CN103207016B

CN103207016B - 光谱型太阳辐射照度测量仪

Info

Publication number: CN103207016B
Application number: CN201210590678.0A
Authority: CN
Inventors: 曹彦波; 吕文华; 于爱民; 费强; 宋大千; 陈保卫; 曹博成
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-12-30
Filing date: 2012-12-30
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2032-12-30
Also published as: CN103207016A

Abstract

本发明的光谱型太阳辐射照度测量仪涉及照度测量与信息处理的技术领域。测量仪由光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元、GPS模块单元、恒温控制单元及壳体等构成。本发明采用透镜汇聚太阳辐射、光纤束传输、光栅分光、阵列检测器等关键技术实现紫外、可见、近红外和红外等波段的太阳辐射照度测量，并通过数据接口实现观测数据的有线或无线传输。本发明是具有波长分辨功能的高分辨率的太阳辐射观测仪器，能够获得某一时刻辐射照度-波长的二维谱图，也可以获得辐射照度-波长-时间的三维谱图，数据信息量丰富，在气象观测、太阳能资源评估、大气污染检测、现代农业及生态安全研究等领域具有广阔的应用前景。

Description

光谱型太阳辐射照度测量仪

技术领域

本发明涉及一种照度测量技术与信息处理的技术领域，具体为太阳光谱辐射照度测量仪器，可分别用于测量紫外、可见、近红外和红外等四个波段的太阳光谱辐射照度。

背景技术

太阳辐射是地球能量的最主要来源，是大气和海洋变化的原动力。近年来，科学家们发现了越来越多的太阳辐射周期变化与地球气候变化相关联的证据。太阳照度的微小变化，能够对我们星球的气候产生巨大影响。研究太阳辐射与全球气候变化的关系，需要长期、精确的太阳辐射观测数据，因而对太阳辐射照度的观测显然具有特别重要的意义。

另一方面，随着石油、煤炭、天然气等化石能源的逐渐紧缺和生态环境的日益恶化，太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，已被公认为是未来最有竞争力的能源之一，其有效开发利用对于解决全球能源危机、应对气候变化具有十分重要的意义。例如，对于太阳能光热应用，光谱范围大约为305～2800nm的直接辐射和散射辐射能量均可被利用；对于太阳能光伏应用，光谱范围大约为400～1100nm的可见光均可被吸收；因此，针对不同的利用方式对太阳光谱辐射能量分布情况进行观测、评价是太阳能资源高效开发利用的前提和关键。另外，为了开发高效率的太阳能电池，准确、快速测量太阳辐射与太阳能电池的转换效率和输出性能之间的关系就成为不可或缺的关键技术，特别需要具有波长分辨功能的、高分辨率的太阳辐射观测仪器。

不仅如此，目前在大气污染检测、大气光学研究、现代农业研究、环境污染监测、生态安全研究等领域，均对太阳光谱辐射测量提出了更加量化、细化、精确化的要求，这都有赖于高分辨率、高灵敏度和高速响应的太阳辐射测量仪器。

市场上常见的太阳辐射测量仪基本上以积分型辐射表居多，其中大致可分为热电型、光电型和分光型三类。其中热电型辐射表常用的热电转换元件为热电偶等，缺点是灵敏度随着使用时间变化，响应速度慢、无波长分辨功能。光电型辐射表常用的光电传感器有光电二极管、光电三极管、硅太阳电池、光伏传感器和光电倍增管等，不足之处是波长范围窄，光谱灵敏度不均匀，并且传感器的光谱特性与太阳辐射光谱分布不相吻合，测量误差大。如专利CN101122522A（一种紫外辐射表），采用硅光探测器。专利CN2643297Y（高精度光谱辐射亮度计）采用3片平面型硅光电二极管检测器。分光型辐射表采用干涉滤光片选择波段，观测某一特定波长范围内的太阳辐射总量，其结果仅仅局限于几个分立波长上的细节，不能反映太阳辐射的光谱特征。这三类辐射表由于光学系统没有色散元件，检测器只有一个测量通道（单元），不具备波长分辨功能，测量的信号为某一时刻仪器有效波长范围内太阳辐射能量的积分值，这种积分型辐射表因为数据包含的信息量少，无法获得太阳光谱的总体分布情况信息，远远不能满足目前各领域对太阳辐射量化与细化测量的需要。

近年来出现了采用色散元件的光谱型太阳辐射测量仪，但大多采用光电倍增管（简称PMT）作为光电探测器。例如，专利CN201637488U（太阳光谱测量系统），其光电检测器采用光电倍增管，仪器内部利用精密机械传动机构实现波长扫描，获得光谱分布信息，实时性差，系统复杂，体积庞大，需要计算机实现数据采集、控制和显示，很难适合户外应用场合。专利CN101504314A（大气紫外辐射通量测量装置及其测量方法），利用PMT或电荷耦合器件（简称CCD）实现紫外辐射测量，其光学接收部分放置在室外，光谱仪等测量部分放置在室内，由计算机控制仪器的测量过程，测量系统体积大。其不足之处是用PMT时，同样需要机械扫描机构获得波长信息，测量速度慢；用光纤束将紫外光谱信号传输至室内时，需要很长的光纤，使得紫外光信号损失严重，且光纤的长距离铺设也存在安全隐患，要特别的防护措施。该专利采用的光纤束使用多条光纤进行组合，其输入端面呈圆形分布，输出端面呈直线型分布，难以标准化，成本也很高。专利CN101358878A（瞬态紫外多光谱辐射仪）公开了一种采用计算机经USB接口将卡塞格林光学成像系统获得的光谱信号用CCD探测单次闪光或稳态光源的紫外光谱仪。该仪器配置了插拔式瞄准镜头和计算机，主要侧重于闪光光源的紫外光谱测量，并不适合在室外进行移动的太阳整个光谱区域的快速测量，且只能采集单方向的光源信号。专利CN101943603A（一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪）公开的仪器中，虽然采用了CCD检测器，但其光学耦合系统采用传统的光学元件实现，存在体积大、装调工艺复杂、一致性难以保证等困难。该仪器采用遮光筒，使得入射光的角度受到限制，所测量的波段仅限于紫外区域。且光学部分没有防护用的快门，使用过程中存在安全隐患。

