CN106642009A - 一种大型试验厅室光照调控方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型试验厅室光照调控方法和系统包括：设立在被研究地的被研究地感光传感器阵列，被研究地感光传感器阵列通过计算网络与设立在研究地的计算机终端连接，计算机终端与设置在实验室内的补光板连接，实验室外设置采光装置，采光装置与光缆连接，光缆上设有通过计算机终端调整光参数的光控制装置并与光照板，计算机终端与设置在实验室内的研究地感光传感器阵列连接。本发明采用通过数据记录的方式记录被研究地的光照参数，在研究地利用光照参数复原的方式异地模拟光照情况，以此方式模拟光照情况，能够实现异地实时或异地事后的光照模拟实验，以此拓展气象，水文和农作物生长的实验的广度，使实验更加精确、合理并接近自然状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型试验厅室光照调控方法和系统，是一种气象水文的实验方法和系统，是一种在室内模拟室外某个地区的自然光照的方法和系统。
背景技术
大型的气象、水文、植物生长的模拟过程中，现有的通常做法是，在被研究区域专门设置一块土地，在这块土地上建立实验田地，直接利用当地自然的光照、雨量进行气象、水文和植物生长实验。这种实验的优点是可以直接利用当地的自然资源，缺点是如果需要在多地进行实验，就要在多地选取地块，这就会造成很高的实验成本，以致阻碍实验的进程。如果在异地模拟自然环境是需要解决的课题。
在一些实验过程中，存在坡面水土、植被等条件下的水文室内实验，但需要阳光照射或加速蒸发等自然条件的调控。现行的方法是直接将实验土槽移动到室外。在这种室内外转移的过程中，往往会对试验对象的结构造成破坏，从而增大了试验难度，增加了试验结果的不确定性。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种大型试验厅室光照调控方法和系统。所述的方法和系统通过网络系统连接两地，在一地的实验室中用模拟光照的形式对另一地的光照进行模拟，形成异地光照模拟。
本发明的目的是这样实现的：一种大型试验厅室光照调控方法，所述的方法包括如下步骤：
在被研究地，设立被研究地感光传感器阵列，采集被研究地的自然光各项参数；
将采集的自然光各项参数通过计算机网络传输至研究地；
在研究地，室外设立采光阵列，所述的采光阵列通过光纤将自然光引入实验室内，同时在所述实验室内设立补光阵列和研究地感光传感器阵列；
利用被研究地的自然光各项参数，使用研究地感光传感器阵列检测实验室内的模拟光照效果，调整光纤向实验室内传输光的参数，必要时开启补光阵列，以在研究地室内模拟被研究地的自然光照。
进一步的，研究地在收到被研究地发出的自然光各项参数，在进行光照实验的同时将自然光各项参数数据进行存储，以重复再现光照实验过程。
一种根据上述方法而建立的大型试验厅室光照调控系统，包括：设立在被研究地的被研究地感光传感器阵列，所述的被研究地感光传感器阵列通过计算网络与设立在研究地的计算机终端连接，所述的计算机终端与设置在实验室内的补光板连接，所述的实验室外设置采光装置，所述的采光装置与光缆连接，所述的光缆上设有通过计算机终端调整光参数的光控制装置并与光照板，所述的计算机终端与设置在实验室内的研究地感光传感器阵列连接。
进一步的，研究地感光传感器阵列和被研究地感光传感器阵列中的感光传感器是光合有效辐射传感器或总辐射传感器。
进一步的，所述的被研究地感光传感器阵列或者设有阳光追踪器，或者水平固定放置。
进一步的，所述的采光装置包括：凹面反光镜、聚光镜、采光罩、阳光追踪器。
进一步的，所述的补光板是LED阵列。
进一步的，所述的光照板和补光板重叠，形成自然光-补光照射阵列。
进一步的，所述的计算终端设有存储设施和能够存储被研究地一段时间的光照数据的数据库。
