放大电路电连接的程控放大电路；控制与采集电路包括单片机、与程控放大电路电连接的A/D转换电路，所述单片机通过总线接有数据存储电路、显示电路、键盘电路、计算机接口电路，步进电机驱动电路。所述A/D转换电路通过总线接入单片机与单片机通讯，所述阵列探测器驱动电路采用CPLD控制器为主控制器，为阵列探测器正常工作提供时序，CPLD时序信号输出端与分光探测单元中的阵列探测器电连接。

一般地，辐照度计的测量工作需要测量两个光学参量：一是测量上部半球空间的全照度，二是测量天空漫射照度；测量天空漫射照度需要去掉太阳直射成分，因此，一般的照度计都有挡光设备。有的用圆形球、有的用圆盘、有的是具有一定长度和宽度的挡光条；本发明的照度计是全自动无人职守的，这就要求系统具有自动跟踪太阳运动并挡掉太阳直射光进入积分球的功能；再加上野外仪器要求仪器尽量体积小、重量轻，所以本发明只用一个步进电机带动挡光条运动。要用一个步进电机带动挡光设备跟踪高度角、方位角都在变化的太阳只能采用弧形挡光条，因此本发明采用挡光条作为挡光设备。

一般地，照度计只需要分两步测量：一是挡光设备不挡光测量全照度；二是挡光设备挡住积分球入瞳测量天空漫射照度；但是，由于本发明照度计设计的挡光条具有一定长度、宽度，在测量漫射照度时，它不仅挡住了太阳直射，同时也挡住了一部分天空散射光，这样就使测得的漫射照度偏小，从而使得计算得到的太阳直射偏大；因此计算太阳直射时需要对测得的漫射照度进行补偿。为此设计了四步测量方案，此方案可以减小测量误差。

四步测量就是整个测量过程由四个步骤组成：

第一步：挡光条位于积分球入瞳所处水平面下方，测量全照度(E1)；

第二步：挡光条旋转至太阳直射位置恰好挡掉太阳直射光进入积分球，测量近似天空漫射照度(E2)；

第三、四步：挡光条在第二次测量位置上分别向左、右各转一个小角度(6°；以积分球入瞳口刚好全部暴露在阳光下为宜)测量两次(E3)(E4)，这两次的平均值与E1的差值作为测量漫射时被挡光条过多挡掉的天空散射光，用来补偿第二步的测量值。

分析以上测量结果可以得出以下结论；设：

ΔE＝E1-[(E3)+(E4)]/2    (3.3)

可以认为ΔE近似为第二次测量中被挡光条过多挡掉的天空散射光。这样，可得太阳直射照度值为：

E＝(E1-(E2+ΔE))/cosθ    (3.4)

式中，θ为当时的太阳天顶角。

本发明采用CCD探测器+平场凹面光栅的固定光路阵列探测技术。平场凹面光栅集分光、像差校正、汇聚于一体，把入射狭缝的光谱图像汇聚到一个平面上，CCD探测器能同时探测到各光谱的强度信号。这样的设计无需准直光路及色散后的会聚光路无运动部件单元器件全固化，最大限度简化结构的复杂性。由于受到光栅视场和探测器的限制，短波红外波段需分为：1000～1650nm、1650～2450nm两个波段探测单元，采用光纤导光，分别进入单元各探测单元，在整个工作波长范围需要三个独立的分光探测单元来实现，初步确定三个单元的探测波长范围分别为：

(1)400～1000nm

(2)1000～1650nm

(3)1650～2400nm

此外，本系统还设计了可变的视场角。

本发明积分球挡光机构由单个步进电机工作带动一长度可调节的弧形挡光条旋转，运用天文学理论及高等数学相关算法计算得出每次转动的角度，以遮挡太阳直射光信号，从而测得天空漫射照度。本发明三个分光探测单元实现了模块化，可根据用户的不同选择任意组合，以满足不同用户对探测波段范围的要求，有较强的适应性。此外，根据仪器挡光方式可能引起的误差在软件算法上进行了相应的校正，并把此校正融入仪器的测量工作流程，从而在数据源上避免了误差，使得数据精度、准确性得到保证。

附图说明

图1为本发明系统原理框图。

图2为本发明光学系统原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示。全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，包括有积分球1、积分球1顶部开有入光口，内有遮挡直射光以及一次反射光的F4小挡板9，由步进电机7驱动其转动的弧形挡光条8可挡在入光口上方，挡光条8的内弧面朝向积分球1，积分球1的出光口接入有集束式光纤2；测量主体为单色仪10，包括三个工作波长范围不同的模块化的分光探测单元，集束式光纤2的出口端分成三束分束光纤后一一对应接入三个分光探测单元，各分光探测单元均包括滤光片4、入射狭缝3、平场凹面光栅5，以及与对应的平场凹面光栅5工作波长匹配的阵列探测器6，分束光纤的出光口对准滤光片4，入射狭缝3、阵列探测器6的光敏面分别位于平场凹面光栅5反射面一侧，阵列探测器6的信号输出端通过信号线接入信号处理电路。