上述相关专利分别只涉及到本发明的部分技术，但均未见与本发明技术特点完全相符或类似的专利或文献报道。

发明内容

鉴于上述需求和现有太阳辐射照度测量仪器存在的问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种具有波长分辨功能的光谱型太阳辐射照度测量仪器与技术。基于上述仪器建立的太阳辐射照度测量原理和过程，使得测量结果的信息量丰富，有利于相关领域的研究与应用。

为解决本发明要解决的技术问题，本发明的技术方案是：

一种光谱型太阳辐射照度测量仪，结构包括以下单元：光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元及壳体，光学接收单元接收、处理的太阳光辐射信号经光学耦合单元传输至光纤光谱仪模块单元，并存储在光纤光谱仪模块单元内部的数据存储部分；

所述的光学接收单元位于壳体顶部，由半球状双层防护罩1、漫透射片2、滤光片3、透镜4按接收太阳辐射顺序构成；其中的滤光片3采用低通滤光片、带通滤光片或长通滤光片；

所述的光学耦合单元，由第一光纤接口、标准光纤跳线5和第二光纤接口构成；其中第一光纤接口实现光学接收单元与标准光纤跳线5的链接，第二光纤接口实现标准光纤跳线5与光纤光谱仪模块单元的链接；

所述的光纤光谱仪模块单元，位于壳体中央；含有光学系统、阵列检测器11、电路系统、微处理器和供电电源部分；其中的光学系统按光路顺序有光纤输入接口、入射狭缝6、快门7、准直镜8、光栅9、成像镜10；光纤输入接口与光学耦合单元的第二光纤接口相接；其中的阵列检测器11接收成像镜10的光信号；阵列检测器11是紫外敏感的阵列检测器、线阵CCD传感器或红外敏感的阵列检测器；其中的电路系统，主要由信号预处理电路、增益自动控制电路、A/D转换器和数据存储器（均采用现有的技术）构成；阵列检测器11的输出模拟信号经信号预处理电路处理、增益自动控制电路放大和A/D转换器信号转换，将辐射数据存储在数据存储器；其中的微处理器，采用现有的技术，实现阵列检测器11时序的产生与控制、A/D转换器的控制、并控制光谱数据的采集处理、设置测量参数、辐射数据存储与传输；其中的供电电源，采用现有的技术，实现对电路和微处理器的供电。

本发明的结构还可以有恒温控制单元，结构含有加热和致冷两部分，对温度敏感的光电元件均置于恒温的腔体内；采用通用的PID控制技术由微处理器自动控制光纤光谱仪模块单元的工作环境温度。

本发明的结构还可以有GPS模块单元；GPS模块的数据接口与光纤光谱仪模块中的微处理器连接并由微处理器控制。用于自动记录每次测量的经度、纬度和时间。

上述的紫外敏感的阵列检测器，优选背照型紫外增强阵列检测器；上述的红外敏感的阵列检测器，优选InGaAs阵列检测器。

上述的数据接口，能够连接计算机系统或数据采集控制中心，实现光谱型太阳辐射照度测量仪与计算机或数据采集控制中心之间的以有线或无线方式的数据传输。

上述的防护罩1，可以是双层的半球状防护罩1，安装在壳体的上端面之上，在防护罩的圆口端与壳体之间装有密封圈；防护罩内抽成真空状态。

本发明的光谱型太阳辐射照度测量仪中，所述的光学系统和电子学系统，分别装在外壳内设置的光学腔体和电学腔体中；在壳体内按自下而上顺序放置恒温控制单元、电学腔体和光学腔体。

在光纤光谱仪模块单元中的供电电源，配备内置可充电电池和/或配置专用外接电源接口。

本发明更具体的技术方案如下所述。

一种具有波长分辨功能的光谱型太阳辐射照度测量仪器，该仪器包括以下单元：光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元、GPS模块单元、恒温控制单元及壳体等。所述的光学接收单元位于壳体顶部，用来接收、处理来自太阳的光辐射信号，其输出光辐射信号经光学耦合单元的标准光纤跳线传输至光纤光谱仪模块单元的输入接口；光纤光谱仪模块单元位于壳体中央，含有光学系统、阵列检测器、电路系统、微处理器、数据存储、数据接口和供电电源等部分，光纤光谱仪模块的输入接口接收来自光学接收单元的太阳辐射信号，其输出的观测数据可暂存至其内部的数据存储部分，并可经其数据接口部分以有线或无线方式传输给计算机系统或数据采集控制中心。GPS模块的数据接口与光纤光谱仪模块的控制系统连接并由光纤光谱仪模块内部的微处理器控制；恒温控制单元在光纤光谱仪模块单元底部，保证仪器在室外工作时，光纤光谱仪模块单元的工作温度处于安全范围之内。壳体内部放置光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元、GPS模块单元、恒温控制单元等。

