CN102680088A - 基于ccd自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，包括跟踪镜筒和两个光信号镜筒，由水平轴电机和俯仰电机共同驱动镜筒运动，CCD探测器探测跟踪镜筒内的光信号，图像采集卡将信号采集下来；光信号镜筒内的光信号进入经过滤光片只允许某一波段的太阳光通过，六个滤光片和两个黑屏对称的安装在滤光盘上，滤光盘通过一步进电机控制其转动，通过滤光片的光信号进入两组小孔光阑，通过两组小孔光阑的光信号被一光电探测器探测到，信号经放大调理后送入数据采集卡中。本发明不仅可以测量天气晴朗条件下大气光学厚度，也可以通过直接测量不同视场角光强信号的比值来反演卷云的大气光学厚度和有效尺度，具有精度高，结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于CCD自动跟踪的双筒多
视场太阳辐射计。
背景技术
经过多年不断探索，太阳辐射计技术在国内已经日渐成熟，由中科院安光所研制的DTF系列太阳辐射计又叫太阳光度计是用来测量太阳直接辐射的光谱特性的仪器。太阳辐射计可用于同时测量不同波长的太阳直接辐射和天空散射辐射（即日晕）。从直接辐射测量可得到各个波长的大气光学厚度。大气光学厚度表示某波长的光波垂直穿透整层大气的能力，由它可计算出大气浑浊度。测量太阳直接辐射和天空光角散射的光谱特性可以较好的了解大气中气溶胶粒子的平均尺度谱。根据这些数据还可以计算出大气中水汽，臭氧以及氮氧化物等污染气体分子在整个大气层中的含量，反演出气溶胶粒子谱和光学特性等参数。因此它是大气光学，气象研究和空气污染监测的一种很好的仪器。但是它只能在天气晴好的条件下进行测量。本发明提出一种新的双筒变视场太阳辐射计不仅可以测量天气晴朗条件下的大气光学厚度，也可以通过直接测量不同视场角光强信号的比值来反演卷云的大气光学厚度和有效尺度。通过对窄视场卷云前向小角散射信息来反演云滴谱和云的光学厚度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，包括有安装在同一平台上的三个镜筒，其中一个镜筒为跟踪镜筒，另外两个为光信号镜筒，平台下方的控制箱内有涡轮蜗杆传动机构，由水平轴电机和俯仰电机共同驱动所述的涡轮蜗杆传动机构运转，所述的水平轴电机和俯仰电机受一8411运动控制卡的控制，另外，有一CCD探测器探测所述的跟踪镜筒内的光信号，将光信号转化为电信号后，输入一图像采集卡中；所述的滤光盘上对称的安装有六个滤光片和两个黑屏，所述的光信号镜筒内的光信号通过滤光片只有某一波段的光信号通过，滤光盘上还安装有光耦，滤光盘通过一步进电机控制其转动，所述的步进电机受所述的8411运动控制卡的控制，通过滤光片的光信号进入两组分别安装在两套滑动机构上的小孔光阑，两套滑动机构分别由两个电机控制滑动，所述的两个电机受一7200输入输出卡的控制，通过两组小孔光阑的光信号被一光电探测器探测到，将光信号转化为电信号后送入一可变增益放大器中，经过放大调理后的信号送入数据采集卡中，所述的可变增益放大器受所述的7200输入输出卡的控制，所述的7200输入输出卡的两个输入端与所述的光耦相连。
本发明的特征还在于：所述的光电探测器放置在一个带有恒温控制器的封闭盒内；所述的数据采集卡型号为USB DAQ500，24位；通过滤光片的光信号波长为442nm、672nm和880nm。
本发明的工作原理是：
8144运动控制卡控制两个水平轴电机和俯仰电机转动，这两个电机分别驱动相应的涡轮蜗杆传动机构从而带动跟踪镜筒运转，系统通过图像采集卡将CCD探测器测得的从跟踪镜筒接收的光斑信号采集下来，通过计算得出光斑中心与CCD探测器靶面成像中心的差值，当这个差值满足系统精度要求就认为系统完成跟踪，否则根据差值计算出水平轴电机和俯仰电机需要移动的步数让两个电机运转直到跟踪到太阳为止。此外为了防止跟踪镜筒等机械机构在水平和俯仰两个方向无节制运转导致的绕线问题，在这两个方向的极限位置分别设置了两个光藕，当机械机构运转到这几个极限位置时系统自动停止运转。
太阳光从两个光信号镜筒进入，经过滤光盘上的滤光片分光后通过小孔光阑照射到光电探测器上。电信号经过放大调理后送入采集卡。
根据系统需要，在一个滤光盘上安装6个滤光片，442nm,670nm,880nm，以及2个黑屏（用于测背景信号），6块滤光片对称安装（1-5，2-6，3-7安装相同波长的滤光片，4和8位置安装黑屏）。滤光盘由一个步进电机带动，步进电机通过8144运动控制卡的另外一轴控制。为了保证测量的顺利进行，需要确定测量时滤光盘的初始位置，此处将两块黑屏轴线的一端处作为零位。利用光耦检测出零位信号。
仪器要求测量0.8°,1.2°,2.0°各波段视场角的辐射信息。这3个视场角对应相应的小孔光阑。为了方便测量，将它们分成0.8°,1,2°和0.8°,2.0°两组小孔光阑，安装在两套滑动机构上。由7200输入输出卡的4个输出口产生两路脉冲信号以及两路方向控制信号控制2路变视场电机的转动从而达到变换视场角的目的，7200输入输出卡的另外两路输入口用于检测由光耦产生的两个滑块机构的零位信号。
