CN106872030B - 可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪 - Google Patents

可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于长期自动观测的可见‑短波红外超光谱辐照度仪,包括光学系统、机械系统、电子学系统。光学系统包括积分球、导光光纤、三个分光探测单元、太阳跟踪模块。积分球上端开口,用于接收来自半球空间的光辐射,积分球入光口外围使用石英玻璃半球罩密封保护。积分球的出光孔处有光纤束。光纤束连接积分球和三个分光探测单元。太阳跟踪器实现对太阳全自动精密跟踪功能,它的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成。仪器通过二维转台和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。本发明可放置在野外长期自动运行,自动跟踪太阳并通过CAN总线设备发送测量数据。

Description

可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪
技术领域
[0001]本发明涉及光谱辐射度测量仪器领域,具体是一种可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪。
背景技术
[0002]辐照度基法是场地外场定标的重要方法之一。由于场地外场定标的其它方法(如: 反射率基法)在作辐射传输计算时对所选用的气溶胶模式需作某些假定,而辐照度基法因 其观测结果的特点可减少由于这些假定而引入的不确定性。
[0003]随着卫星工作波段的扩展、通道数目及光谱分辨率的增加,以往的现场辐照度观 测由于自动化程度低、光谱分辨率低等因素限制了应用范围。针对高分卫星场地定标中辐 照度基法的需求,设计了本发明即可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪, 用于场地太阳光谱的漫射照度和总辐照度的自动化精确观测。采用该仪器现场观测场地辐 照度将显著提高观测数据质量,有利于减小辐照度基法的影响因素,进一步提高卫星的在 轨定标精度。
[0004]目前自动化场地定标方法正在兴起,要求采用无人值守、长期自动观测的仪器代 替人工现场获取场地数据,此发明能够满足这些要求,用于场地太阳光谱的漫射照度和总 辐照度的长期自动观测。
[0005]
发明内容本发明的目的是提供一种可用于长期自动观测的可见-短波红外超光 谱辐照度仪,以解决现有技术测量全照度、漫射照度、直射照度及漫总比时自动化程度较 低、光谱分辨率较低的问题。 发明内容
[0006] 为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
[0007] 可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:包括由二维 转台支撑的仪器外壳、设置在仪器外壳内的积分球,所述积分球的入光口设置在仪器外壳 顶部用于接收空间的光辐射,仪器外壳顶部设有密封积分球入光口的石英玻璃半球罩,仪 器外壳内设有导光光纤、三个分光探测单元,所述导光光纤具有单入射端和三个出射端,导 光光纤的入射端耦合至积分球出光口,导光光纤的三个出射端一一对应耦合至三个分光探 测单元,仪器外壳内还设有中心轴沿左右水平方向的传动转轴,传动转轴左、右端分别从仪 器外壳对应侧穿出,传动转轴每个轴端分别共中心轴连接有圆盘,每个圆盘的外盘面上分 别固定有中心轴沿前后水平方向的第一连杆,两个第一连杆呈左右对称,其中一个圆盘的 外盘面上位于第一连杆固定点上方固定有太阳跟踪器,两个第一连杆前端分别延伸至仪器 外壳前方,仪器外壳底部前侧正中间还设有一个中心轴沿前后水平方向的第二连杆,第二 连杆前端转动连接有第三连杆,第三连杆前端转动连接有倾斜向后上方的第四连杆,第四 连杆上端延伸至沿左右方向延伸的水平杆上,两个第一连杆最前端通过水平杆连接,在水 平杆正中间固定有挡光球连接杆,杆顶端连接有挡光球,当仪器测量总辐照度时,挡光球的 球心与积分球入光口中心处于同一水平面内,积分球入光口中心、圆盘中心、第二连杆^第 三连杆的转动连接点这三点共线,以挡光球的球心、积分球入光口中心、第一连杆与桌二连 杆的转动连接点、第三连杆与第四连杆的转动连接点这四个点构成的四边形始终为平行四 边形,积分球入光口中心与第二连杆第三连杆的转动连接点的连线、第二连杆第三连杆的 转动连接点与第三连杆第四连杆的转动连接点的连线、第三连杆第四连杆的转动连接点与 挡光球的球心的连线、挡光球的球心与积分球入光口中心的连线,这四条边构成平面四连 杆机构。
[0008] 所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:所述的 导光光纤为低OH-石英光纤,包括一个入射端和三个出射端,导光光纤覆盖三个光谱波段: 400-1000nm,900-1700nm,1600-2500nm;积分球和三个分光探测单元通过导光光纤连接。