所述的光学接收单元由半球状双层防护罩、漫透射片、滤光片、透镜构成。所述半球状双层防护罩根据测量波段不同，可采用石英玻璃罩、普通玻璃罩。半球状防护罩防止灰尘、潮气进入光学系统，并且使得各个方向入射的太阳辐射均有相同的透过率，其内部抽成真空状态，以防止结露，影响测量结果；所述的漫透射片可以采用含有细小石英颗粒的高纯度的熔融石英玻璃片，或者选用含有微细气泡的石英玻璃片，还可以选用合适厚度的聚四氟乙烯片。漫透射片使从各个方向入射的太阳光产生散射或漫透射，使光线混合分布均匀，改善入射光辐射的角度特性（即相对于入射光角度的灵敏度特性），实现太阳入射光辐射的全方位入射功能；所述滤光片根据测量波段不同，可以采用低通滤光片、带通滤光片、长通滤光片，用来适应不同波段的太阳辐射测量；所述的透镜可以为石英透镜，也可为螺纹透镜，螺纹透镜由聚丙烯材料加工而成。通过设计合理的光线接收角度和选用合适的漫透射片来解决太阳辐射信号的有效收集问题，实现高效收集太阳光谱辐射信号的目标，确保仪器具有稳定的测量灵敏度；光学接收单元通过采取防护罩、密封圈等技术措施，保证仪器在各种气候条件下能够正常进行辐射观测。

所述的光学耦合单元包括第一光纤接口、标准光纤跳线和第二光纤接口。其中第一光纤接口实现光学接收单元与标准光纤跳线的链接，第二光纤接口实现标准光纤跳线与光纤光谱仪模块的链接。标准光纤跳线两端采用SMA905型标准接口，简单、实用、方便、价廉。光学耦合单元主要实现太阳辐射信号与光纤光谱仪模块之间的最佳光学匹配，提高辐射信号传输效率。按照辐射测量的不同波段，选择信号损失小、传输效率高、硬度合适的、不同材质的光纤跳线。例如，紫外和红外波段的仪器选择石英材质的光纤跳线，如BGSU-100/104-125-22-PI型号的紫外石英光纤跳线、BGWU-1000/1100-1300-22-AC型红外石英光纤跳线，可见光与近红外波段的仪器选择普通玻璃材质的光纤跳线，如BGTU-600/660-710-22-PI型的光纤跳线。

所述的光纤光谱仪模块单元置于壳体中央，光纤光谱仪模块单元包括光学系统、阵列检测器、电路系统、微处理器、数据存储、数据接口和供电电源等部分。其中光学系统部分又含有光纤输入接口、入射狭缝、快门、准直镜、光栅、成像镜等。光纤接口为SMA905标准形式，入射狭缝为固定宽度的、由机械加工工艺或光刻工艺实现的元件，快门为电磁驱动的通用微型电气元件，准直镜、光栅、成像镜等为市售通用光学元件。光学系统的光路为赛纳－特纳型通用光路，准直镜、光栅、成像镜等光学元件要针对不同测量波段采用相应的光学工艺制作或采购。阵列检测器则要考虑到所测光谱波段范围和光谱信号的强弱，选择不同类型的光电阵列检测器。例如，在太阳辐射中，紫外辐射仅占太阳辐射总量的0.1%左右。因此，为了测量紫外区的太阳辐射，除了采用干涉滤光片去除其余99.9%的其它光谱区域的光辐射能量外，还应该采用紫外敏感的阵列检测器，如背照型紫外增强阵列检测器；对于可见区辐射测量仪器，通常选择线阵CCD传感器；对于近红外与红外区辐射测量仪器，选用红外敏感的阵列检测器如InGaAs阵列检测器。阵列检测器的输出模拟信号采用通用的高速运算放大器进行处理、放大。光谱数据的采集选用通用的高速A/D转换器，提高电子系统数据采集的速度。为了满足电池供电的目标，在电路设计时从结构设计、元器件的选用、参数选择等方面进行低电流设计、低电压设计和低功耗设计。例如，阵列检测器的输出信号预处理用的放大器可选用AD8042型高速运算放大器，其电源可以采用单电压5V供电，功耗只有50mW左右。A/D转换器采用AD9220型高速低功耗转换器，其最大转换速率为10M/秒，最大功耗低于250mW。微处理器采用通用的ARM系列微处理器，高性能32位精简指令集架构，具有高性能/功耗比和嵌入式电路仿真功能，运行频率可达55MHz，并且具有USB2.0全速接口或扩展其它各种数据接口。光纤光谱仪模块的电子测控采用双处理器技术，其中一个微处理器A专门用来实现阵列检测器时序的产生与控制、A/D转换器的控制、光谱数据的采集处理与传输，提高光谱数据的测量速度，并保证测量数据的准确性；另一个微处理器B则用来设置辐射仪的测量参数、控制参数、恒温控制、GPS参数读取、数据存储，并与PC机或数据采集控制中心之间进行信息交换，实现辐射数据的传输功能。数据存储部分配置稳定的、大容量的闪存数据存储器，由微处理器B控制其工作流程，可以存储规定时间内的光谱数据，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息，防止有价值的数据遗失，无需在工作时外置计算机。数据接口部分分为有线方式和无线方式两种形式。所述的有线方式可以采用RS485、RS422、RS232、USB、CAN等多种形式实现；所述的无线方式可以采用通用的蓝牙技术、射频技术、GPRS、卫星DCP通信等多种传输方式实现，方便用户在需要时实时查看太阳光谱数据。光纤光谱仪模块单元中的数据接口可以实现仪器与计算机或数据采集控制中心之间的数据传输，并且使仪器具有组网功能，可实现特定区域多个太阳辐射测量仪组群进行实时、同步测量，从而获取这一空间的太阳辐射梯度随时空变化的精准数据，对于太阳能资源评估等相关领域的研究和实际应用具有重要的意义。供电电源部分配备内置可充电电池如锂电池为仪器供电，同时还配备专用外接电源接口，可由外部提供直流电源为仪器供电。外部直流电源又可以是来源于太阳能电池板的电压经稳压处理后供给仪器使用，还可以是由交流市电经通用电路处理后供给仪器使用，该部分提高了仪器的环境适应性。