积分球1为余弦特性的积分球，积分球1内壁材料采用聚四氟乙烯材料，积分球1入光口与积分球直径比列θ＝1∶4.2，积分球1出光口中设置有遮挡直射光信号与一次反射光信号的F4小挡板9。

三个分光探测单元10的工作波长范围分别为400～1000nm、900～1700nm和1700～2500nm，其中工作波长范围在1700～2500nm的分光探测单元中设置有由外部制冷电路控制的制冷装置11对工作波长范围在1700～2500nm的分光探测单元制冷。

模拟信号处理电路包括与阵列探测器6信号输出端连接的滤波放大电路13、与滤波放大电路13电连接的程控放大电路14，控制与采集电路包括单片机12、与与程控放大电路14电连接的A/D转换电路15，单片机12通过总线BUS连接数据存储电路16、液晶显示电路模块17、键盘电路18、计算机接口电路19；A/D转换电路15通过总线BUS连接单片机12与其通讯；电机驱动模块由单片机12控制发送驱动脉冲，驱动步进电机工作，做正、反向旋转；探测器驱动电路由CPLD控制器20担任主控芯片，负责阵列探测器工作时序的产生；单片机12与CPLD 20相连接进行控制应答通信，CPLD驱动电路20发出的驱动时序信号分别接入分光探测单元10中的的各阵列探测器6。

本发明中，电源设计成交、直流两用，直流采用专业锂电池供电，交流采用专业电源转换模块，保证各种环境条件下稳定供电。系统软件包括下位机(单片机)的控制软件、CPLD探测器驱动软件和上位机(PC机)的数据传输及处理软件。

积分球上只开了两个孔：入射孔和出射孔；入射光通过入射孔进入积分球，经球壁多次反射均匀地照射在球壁各面元上；出射孔出射的部分光经入射狭缝进入单色仪，经色散元件平场凹面光栅分光，调节光栅使得分光后的光信号聚焦在阵列探测器的光敏面上。经光电转换成模拟电信号，再经A/D转换变成数字信号，单片机采集此数字信号即时显示于点阵液晶上，并存储于内部RAM里，由计算机接口电路输入计算机储存、处理。

Claims (4)

1.全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：包括有积分球，所述积分球顶部开有入光口，有由步进电机驱动其转动的弧形挡光条可挡在入光口上方，所述挡光条的内弧面朝向积分球，所述积分球的出光口接入有集束式光纤；还包括有单色仪、探测器信号处理电路及驱动电路，系统控制与采集电路，所述单色仪包括三个工作波长范围不同的模块化的分光探测单元，集束式光纤的另一端分束成三束分束光纤后一一对应接入三个分光探测单元，所述每个分光探测单元都包括滤光片、入射狭缝、分光用平场凹面光栅，以及对应波段的线阵探测器，其中，可见光波段采用硅光二极管阵列、近红外及短波红外波段采用InGaAs PDA阵列探测器，所述分束光纤的出光口对准滤光片，所述入射狭缝、各波段探测器的光敏面分别位于平场凹面光栅反射面一侧，接收其分光的反射光信号，所述阵列探测器的信号输出通过信号线接入模拟信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述积分球为余弦特性的积分球，积分球内壁材料采用聚四氟乙烯材料，积分球入光口与积分球直径比例θ＝1∶4.2，为保证系统具有良好的朗伯特性，积分球出光口处设计有遮挡直射光和一次反射光信号的聚四氟乙烯材料(F4)挡光片。

3.根据权利要求1所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述三个分光探测单元的工作波长范围分别为400～1000nm、900～1700nm和1700～2500nm，其中工作波长范围在1700～2500nm的分光探测单元中设置有由外部制冷电路控制的制冷装置对所述工作波长范围在1700～2500nm的分光探测单元制冷。

4.根据权利要求1所述的全自动可见短波红外细分光谱辐照度计，其特征在于：所述模拟信号处理电路包括与阵列探测器信号输出端连接的滤波放大电路、与滤波放大电路电连接的程控放大电路；所述探测器驱动电路采用CPLD控制器给各阵列探测器发送工作时序，CPLD控制器输出的工作时序信号直接与分光探测单元的阵列探测器相连接；所述系统控制与采集电路包括单片机、与程控放大电路电连接的A/D转换电路，所述单片机通过总线连接数据存储电路、显示电路、键盘电路、计算机接口电路，步进电机驱动电路，所述A/D转换电路通过总线接入单片机。