CN103728016B - 基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法 - Google Patents

基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种遥测极化分集系统，主要解决了现有技术中存在的分集系统结构较为复杂且难以实现，具有很大的局限性，不利于推广应用的问题。该遥测极化分集系统包括第一A/D采样器，第二A/D采样器，输入端与第一A/D采样器相连、输出端连接有第一多速率信号处理器的第一混频器，输入端与第一多速率信号处理器相连、输出端连接有差模环和共模环的第一低通滤波器，输入端与第二A/D采样器相连、输出端连接有第二多速率信号处理器的第二混频器，输入端与第二多速率信号处理器相连、输出端连接有差模环和共模环的第二低通滤波器。通过上述方案，本发明达到了结构简单、便于实施，且性价比较高的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法
技术领域
本发明涉及一种太阳辐射观测装置，具体地说，是涉及一种基于光电原理的太阳辐射观测装置及其实现方法。
背景技术
太阳辐射是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流，气象业务中观测的辐射包括总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射，气象业务中主要通过辐射表实现对辐射的观测，因而，辐射表性能的好坏及性价比的高低为影响观测效果的重要因素。
目前气象业务中广泛使用的辐射表主要存在以下缺陷：
1、每种辐射表只能实现一种特定的辐射观测；
2、每种辐射表都基于光热原理，反应较慢；
3、每种辐射表均输出与辐射强度成线性关系的毫伏信号，需配备嵌入了特定算法的数据采集器才能实现相应辐射气象要素的观测，操作较为复杂；
4、随着时间推移，辐射表因器件老化等原因将产生零点漂移，会对观测精度造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光电原理的太阳辐射观测装置及其实现方法，主要解决现有技术中存在的辐射表功能较为单一，只能实现某种特定辐射观测，且反应较慢，观测精度不佳的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于光电原理的太阳辐射观测装置，包括微处理器，与微处理器相连的1~3路基于光电原理的信号检测及处理电路，与微处理器双向连接的补偿电路、监控电路、存储电路、时钟电路和通信接口电路。
具体地说，所述信号检测及处理电路包括光电检测电路，输入端与光电检测电路相连的信号调理电路，输入端与信号调理电路相连、输出端与微处理器相连的A/D转换电路。
为了提高使用精度，所述信号检测及处理电路还包括输入端与微处理器相连、输出端与信号调理电路相连的自动调零电路。
进一步地，所述光电检测电路包括对总辐射进行接收的第一光电二极管，仅对直接辐射或散射辐射进行接收的第二光电二极管和第三光电二极管，以及输入端与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管均相连、输出端与信号调理电路相连的信号检测电路。
作为优选，所述微处理器为嵌入式低功耗微处理器。
基于上述器件电路，本发明提供了一种基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法，包括以下步骤：
（1）用三只光电二极管感应太阳辐射，其中一只用于感应太阳总辐射，另外两只用于感应太阳散射辐射；
（2）光电检测电路对总辐射进行检测，并将检测到的信号依次传递至信号调理电路和A/D转换电路进行处理和转换，之后将转换后的数字信号传递至微处理器进行分析计算；
（3）微处理器根据接收到的数字信号分析计算得到太阳总辐射、直接辐射和散射辐射实时观测数据；
（4）微处理器将采集到的信号进行处理，并根据经纬度和北京时计算地方时，与计算到的数据一并存储，并自动根据时间判断在新月时启动调零电路进行自动调零处理。
本发明中，所述微处理器连接有进行数据输入和输出的通信接口电路，接收及响应上位机通过串口发送的命令，实现参数配置、校时、读取及补调数据等。
所述步骤（3）中，直接辐射通过以下公式得出：
其中，为光照度到辐照度转换线性比例修正系数；为第一支光电二极管光接收总辐射的光电强度；为直接辐射或散射辐射光电二极管光接收窗口系数；为第二支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；为第三支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；为光照度到辐照度转换补偿系数；
水平面直接辐射通过以下公式得出：
其中，为垂直于太阳入射光的直接辐射；为根据经纬度和北京时间计算的太阳高度角；
    散射辐射通过以下公式得出：
    