仪器的软件系统包括底层驱动软件、顶层操作软件、仪器与PC机或数据采集控制中心之间的数据传输接口软件三部分。

底层驱动软件的主要功能有：（a）通过处理器A的多个I/O端口来控制阵列检测器的各种逻辑状态；（b）通过处理器A的地址线和数据线来读取A/D转换器转换出的数字信号并进行数据预处理；（c）通过微处理器B的通讯接口来接受PC机或数据采集控制中心发来的命令，或者向PC机或数据采集控制中心传送光谱辐射数据；（d）通过仪器跳线的设置来判断并启动自升级功能。

顶层操作软件及数据传输接口软件基于Windows平台编制，包括3个部分：（a）底层的设备驱动程序；（b）PC机控制/操作软件；（c）仪器二次开发软件接口。设备驱动程序完成仪器的基本操作功能，如仪器状态监控、阵列检测器驱动、数据采集处理等。PC机控制软件通过底层的设备驱动程序来控制、操作仪器。仪器的二次开发软件接口采用动态链接库的方式提供，主要包括查询仪器状态、发送命令、读取数据这三项功能。

为实现仪器全天候运行的目标，光、电腔体完全密闭并保持干燥，并在仪器的光纤光谱仪模块单元底部增加恒温控制单元，所有对温度敏感的光电元件均置于恒温的腔体内。恒温控制单元能够保持光纤光谱仪模块单元内部含有的各种光学元件、阵列检测器和电子元件构成的光、电系统保持恒温（大约25℃），抑制光电器件的温漂，大大改善测量灵敏度的稳定性，进而保证光谱数据（辐射照度、波长）的一致性，满足仪器野外使用的要求。恒温控制单元含有加热和致冷两部分，该单元采用通用的PID控制技术自动控制光纤光谱仪模块单元的工作环境温度。当环境温度低于正常值时，加热部分开始工作；当环境温度高于正常值时，致冷部分启动珀尔贴半导体致冷器件开始工作。

内置的GPS模块还可以自动记录每次测量的经度、纬度和时间，有利于在数据分析时为用户提供更加丰富的有用信息。

所述的壳体形状为圆筒型或方形，采用机加工艺制作。壳体具有防水、防尘、防结露等功能。光纤光谱仪模块腔体采用低应力的铝质材料加工而成，并分为光学和电学两个腔体，光学部件与电学器件分腔放置。在光学腔体中，分光器件、阵列检测器及其微电路被牢固地固定光学底座上，腔内无任何其它电子元件；在电学腔体中，放置电路板和电学器件。这样，既提高了光学系统的稳定性和电子学系统的抗干扰能力，又使光学部件和电学器件的调试过程互不干扰。

本发明的光谱型太阳辐射照度测量仪的工作过程可以归纳为下面的步骤：

步骤1：启动仪器，仪器自动进行初始化。利用内置的GPS模块单元判断当地时间；

步骤2：若时间处于当地日出～日落时间范围，则仪器启动恒温控制单元。当温度趋于稳定后，设置阵列检测器的积分时间至最小值，打开光学系统的快门，某一时刻从太阳发出的所有波长的光辐射通过双重防护罩入射到漫透射板，经过漫透射板的均匀混合，消除入射光的方向性误差（即余弦效应）；

步骤3：漫透射板接收的光辐射经过滤光片选择测量波段，再利用螺纹透镜聚焦到光纤入口（即第一光纤接口处），通过标准光纤跳线耦合传输，进入光纤光谱仪模块单元的光学输入接口，成为点光源；

步骤4：点光源发出的光辐射信号照射至准直镜成为平行光线，再投射到光栅表面，经过光栅色散分开后反射到成像镜，经成像镜反射到阵列检测器的光敏面上并依次按照波长大小排列，每个像元的位置对应于光谱信号不同的波长。阵列检测器完成光电转换，每个像元累积的电荷量正比于该波长处所接收的光谱辐射能量，即正比于辐射照度[W/m²nm]*积分时间[sec]，也即仪器内部数据采集电路采集的数字信号（简称ADC值）；

步骤5：第一微处理器A利用其数字端口严格控制阵列检测器的时序和门控等信号，使得阵列检测器信号输出的时序与其光敏元位置的顺序一一对应。在控制信号的作用下，数据采集电路对阵列检测器的输出信号进行顺序采样，获得各个波长处的、代表光谱辐射能量高低的数字信号（ADC值）。于是，有如下公式：