[0009] 所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:三个分 光探测单元采用平场凹面光栅分光,覆盖了400_25〇Onm太阳光谱波段,其中第一个分光探 测单元采用线阵硅光电二极管探测400-1000nm的可见_近红外光,第二个分光探测单元采 用InGaAs阵列探测器探测9〇〇-l7〇〇nm的短波红外光,第三个分光探测器单兀采用扩展 InGaAs阵列探测器探测1600〜2500nm的短波红外光。
[0010] 所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:仪器外 壳内,用于探测短波红外光的两个分光探测单元的下方分别设有探测器制冷模块,分光探 测单元与探测器制冷模块通过螺钉联结,两者之间的接触面有密封圈密封,保证内部光学 和电子学部件的可靠性;
[0011] 每个探测器制冷模块中均有两级制冷,每个探测器制冷模块的下部为深沟状的散 热片并置于仪器外壳底面外部,仪器外壳底部还设有中心轴沿左右水平方向的风道,风道 中间与仪器外壳内连通,风道两端为道口,每个道口分别设为带细孔的防沙尘纱窗,两个探 测器制冷模块下部散热片分布于风道的两侧。
[0012] 所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:太阳跟 踪器的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成;在二维转台和四连杆机构 的运动过程中,以挡光球的球心、积分球入光口中心、第二连杆与第三连杆的转动连接点、 第三连杆与第四连杆的转动连接点这四个点构成的四边形始终为平行四边形,可以保证仪 器测量太阳漫射辐照度时挡光球的太阳光阴影始终能覆盖积分球入光孔;仪器通过二维转 台的转动和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。
[0013] 所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:还包括 设置在仪器外壳内的电子系统,所述电子系统包括探测器彳旲块、太阳跟踪模块、环境与电源 管理模块以及控制通信模块四个部分;探测器模块负责三个分光探测单元的驱动和模拟信 号处理,并通过模数转换将其转换为数字信号输出;太阳跟踪模块负责太阳的自动跟踪,通 过日历计算出太阳的方位完成太阳的初步跟踪,通过对四象限传感器的数据分析和双轴跟 踪器的控制实现二维转台对太阳的精密跟踪;环境与电源管理模块则通过连接外部雨雪传 感器,完成环境信息的采集判断,并自动控制仪器的开关机时间和工作状态;控制通信模块 负责各个模块之间的通信,完成太阳光漫射照度和总照度的自动测量,并将数据存储和上 传至数据中心。
[0014] 与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:
[0015]本发明通过二维转台和四连杆机构精密跟踪太阳,可实现天空总辐照度和漫射辐 照度的自动测量。采用该发明现场观测场地辐照度将显著提高观测数据质量,有利于减小 辐照度基法的影响因素,进一步提高卫星的在轨定标精度。
[0016]本发明具有自动测量功能,整个测量过程无须人为干预,可放置在野外长期自动 运行,自动跟踪太阳并通过CAN总线设备发送测量数据,用户足不出户就可以实时查看数据 和仪器工作状态。
附图说明
[0017]图1为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪主视图。
[0018]图2为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪俯视图。
[0019]图3为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪左视图。
[0020]图4为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪总辐照度观测图。 [0021]图5为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪漫射照度观测图。 [0022]图6为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪电子学系统总体设 计方案。
具体实施方式
[0023]如图1、2、3所示,可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,包括有 光学和机械系统。光学系统包括积分球9,导光光纤12,三个分光探测单元26、27、28,太阳跟 踪器31。积分球9上端开口,用于接收来自半球空间的光辐射,积分球入光口外围使用石英 玻璃半球罩11密封保护。积分球内置遮光板。积分球的出光孔处有导光光纤12。导光光纤包 括一个入射端和三个出射端,入射光进入积分球后经过内置的遮光板反射,通过出光孔处 的导光光纤12导入到三个分光探测单元26、27、28。太阳跟踪器31实现对太阳全自动精密跟 踪功能,它的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成。仪器通过二维转台 和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。本发明可放置在野 外长期自动运行,不需要任何人为参与,自动跟踪太阳并通过CAN总线设备发送测量数据, 用户足不出户就可以实时查看数据和仪器工作状态。