本发明产生的有益效果是：本发明采用通过数据记录的方式记录被研究地的光照参数，在研究地利用光照参数复原的方式异地模拟光照情况，以此方式模拟光照情况，能够实现异地实时或异地事后的光照模拟实验，以此拓展气象，水文和农作物生长的实验的广度，使实验更加精确、合理并接近自然状态。本发明除了可以根据以往观测数据复现光照过程模拟和再现不同地方的光照过程外，还可以人工设定不同的光照条件，实现极端情景模拟。本发明还可以很好的解决室内白天光照问题，可以方便实现室内日光照射和蒸腾等实验，使实验模拟调节更加精确、完整。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例二所述系统的原理示意图；
图2是本发明的实施例六所述采光装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种大型试验厅室光照调控方法。本实施例的基本思路是将被研究的光强、照度、光中所带有的能量通过传感器转换为电信号，再将电信号通过计算机网络传输至研究地，在研究地对被研究地的光照进行还原。还原的方式并两种，一种是通过光纤将研究地的室外自然光引入室内，同时在室内设立模拟太阳光的光照阵列，还原被研究地的光照状态，以此模拟被研究地的自然光照环境，进行相应的气象、水文和植物实验。
本实施例所述的大型实验厅室，是指具有几百、上千平方米开阔平面，和数米，甚至数十米高的宽阔空间的大型室内实验室，所针对的是进行水文、气象、土壤等方面的实验。而一百平方米以内的水文、气象、土壤实验室是小型实验室。
本实施例所述的方法包括如下步骤：
在被研究地，设立被研究地感光传感器阵列，采集被研究地的自然光各项参数。本步骤是在被研究地采集当地的自然光。这些自然光主要是直射阳光，因此，采集阳光的传感器应当具有追踪太阳的能力。
将采集的自然光各项参数通过计算机网络传输至研究地。所使用的计算机网络实际还应当包括公共的有线或无线通信网络，使用TCP或类似的协议，建立研究地和被研究地之间的信息即使传递，将被研究地的光照状态实时的传递到研究地。
在研究地，室外设立采光阵列，所述的采光阵列通过光纤将自然光引入实验室内，同时在所述实验室内设立补光阵列。在研究地，建立大型的室内实验室。实验室外内的模拟光照设施包括两种，一种是通过光纤将研究地的自然光引入室内，另一种是人工照明。由于自然光有其特有性能，人工光源很难达到自然光的效果，因此，本实施例采用光纤将自然光引入室内的方式尽量采用自然光模拟被研究地的自然光。但在多数情况下，还需要使用人工照明设施。
利用被研究地的自然光各项参数，使用研究地感光传感器阵列检测实验室内的模拟光照效果，调整光纤向实验室内传输光的参数，必要时开启补光阵列，以在研究地室内模拟被研究地的自然光照。通过比较被研究地的自然光各项参数和研究地室内的模拟光照情况，或调整光纤向实验室内传输光的参数，或开启补光阵列进行补光，以在研究地室内实时模拟被研究地的自然光照。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于光照模拟的细化。本实施例研究地在收到被研究地发出的自然光各项参数，在进行光照实验的同时将自然光各项参数数据进行存储，以重复再现光照实验过程。
本实施例是在研究地的计算机终端中设立数据库，将被研究地收集的光照数据存储起来，在需要实验的时候在提取这些数据，实现事后的再现光照模拟。这样可以是实验的范围更加广阔，冲破了时间地点的限制。事实上，完全可以在没有计算机网络的情况下，通过在被研究地感光传感器阵列对一段时间的光照参数记录的再现，实现不同时间和地点的模拟光照再现，拓展实验范围。
在实际操作中被研究地感光传感器阵列可以采用完全的自动化系统，在无人操作的情况下，可以稳定的工作很长一段时间，用以记录大量的被研究地的光照情况，获得的数据可以在之后很长一段时间内使用，再现当时的光照情况。
实施例三：
本实施例是一种根据实施例一所述方法而建立的大型试验厅室光照调控系统，如图1所示。本实施例包括：设立在被研究地1的被研究地感光传感器阵列2，所述的被研究地感光传感器阵列通过计算网络3与设立在研究地4的计算机终端5连接，所述的计算机终端与设置在实验室6内的补光板7连接，所述的实验室外设置采光装置9，所述的采光装置与光缆8连接，所述的光缆上设有通过计算机终端调整光参数的光控制装置10并与光照板11，所述的计算机终端与设置在实验室内的研究地感光传感器阵列12连接。
本实施例主要由两部分组成：被研究地的光照采集子系统，研究地的模拟光照子系统。