光辐射能量[J/cm²]=ADC值＝K（λ）辐射照度[W/cm²]*积分时间[sec]

式中，K（λ）是照度标定系数，积分时间是光照射到阵列检测器的各个象元上，电荷在各个象元累积的时间（即受光时间）；

步骤6：仪器根据该数字信号的大小，自动调节阵列检测器的积分时间，直到获得合适的数字信号；

步骤7：调节阵列检测器的积分时间为最佳值，获得该条件下的光谱辐射强度。然后关闭快门，测量背景信号强度；

步骤8：第二微处理器B首先对采集的信号进行预处理，于是根据采样的顺序，就可以获得光谱信号所在的波长，而每个象元处的数字信号（ADC值）则代表该波长处的光辐射能量值。利用下列公式：

即可获得每个波长点处的太阳光谱辐射照度值。

步骤9：上述测量数据由第二微处理器B预处理后暂存至闪存存储器（即数据存储器）内，可分时段、分批或实时由输出接口传送至计算机或数据采集控制中心进行处理、显示、分析和归档，利用不同的数据处理方式，获得辐射照度的二维谱图或三维谱图。

本发明的仪器选用不同的滤光片3、和相应的防护罩1、透镜4、阵列检测器11等，可以测量紫外、可见、近红外和红外四个波段的太阳辐射照度。紫外波段波长范围：300～400nm；可见近红外波段波长范围：350～1000nm；近红外波段波长范围：900～1700nm；红外波段波长范围：1500～2500nm。

本发明的意义与优点：

1、本发明的辐射测量仪利用阵列检测器与光谱测量技术相结合，既可获得某一时刻辐射照度-波长的二维谱图，还可获得辐射照度-波长-时间的三维谱图，数据信息量将更加丰富，这对于不断变化的太阳光谱辐射测量具有无与伦比的优势，可适应气象观测、太阳能资源评估、大气污染检测、大气光学研究、现代农业及生态安全研究等不同的研究和应用领域。

2、仪器采用光纤传导技术和全封闭、全固态结构，无可动部件，极大地提高辐射照度与波长的准确性和稳定性。

3、仪器的光学系统与电子学系统高度集成，内置MCU（即微处理器），体积更小，便于携带，允许仪器在无外部PC机的条件下自动进行测量、记录。内置恒温控制模块，有利于实现室外连续观测。

4、数据接口具有有线和无线双重传输功能，组网方便，适合大范围太阳辐射照度变化梯度的研究应用。

5、仪器的测量灵敏度能够自动进行调节，可以适应不同强度的辐射照度的观测。

附图说明

图1、本发明的太阳辐射照度测量仪原理框图。

图2、本发明的光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元构成及连接的示意图。

图3、本发明的电子学系统原理框图。

图4、由本发明太阳辐射照度测量仪获得的二维谱图。

图5、由本发明太阳辐射照度测量仪获得的三维谱图。

图6、本发明的太阳辐射照度测量仪的外观图。

具体实施方式

实施例1以下结合附图对本发明仪器的具体实施方式进行说明。

基于本发明的光谱型太阳辐射照度测量仪器，其原理框图如图1所示。本发明的仪器采用光学色散方法，基于光谱测量、阵列检测器、ARM微处理器为核心技术，构成光谱型太阳辐射照度测量仪器。

该仪器包括：光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元、GPS模块单元、恒温控制单元及壳体等单元组成。其中光学接收单元位于壳体的顶部，用来接收、处理来自太阳的光辐射信号；光学耦合单元利用标准光纤跳线连接光学接收单元的输出接口与光纤光谱仪模块单元的输入接口；光纤光谱仪模块单元位于壳体的中央，含有光学系统、阵列检测器、电路系统、微处理器、数据存储、数据接口和供电电源等部分，光纤光谱仪模块的输入接口接收来自光学接收单元的太阳辐射信号，其输出的观测数据可暂存至其内部的数据存储部分，还可以经其数据接口部分以有线或无线方式传输给计算机系统或数据采集控制中心。GPS模块的数据接口与光纤光谱仪模块的控制系统连接并由模块内部的微处理器控制；恒温控制单元在光纤光谱仪模块单元的底部，保证仪器在室外工作时，光纤光谱仪模块单元的工作温度处于安全范围之内。壳体内部放置光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元、GPS模块单元、恒温控制单元等。