辐射探测元件采用带有低噪音运算放大器的光伏探测元件，它具有较大的温度系数（大约5uv/℃）,并且探测器的各项性能参数都是在25℃条件下获得的，因此我们把光电探测器置于一个密闭盒内，将此盒的温度通过恒温控制装置—AI-518来减小温度变化对探测器精度的影响。我们将温度控制器的温度设定为25℃，当温度高于设定温度时控制器启动制冷片使密闭盒内的温度迅速降低，反之则启动加热装置使其温度升高从而使探测器周围的温度始终保持在25℃左右，在实际运行过程中，温度控制精度可达±0.1℃。光电探测器内部带有放大器，调节反馈电阻的大小可以得到适当的电压值。一般情况下前置级放大倍数不宜过大，本仪器要求探测达到5个量级的精度，在此只要光电探测器输出毫伏级电压，然后经过二三级可变增益放大电路，最大放大倍数可达1000倍。根据光信号强弱，程序自动选择合适的放大倍数。可变增益控制由7200输入输出卡输出口控制完成。放大调理后的信号送入数据采集卡完成数据采集，数据采集卡选用的是USB DAQ500，该卡24位，满足了系统所需的精度要求，它采用USB总线结构，即插即用，编程方便。信号输入：0~5V，采样速率最高可达60HZ.。通过调用动态链接库函数即可实现快速编程，支持多种开发语言，缩短了开发时间。
本发明的主要技术指标是：
测量波长（中心波长）：442，672，880 nm
滤光片光谱宽度 分别为10，11 ，14 nm
可变视场筒视场角：0.8°，1.2°，2.0°
固定视场筒的视场角：0.8°
双筒的平行度优于0.02°
视场角定标精度 <0.05°
视场角测定精度 <0.05°
太阳跟踪精度 <0.05°
探测器量程范围大于5个数量级
温度控制精度：±0.1℃
本发明的优点是：本发明不仅可以测量天气晴朗条件下大气光学厚度，也可以通过直接测量不同视场角光强信号的比值来反演卷云的大气光学厚度和有效尺度，具有精度高，结构简单等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，包括有安装在同一平台上的三个镜筒，其中一个镜筒为跟踪镜筒1，另外两个为光信号镜筒2，平台下方的控制箱内有涡轮蜗杆传动机构，由水平轴电机和俯仰电机3共同驱动所述的涡轮蜗杆传动机构运转，所述的水平轴电机和俯仰电机3受一8411运动控制卡4的控制，另外，有一CCD探测器5探测所述的跟踪镜筒1内的光信号，将光信号转化为电信号后，输入一图像采集卡6中；所述的滤光盘7上对称的安装有六个滤光片和两个黑屏，所述的光信号镜筒2内的光信号通过滤光片只有某一波段的光信号通过，滤光盘7上还安装有光耦，滤光盘7通过一步进电机8控制其转动，所述的步进电机8受所述的8411运动控制卡4的控制，通过滤光盘7的光信号进入两组分别安装在两套滑动机构9上的小孔光阑，两套滑动机构9分别由两个电机10控制滑动，所述的两个电机10受一7200输入输出卡11的控制，通过两组小孔光阑的光信号被一光电探测器12探测到，将光信号转化为电信号后送入一可变增益放大器13中，经过放大调理后的信号送入数据采集卡15中，所述的可变增益放大器13受所述的7200输入输出卡11的控制，所述的7200输入输出卡11的两个输入端与所述的光耦相连。
本发明的特征还在于：所述的光电探测器12放置在一个带有恒温控制器14的封闭盒内；所述的数据采集卡15型号为USB DAQ500，24位；通过滤光片的光信号波长为442nm、672nm和880nm。
Claims (4)
1.一种基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，其特征在于：包括有安装在同一平台上的三个镜筒，其中一个镜筒为跟踪镜筒，另外两个为光信号镜筒，平台下方的控制箱内有涡轮蜗杆传动机构，由水平轴电机和俯仰电机共同驱动所述的涡轮蜗杆传动机构运转，所述的水平轴电机和俯仰电机受一8411运动控制卡的控制，另外，有一CCD探测器探测所述的跟踪镜筒内的光信号，将光信号转化为电信号后，输入一图像采集卡中；所述的滤光盘上对称的安装有六个滤光片和两个黑屏，所述的光信号镜筒内的光信号通过所述的滤光片后只有某一波段的光信号通过，滤光盘上还安装有光耦，滤光盘通过一步进电机控制其转动，所述的步进电机受所述的8411运动控制卡的控制，通过滤光片的光信号进入两组分别安装在两套滑动机构上的小孔光阑，两套滑动机构分别由两个电机控制滑动，所述的两个电机受一7200输入输出卡的控制，通过两组小孔光阑的光信号被一光电探测器探测到，将光信号转化为电信号后送入一可变增益放大器中，经过放大调理后的信号送入数据采集卡中，所述的可变增益放大器受所述的7200输入输出卡的控制，所述的7200输入输出卡的两个输入端与所述的光耦相连。
2.根据权利要求1所述的基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，其特征在于：所述的光电探测器放置在一个带有恒温控制器的封闭盒内。
3.根据权利要求1所述的基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，其特征在于：所述的数据采集卡型号为USB DAQ500，24位。
4.根据权利要求1所述的基于CCD自动跟踪的双筒多视场太阳辐射计，其特征在于：通过滤光片的光信号波长为442nm、672nm和880nm。
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