所述的光照采集子系统由于采集的是自然光，也就是太阳光，并且是针对气象、水文和植物生长有关的阳光部分，可以采用光合有效辐射传感器或总辐射传感器等用于气象、水文、植物生长领域的光传感器，或根据实验的需要可以使用专门检测光所带能量的红外辐射传感器或总辐射传感器。
被研究地感光传感器阵列的设置有两种选择。一种是将被研究地感光传感器阵列在开阔地带水平固定，完全模拟阳光照射地面的情况。这种情况适合于对被研究地的气象和水文的研究。另一种是使被研究地感光传感器阵列跟踪太阳的轨迹，跟踪阳光最强情况，这种方式对于农作物的研究十分有益。
模拟光照子系统是将被研究地的光照参数还原成模拟的光照。该子系统可以直接采用人工照明的方式。但为了更加接近模拟的光照情况，本实施例还采取了光纤传递自然光的方式，即通过光纤将研究地的自然光引入实验室中，形成相对真实的自然光。
为采集室外的自然光，本实施例采用了一套专门的自然光收集的采光装置，所采集的自然光通过光纤传递至室内，在室内将光纤传递来到的光恢复为自然光状态。
被研究地和研究地之间由于地域的差别，光照也有差别，因此，在被研究地采集的光照参数传输到研究地后，不论是采集自然光还是使用人工照明，还需要对模拟光照进行调整，以达到模拟被研究地光照目的。
补光板可以使用普通的人造光源，如白炽灯、日光灯等，也可以使用LED，采用LED的好处在于，可以将这种点光源按阵列排列，形成均匀的光源，模拟太阳光。
被研究地和研究地之间用计算机网络连接。通常情况下，在研究地也可以设置一个计算机网络终端，将被研究地感光传感器阵列收集的当地自然光参数进行处理后通过网络发出。当然也可以不使用网络终端，而直接使用带有网络功能的数字处理系统将收集的参数发出。
在研究地设立的计算机网络终端，不但有接收参数信息的功能，还有调整和控制实验室内模拟自然光的各项参数的作用。还可以在研究地的计算机终端中设立数据库，存储被研究地某一段时间的光照参数数据，当进行实验室提取这些数据，还原内段时间的光照情况。将实时的实验扩充为事后的记录模拟实验，使实验的范围更加广阔，更加灵活。
研究地设立的计算机网络终端可以是通用PC机或其他带有存储设施的工作站等数字计算装置。
实施例四：
本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于感光传感器的细化。本实施例所述的研究地感光传感器阵列和被研究地感光传感器阵列中的感光传感器是光合有效辐射传感器或总辐射传感器。
光合有效辐射传感器主要用于测量陆地环境中400-700nm波长范围内太阳光的光合有效辐射，具有测量准确、使用简单、稳定性好、免维护等特点。并通过一个400-700nm的光学滤光器，来测量波长在400-700nm范围内的光合有效辐射。光合有效辐射传感器广泛用于农业气象和农作物生长的研究等领域。该传感器采用响应非常灵敏硅光探测器。
由于太阳发射及传播的能量主要集中在短于4μm波长范围内的辐射，因此用于测量此波长范围内的太阳辐射能量的传感器称为总辐射传感器。
总辐射传感器可用来测量光谱范围为0.3～3μm太阳总辐射。如果将传感器的感应面向下可测量太阳光反射辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，如加遮光环可测量散射辐射。
总辐射传感器广泛应用于气象、太阳能利用、农业、建筑材料老化及大气污染等部门做太阳辐射能量的测量。
实施例五：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于被研究地感光传感器阵列细化。本实施例所述的被研究地感光传感器阵列或者设有阳光追踪器，或者水平固定放置。
本实施例所述的阳光追踪器根据太阳的位置自动进行跟踪，能够接受到最强的阳光。阳光追踪器可以是利用当地的经纬度，以及太阳在当地的升起和落下时间进行计算实现跟踪，或者采用卫星定位的方式进行追踪，或者采用光强点的追踪。
水平固定的被研究地感光传感器阵列，完全模拟被研究地的地面所获取的阳光，更加接近自然状态。
实施例六：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于采光装置的细化。本实施例所述的采光装置包括：凹面反光镜901、聚光镜902、采光罩903、阳光追踪器904，如图2所示。