所述的光学接收单元（参见图2）由半球状双层防护罩1、漫透射片2、滤光片3、透镜4构成。所述半球状双层防护罩1根据测量波段不同，可采用石英玻璃罩、普通玻璃罩。其中，紫外波段的仪器采用石英材质的紫外光学石英玻璃罩，如JGS2牌号的石英材料，满足紫外光谱辐射能量高效地通过防护罩；可见光波段与近红外波段的仪器采用普通玻璃罩即可满足使用要求；红外波段的仪器采用红外光学石英玻璃罩，如JGS3牌号的石英材料。半球状防护罩1防止灰尘、潮气进入光学系统，并且使得各个方向入射的太阳辐射均有相同的透过率，其内部抽成真空状态，以防止结露，影响测量结果；所述的漫透射片2可以采用含有细小石英颗粒的高纯度的熔融石英玻璃片，或者选用含有微细气泡的石英玻璃片，还可以选用合适厚度的聚四氟乙烯片，如1mm厚度的薄片。漫透射片2使从各个方向入射的太阳光产生散射或漫透射，使光线混合分布均匀，改善入射光辐射的角度特性（即相对于入射光角度的灵敏度特性），实现太阳入射光辐射的全方位入射功能；所述滤光片3根据测量波段不同，可以采用低通滤光片、带通滤光片、长通滤光片，用来适应不同波段的太阳辐射测量；例如，紫外波段的仪器选用低通滤光片，削除强烈的可见光区对紫外测量的影响。可见光波段的仪器利用带通滤光片消除紫外区产生的二级、三级衍射光对可见光波段测量值的影响；近红外波段的仪器同样选用带通滤光片，消除紫外、可见与红外波段太阳辐射的影响；红外波段的仪器选用长通滤光片，消除红外以下波段的辐射对测量的影响。所述的透镜4可以为石英透镜，也可为螺纹透镜，例如，紫外波段的仪器选用紫外光学石英玻璃透镜，可见光波段与近红外波段的仪器可以选用螺纹透镜，螺纹透镜由聚丙烯材料加工而成，红外波段的仪器选用红外光学石英玻璃透镜。通过设计合理的光线接收角度和选用合适的漫透射片来解决太阳辐射信号的有效收集问题，实现高效收集太阳光谱辐射信号的目标，确保仪器具有稳定的测量灵敏度；光学接收单元通过采取防护罩、密封圈等技术措施，保证在各种气候条件下仪器能够正常进行辐射观测。

所述的光学耦合单元（参见图2）包括第一光纤接口、标准光纤跳线5和第二光纤接口。其中第一光纤接口实现光学接收单元与标准光纤跳线5的链接，第二光纤接口实现标准光纤跳线5与光纤光谱仪模块的链接。标准光纤跳线5两端采用SMA905型标准接口，简单、实用、方便、价廉。光学耦合单元主要实现太阳辐射信号与光纤光谱仪模块之间的最佳光学匹配，提高辐射信号传输效率。按照辐射测量的不同波段，选择信号损失小、传输效率高、硬度合适的、不同材质的光纤跳线。例如，紫外和红外波段的仪器选择石英材质的光纤跳线，可见光与近红外波段的仪器选择普通玻璃材质的光纤跳线。

所述的光纤光谱仪模块单元置于壳体中央，光纤光谱仪模块单元包括光学系统（参见图2）、阵列检测器11、电路系统、微处理器、数据存储、数据接口和供电电源等部分。其中光学系统部分又含有光纤接口、入射狭缝6、快门7、准直镜8、光栅9、成像镜10等。光纤接口为SMA905标准形式，入射狭缝6为固定宽度的、由机械加工工艺或光刻工艺实现的元件，快门7为电磁驱动的通用微型电气元件，准直镜8、光栅9、成像镜10等为市售通用光学元件。光学系统的光路为赛纳－特纳型通用光路，准直镜8、光栅9、成像镜10等光学元件最好针对不同测量波段采用相应的光学工艺制作。

图2中的阵列检测器11的选择要充分考虑到所测光谱波段范围和光谱信号的强弱，选择不同类型的光电阵列检测器。在本发明中，由于需要测量的太阳辐射光谱主要集中在波长小于0.4μm的紫外波段，波长在0.40μm～0.75μm的可见光波段，波长在0.75～1.7μm的近红外，波长在1.5～2.5μm的红外波段。例如，在太阳辐射中，紫外辐射仅占太阳辐射总量的0.1%左右。因此，为了测量紫外区的太阳辐射，除了采用干涉滤光片3去除其余99.9%的其它光谱区域的光辐射能量外，还应该采用紫外敏感的阵列检测器，如背照型紫外增强二极管阵列检测器，典型器件如浜松公司生产的S3924-1024Q型（1024像元）或PE公司的RL2048DKQ型；对于可见区辐射测量仪器，通常选择线阵CCD传感器，典型器件如索尼公司生产的ILX554B型（2048象元）或东芝的TCD1304AP型；对于近红外与红外区辐射测量仪器，选用红外敏感的阵列检测器如InGaAs阵列检测器，典型器件如浜松公司的G9204-512D型（512像素）。

参见图3，阵列检测器11的输出模拟信号采用通用的高速运算放大器进行处理、放大。光谱数据的采集选用通用的高速A/D转换器，提高电子系统数据采集的速度。图3中的微处理器可以采用通用的ARM系列，高性能32位精简指令集架构，具有高性能/功耗比和嵌入式电路仿真功能，运行频率可达55MHz，并且具有USB2.0全速接口或扩展其它各种数据接口。

图3中，光纤光谱仪模块的电子测控系统采用双处理器技术，其中一个微处理器A专门用来实现阵列检测器11时序的产生与控制、A/D转换器的控制、光谱数据的采集处理与传输，提高光谱数据的测量速度，并保证测量数据的准确性；另一个微处理器B则用来设置辐射仪的测量参数、控制参数、恒温控制、GPS参数读取、数据存储，并与PC机或数据采集控制中心之间进行信息交换，实现辐射数据的传输功能。

图3中，光纤光谱仪模块单元的数据存储部分可以配置稳定的、大容量的闪存数据存储器，由微处理器B控制其工作流程，可以存储规定时间内的光谱数据，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息，防止有价值的数据遗失，无需在工作时外置计算机。