其中，为太阳总辐射和散射辐射光电二极管接收窗口至天空2π立体角系数；
太阳总辐射通过以下公式得出：。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明针对现有辐射表的不足，通过特定的信号检测及处理电路实现了对多种辐射的检测，且摈弃了现有技术中惯用的光热检测原理，采用光电检测原理进行检测，速度更快，功能更齐全，能充分满足使用需求。
（2）本发明中设置有监控电路、补偿电路、时钟电路，且它们均与微处理器相连，几者相互配合后能实现辐射表的补偿，有效提高辐射表的观测精度，且设置了相应的自动调零电路，从而进一步提高了使用精度，设计十分巧妙，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例     针对现有辐射表的不足，本发明设计了一种基于光电原理的太阳辐射观测装置，以实现对多种太阳辐射的观测，且具有辐射表自动调零、自动补偿、历史观测数据的存储和补调等功能。如图1所示，该光电型太阳辐射观测装置以微处理器为核心，包括第一~第三3路光电检测电路、第一~第三3路信号调理电路、第一~第三3路A/D转换电路、第一~第三3路自动调零电路、系统监控电路、补偿电路、时钟电路、存储电路和通信接口电路。
其中，光电检测电路的输出端与信号调理电路相连，实现光电信号的检测，信号调理电路的输出端与A/D转换电路相连，A/D转换电路的输出端与微处理器相连，自动调零电路的输入端与微处理器相连、输出端与信号调理电路相连，形成一闭环电路，实现信号的转换和调零；时钟电路、系统监控电路和补偿电路分别与微处理器双向连接，实现对本发明的补偿；通信接口电路与微处理器双向连接，接收及响应上位机通过串口发送的命令，实现参数配置、校时、读取及补调数据等；存储电路与微处理器双向连接，实现历史观测数据的存储和补调；存储电路与微处理器双向连接，实现历史观测数据的存储和补调。
本发明中，微处理器优选嵌入式低功耗微处理器，其功能包括：数字信号处理、辐射计算、补偿计算、调零控制、信号存储、读取和补调等。
作为一种优选，本发明中的光电检测电路包括对总辐射（包括直接辐射和散射辐射）进行接收的第一光电二极管，仅对直接辐射或散射辐射进行接收的第二光电二极管和第三光电二极管，以及输入端与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管均相连、输出端与信号调理电路相连的信号检测电路。考虑到实际需求，优选采用三路光电检测电路进行信号接收，如图1所示，相应地，将信号检测电路设置为三路，该三路信号检测电路的输入端分别与第一、第二、第三光电二极管相连、输出端分别与第一、第二、第三信号调理电路相连。
按上述设置后，根据以下变量符号及计算公式便可计算出太阳辐射值：
为太阳高度角，可根据经纬度和北京时间计算；为太阳总辐射；为太阳散射辐射；为垂直于太阳入射光的直接辐射；为水平面太阳直接辐射；为第一支光电二极管光接收总辐射的光电强度；为第二支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；为第三支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；为光照度到辐照度转换线性比例修正系数；为光照度到辐照度转换补偿系数；为直接辐射或散射辐射光电管接收窗口系数；为总辐射和散射辐射光电二极管接收窗口至天空2π立体角系数，与太阳高度角有关。
则垂直于太阳入射光的直接辐射计算公式为；水平面直接辐射计算公式为；散射辐射计算公式为；总辐射计算公式为，按照上述公式便可计算出太阳辐射。
本发明中，各电路和器件模块均为现有技术，在此便不作更多说明。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (2)

1.基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法，其中，基于光电原理的太阳辐射观测装置包括微处理器，与微处理器相连的1～3路基于光电原理的信号检测及处理电路，与微处理器双向连接的补偿电路、监控电路、存储电路、时钟电路和通信接口电路；所述信号检测及处理电路包括光电检测电路，输入端与光电检测电路相连的信号调理电路，输入端与信号调理电路相连、输出端与微处理器相连的A/D转换电路；所述光电检测电路包括对总辐射进行接收的第一光电二极管，仅对直接辐射或散射辐射进行接收的第二光电二极管和第三光电二极管，以及输入端与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管均相连、输出端与信号调理电路相连的信号检测电路，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用三只光电二极管感应太阳辐射，其中一只用于感应太阳总辐射，另外两只用于感应太阳散射辐射；
(2)光电检测电路对总辐射进行检测，并将检测到的信号依次传递至信号调理电路和A/D转换电路进行处理和转换，之后将转换后的数字信号传递至微处理器进行分析计算；
(3)微处理器根据接收到的数字信号分析计算得到太阳总辐射、直接辐射和散射辐射实时观测数据；
(4)微处理器将采集到的信号进行处理，并根据经纬度和北京时计算地方时，与计算到的数据一并存储，并自动根据时间判断在新月时启动调零电路进行自动调零处理；
其中，所述步骤(3)中，直接辐射通过以下公式得出：
S＝ai×(L1-c×min(L2,L3))+bi
其中，ai为光照度到辐照度转换线性比例修正系数；L1为第一支光电二极管光接收总辐射的光电强度；c为直接辐射或散射辐射光电二极管光接收窗口系数；L2为第二支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；L3为第三支光电二极管光接收直接辐射或散射辐射的光电强度；bi为光照度到辐照度转换补偿系数；
水平面直接辐射通过以下公式得出：
SL＝S×sinHA
其中，S为垂直于太阳入射光的直接辐射；HA为根据经纬度和北京时间计算的太阳高度角；
散射辐射通过以下公式得出：
Ed＝di×(ai×(c×min(L2,L3))+bi)
其中，di为太阳总辐射和散射辐射光电二极管接收窗口至天空2π立体角系数；
太阳总辐射通过以下公式得出：Eg＝di×(ai×L1+bi)。
2.根据权利要求1所述的基于光电原理的太阳辐射观测装置的实现方法，其特征在于，所述微处理器连接有进行数据输入和输出的通信接口电路。
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