凹面反光镜的作用是将一定范围内的阳光反射到聚光镜中，再通过聚光镜反射到采光罩上，采光罩内就是光缆的一端，利用采光罩的更好的吸收阳光。
所述的阳光追踪器与实施例五相同。
实施例七
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于补光板的细化。本实施例所述的补光板是LED阵列。
补光板的LED阵列，所安装的LED发光元件所发出的光谱应当接近于阳光的光谱，因此要求较高，需要多种光谱的LED发光元件配合使用，而不能使用单一光谱的LED发光元件。
实施例八：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于补光板和光照板的细化。本实施例所述的补光板和光照板重叠，形成自然光-补光照射阵列。
光照板可以是一种光导纤维头部发光点整齐排列的点阵，每个光导纤维头部设有散光罩，将光导纤维发出的点状光散射，形成近似的自然光，因此，光照板也可以认为是散光罩的阵列。而LED也是点光源，可以将LED和散光罩交错排列形成散光罩-LED交错阵列。散光罩-LED交错阵列在人工降雨实验大厅的天花板上与降雨喷口交错排列形成降雨-光照阵列，可以进行降雨和太阳光的交错天候模拟，或两者同时出现的天候模拟。
实施例九：
所述的计算终端设有存储设施和能够存储被研究地一段时间的光照数据的数据库。
光照参数的数据库十分重要，除了记录整个实验过程外，还应当可以存储大量的光照数据，以便重复实验，或根据之前采集的光照参数数据进行实验。
所述的存储设施可以是通用计算机自带的存储设备，也可以是大型数据库所使用的磁盘阵列，或者是云存储等。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如光照参数数据的转移方式、各个要素的连接方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种大型试验厅室光照调控方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
在被研究地，设立被研究地感光传感器阵列，采集被研究地的自然光各项参数；
将采集的自然光各项参数通过计算机网络传输至研究地；
在研究地，室外设立采光阵列，所述的采光阵列通过光纤将自然光引入实验室内，同时在所述实验室内设立补光阵列和研究地感光传感器阵列；
利用被研究地的自然光各项参数，使用研究地感光传感器阵列检测实验室内的模拟光照效果，调整光纤向实验室内传输光的参数，必要时开启补光阵列，以在研究地室内模拟被研究地的自然光照。
2.根据权利要求1所述的照调控方法，其特征在于，研究地在收到被研究地发出的自然光各项参数，在进行光照实验的同时将自然光各项参数数据进行存储，以重复再现光照实验过程。
3.一种根据权利要求1所述方法而建立的大型试验厅室光照调控系统，其特征在于，包括：设立在被研究地的被研究地感光传感器阵列，所述的被研究地感光传感器阵列通过计算网络与设立在研究地的计算机终端连接，所述的计算机终端与设置在实验室内的补光板连接，所述的实验室外设置采光装置，所述的采光装置与光缆连接，所述的光缆上设有通过计算机终端调整光参数的光控制装置并与光照板，所述的计算机终端与设置在实验室内的研究地感光传感器阵列连接。
4.根据权利要求3所述的光照调控系统，其特征在于，研究地感光传感器阵列和被研究地感光传感器阵列中的感光传感器是光合有效辐射传感器或总辐射传感器。
5.根据权利要求4所述的光照调控系统，其特征在于，所述的被研究地感光传感器阵列或者设有阳光追踪器，或者水平固定放置。
6.根据权利要求5所述的光照调控系统，其特征在于，所述的采光装置包括：凹面反光镜、聚光镜、采光罩、阳光追踪器。
7.根据权利要求6所述的光照调控系统，其特征在于，所述的补光板是LED阵列。
8.根据权利要求7所述的光照调控系统，其特征在于，所述的光照板和补光板重叠，形成自然光-补光照射阵列。
9.根据权利要求8所述的光照调控系统，其特征在于，所述的计算终端设有存储设施和能够存储被研究地一段时间的光照数据的数据库。
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