图3中，光纤光谱仪模块单元的数据接口部分分为有线方式和无线方式两种形式。所述的有线方式可以采用通用的RS485、RS422、RS232、USB、CAN等多种形式实现；所述的无线方式可以采用通用的蓝牙技术、射频技术、GPRS、卫星DCP通信等多种传输方式实现，方便用户在需要时实时查看太阳光谱数据。数据接口可以实现仪器与计算机或数据采集控制中心之间的数据传输，并且使仪器具有组网功能，可实现特定区域多个太阳辐射测量仪组群进行实时、同步测量，从而获取这一空间的太阳辐射梯度随时空变化的精准数据，对于太阳能资源评估等相关领域的研究和实际应用具有重要的意义。

光纤光谱仪模块单元的供电电源部分配备内置可充电电池如锂电池为仪器供电，同时还配备专用电源接口，可由外部提供直流电源为仪器供电。外部直流电源又可以是来源于太阳能电池板的电压经稳压处理后供给仪器使用，还可以是由交流市电经通用电路处理后供给仪器使用。该部分提高了仪器的环境适应性。为了满足电池供电的目标，在电路设计时从结构设计、元器件的选用、参数选择等方面进行低电流设计、低电压设计和低功耗设计。例如，阵列检测器的输出信号预处理用的放大器可选用典型的器件如AD8042型高速运算放大器，其电源可以采用单电压5V供电，功耗只有50mW左右。A/D转换器采用典型的器件如AD9220型高速低功耗转换器，其最大转换速率为10M/秒，最大功耗低于250mW。

为实现仪器全天候运行的目标，光电腔体完全密闭并保持干燥，并在仪器的光纤光谱仪模块单元底部增加恒温控制单元，所有对温度敏感的光电元件均置于恒温的腔体内。恒温控制单元能够保持光纤光谱仪模块单元内部含有的各种光学元件、阵列检测器和电子元件构成的光电系统保持恒温（大约25℃），抑制光电器件的温漂，大大改善测量灵敏度的稳定性，进而保证光谱数据（辐射照度、波长）的一致性，满足仪器野外使用的要求。恒温控制单元含有加热和致冷两部分，该单元采用通用的PID控制技术自动控制光纤光谱仪模块单元的工作环境温度。当环境温度低于正常值时，加热部分开始工作；当环境温度高于正常值时，致冷部分启动珀尔贴半导体致冷器件开始工作。

内置的GPS模块还可以自动记录每次光谱测量的经度、纬度和时间，有利于在数据分析时为用户提供更加丰富的有用信息。

图6给出太阳辐射照度测量仪的外观图。大体上说明壳体上方有半球形的防护罩1和遮光罩；在外壳内可以装入干燥剂；接线口即数据接口，用于连接计算机或数据采集控制中心，实现太阳辐射照度测量仪与计算机或数据采集控制中心之间的数据传输；水平泡、固定底脚、可调底脚用于调节测量仪的水平状态。

实施例2对本发明的光谱型太阳辐射照度测量仪的工作原理进行说明。

本发明的工作原理和工作过程包括：

步骤3：漫透射板接收的光辐射经过滤光片选择测量波段，再利用螺纹透镜聚焦到光纤入口，通过标准光纤跳线耦合传输，进入光纤光谱仪模块的光学输入接口，成为点光源；

步骤4：点光源发出的光辐射信号照射至准直物镜成为平行光线，再投射到光栅表面，经过光栅色散分开后反射到成像物镜，经成像物镜反射到阵列检测器的光敏面上并依次按照波长大小排列，每个像元的位置对应于光谱信号不同的波长。阵列检测器完成光电转换，每个像元累积的电荷量正比于该波长处所接收的光谱辐射能量，即正比于辐射照度[W/m²nm]*积分时间[sec]，也即仪器内部数据采集电路采集的数字信号（简称ADC值）；

辐射通量＝光辐射能量[J/m²]＝ADC值

＝K（λ）辐射照度[W/m²]*积分时间[sec]

步骤8：第二微处理器B首先对采集的信号进行预处理，于是根据采样的顺序，就可以获得光谱信号所在的波长，而每个象元处的数字信号（ADC值）则代表该波长处的光辐射能量值。利用照度标定系数K(λ)及下列公式：

即可获得每个波长点处的太阳光谱辐射照度值。

步骤9：上述测量数据由第二微处理器B预处理后暂存至闪存存储器内，可分时段、分批或实时由输出接口传送至计算机或数据采集控制中心进行处理、显示、分析和归档，利用不同的数据处理方式，获得辐射照度的二维谱图或三维谱图。

太阳光谱辐射照度的测量属于绝对量的测量，为了修正光电器件的光谱响应差异导致的测量光谱分布与真实光谱分布的差异，以及对不同波长的光谱响应灵敏度的差异，本发明的仪器在实际使用之前需要进行标定。标定分为波长标定和辐照度标定，其中最核心的标定是辐照度标定。

波长标定：

将标准光源经透镜汇聚至光纤入口处，使光源辐射进入测量仪的能量适中。测试光谱，点击光谱曲线上的波峰位置，再点击波长标定按钮，仪器自动记录波峰位置在阵列检测器上的像元位置，从而确定如标准汞灯的253.7nm、365.0nm、404.7nm波长值在阵列检测器上响应的像元位置。通过多项式拟合，建立像元位置与波长之间的对应关系，获得波长拟合系数。该拟合系数即是波长校正系数。然后自动输入到仪器中的波长标定数据库中，完成本发明仪器的波长标定过程。

照度标定：

以紫外波段为例，采用包含1米处辐射照度标准数据的石英卤钨灯作为300-400nm光谱辐射照度的传递标准光源。

光学接收单元接收标准光源的光谱辐射能量，通过调节光源距离，改变光入射功率值大小。为了减少环境杂散光的影响，定标在暗室内进行。将标准光源经衰减板照射到仪器的防护罩上，关闭快门，采集每个波长处的背景信号Q_B(λ)；打开快门，采集每个波长处光源的测量信号Q_S(λ)，通过测量光源光谱分布的测量值和实际值（标准数据）之比，可以得到仪器光谱照度标定系数K(λ)：

K (λ) = \frac{Q (λ)}{Q_{s} (λ) - Q_{B} (λ)} * T_{0}

式中Q(λ)为标准值，Q_S(λ)为信号值，Q_B(λ)为背景值，T₀为积分时间。

将每个波长处的照度标定系数K(λ)保存在照度标定数据库中，完成本发明太阳辐射照度测量仪的照度标定，该标定系数即可在实际观测时调用。

本发明所述的光谱型太阳辐射照度测量仪可以测量紫外、可见、近红外和红外四个波段的太阳辐射照度。其中：

①紫外波段：

波长范围：300～400nm；

波长间隔：0.8nm；

波长分辨率：＜3nm；

曝光（积分）时间：10ms～10s，自动调节；

辐射照度测量不确定度：±3％。

②可见近红外波段：

波长范围：350～1000nm；

波长间隔：0.6nm；

波长分辨率：＜5nm；

曝光（积分）时间：10ms～10s，自动调节；

辐射照度测量不确定度：±4％。

③近红外波段：

波长范围：900～1700nm；

波长间隔：1.56nm；

波长分辨率：＜7nm；

曝光（积分）时间：10ms～10s，自动调节；

辐射照度测量不确定度：±5％。

④红外波段：

波长范围：1500～2500nm；

波长间隔：3.0nm；

波长分辨率：＜20nm；

曝光（积分）时间：10ms～10s，自动调节；

辐射照度测量不确定度：±7％。

Claims

1.一种光谱型太阳辐射照度测量仪，结构包括以下单元：光学接收单元、光学耦合单元、光纤光谱仪模块单元及壳体，光学接收单元接收、处理的太阳光辐射信号经光学耦合单元传输至光纤光谱仪模块单元，并存储在光纤光谱仪模块单元内部的数据存储部分；

所述的光学耦合单元，由第一光纤接口、标准光纤跳线(5)和第二光纤接口构成；其中第一光纤接口实现光学接收单元与标准光纤跳线(5)的链接，第二光纤接口实现标准光纤跳线(5)与光纤光谱仪模块单元的链接；

所述的光纤光谱仪模块单元，位于壳体中央；含有光学系统、阵列检测器(11)、电路系统、微处理器和供电电源部分；其中的光学系统按光路顺序有光纤输入接口、入射狭缝(6)、快门(7)、准直镜(8)、光栅(9)、成像镜(10)；光纤输入接口与光学耦合单元的第二光纤接口相接；其中的阵列检测器(11)接收成像镜(10)的光信号；其中的电路系统，主要由信号预处理电路、增益自动控制电路、A/D转换器和数据存储器构成；阵列检测器(11)的输出模拟信号经信号预处理电路处理、增益自动控制电路放大和A/D转换器信号转换，将辐射数据存储在数据存储器；其中的微处理器，实现阵列检测器(11)时序的产生与控制、A/D转换器的控制、并控制光谱数据的采集处理、设置测量参数、辐射数据存储与传输；其中的供电电源，实现对电路和微处理器的供电；其特征在于，

所述的光学接收单元位于壳体顶部，由半球状双层防护罩(1)、漫透射片(2)、滤光片(3)、透镜(4)按接收太阳辐射顺序构成；其中的滤光片(3)采用低通滤光片、带通滤光片或长通滤光片；所述的阵列检测器(11)是紫外敏感的阵列检测器、线阵CCD传感器或红外敏感的阵列检测器。

2.根据权利要求1所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，结构还有恒温控制单元，结构含有加热和致冷两部分，对温度敏感的光电元件均置于恒温的腔体内；采用PID控制技术由微处理器自动控制光纤光谱仪模块单元的工作环境温度。

3.根据权利要求1所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，结构还有GPS模块单元；GPS模块的数据接口与光纤光谱仪模块中的微处理器连接并由微处理器控制。

4.根据权利要求1所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，所述的紫外敏感的阵列检测器，是背照型紫外增强阵列检测器；所述的红外敏感的阵列检测器，是InGaAs阵列检测器。

5.根据权利要求1、2或3所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，所述的数据接口，能够连接计算机系统或数据采集控制中心，实现光谱型太阳辐射照度测量仪与计算机或数据采集控制中心之间的以有线或无线方式的数据传输。

6.根据权利要求1所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，所述的防护罩(1)，是双层的半球状防护罩(1)，安装壳体的上端面之上，在防护罩(1)的圆口端与壳体之间装有密封圈；防护罩(1)内抽成真空状态。

7.根据权利要求1、2或3所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，所述的光学系统和电学系统，分别装在外壳内设置的光学腔体和电学腔体中；在壳体内按自下而上顺序放置恒温控制单元、电学腔体和光学腔体。

8.根据权利要求1所述的光谱型太阳辐射照度测量仪，其特征在于，所述的供电电源，配备内置可充电电池和/或配置专用外接电源接口。