[0024]如图1、2、3所示,分别为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪的 主视图、俯视图和左视图,包括有三角底座水平调整螺丝1,三角底座2,轴承座4,由四周侧 板5、6、10、15围成的仪器外壳5 (左、右侧板未画出),积分球9,仪器把手13,挡光球17,挡光 球连接杆18,第一连杆8,第二连杆2丨,第三连杆20,第四连杆I9,水平杆M,风道23,太阳跟 踪器,液晶显示屏32,固定液晶显示屏32的仪器面板的转动活页33,二维转台电控部分24, 二维转台传动部分25,三个分光探测单元26、27、28。积分球9固定在仪器顶部侧板10上,配 合圆周上采用硅橡胶密封垫密封,并涂有透明密封胶。仪器前后侧板6、15与仪器主体的密 封,采用白色发泡硅橡胶密封条。在前后面板的仪器内侧,均固定有放置干燥剂的干燥剂 盒。仪器的整体密封性能良好,可以有效防止沙尘、雨水和水汽的进入,保证仪器内部光学 和电子学部件的可靠性。第一连杆8和平衡重物7固定在传动转轴29端面的圆盘30上,第二 连杆21固定在仪器底板上。在二维转台和四连杆机构的运动过程中,以挡光球17的球心、积 分球9入光口中心、连杆2〇和连杆21的转动连接点、连杆19和连杆2〇的转动连接点这四个点 构成的四边形始终为平行四边形(图1中粗线所示),可以保证仪器测量太阳漫射辐照度时 挡光球17的太阳光阴影始终能覆盖积分球入光孔。仪器通过二维转台的转动和四连杆机构 精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。散热风道23固定在仪器底板5上, 风道内有两个防水散热风扇,风道上方仪器内部为仪器的三个分光探测单元26、27、28。三 个分光探测单元和积分球9通过导光光纤12连接,入射光经导光光纤导光进入光谱模块。该 方案简化了结构设计,有利于模块单元的位置布设,可显著减小仪器的整体体积和重量。 [0025] 第一个分光探测单元27采用线阵硅光电二极管探测400-1000nm的可见-近红外 光,其直接固定在仪器外壳底部侧板5上,第二个分光探测单元26采用InGaAs阵列探测器探 测900-1700mn的短波红外光,第三个分光探测器单元28采用扩展InGaAs阵列探测器探测 1600〜2500nm的短波红外光。第二个分光探测单元26和第三个分光探测器单元28 (在图1中 统一表示为14)的下方分别为探测器制冷模块16,分光探测单元26、28与各自的探测器制冷 模块16通过螺钉联结,两者之间的接触面有密封圈密封,保证内部光学和电子学部件的可 靠性。两个探测器制冷模块16的下部为深沟状的散热片,分布于风道23的两侧,风道23的两 端为带细孔的防沙尘纱窗22,可以有效防止仪器在野外长期运行时沙尘进入风道,影响风 道内风流的畅通,从而保证第二个分光探测单元26和第三个分光探测器单元28的探测器的 有效散热。
[0026] 如图6所示,可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪的电子学系统 由探测器模块、环境与电源管理模块、控制通信模块以及太阳跟踪模块四个部分组成。其中 探测器前放模块分为三个单元,即可见-近红外单元前放、第一短波红外单元前放和第二短 波红外单元前放,实现三个波段入射光信号的光电转换及模拟信号预处理,其中第二个分 光探测单元26和第三个分光探测器单元28的制冷模块采用TEC制冷片以及温度控制反馈电 路实现温度控制;太阳跟踪模块负责太阳的自动跟踪,通过对四象限传感器的数据分析和 双轴跟踪器的控制实现反馈工作,完成总照度和漫射照度的测量;环境与电源管理模块则 通过连接外部雨雪传感器,完成环境信息的采集判断,并自动控制仪器的开关机时间和工 作状态;控制通信模块负责各个模块之间的通信,完成漫射照度和总照度的自动测量,并将 数据存储和上传至数据中心。
[0027]可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪的电缆连接计算机,水平 放置,仪器开机预热10分钟,开始测量。首先测量总照度,计算机设置测量时间、经纬度等参 数,挡光球完全移开,保证不遮挡太阳直射入射,由积分球9对入射光进行匀光,进入三个分 光探测单元分光,完成天空光总照度的细分光谱测量,测得的总照度数据上传至计算机,如 图4 (总辐照度观测图)所示;之后,仪器启动自动跟踪太阳功能,挡光球17转动直至完全遮 挡住积分球上入光孔阻挡太阳直射入射,仅天空漫射光进入积分球9,进入三个分光探测单 f分光,完成天空漫射光的分光测量,测得的漫射照度数据上传至计算机,计算机完成接收 采集数据并显示,如图5 (漫射照度观测图)所示。

Claims (6)

1. 可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:包括由二维转 台支撑的仪器外壳、设置在仪器外壳内的积分球,所述积分球的入光口设置在仪器外壳顶 部用于接收空间的光辐射,仪器外壳顶部设有密封积分球入光口的石英玻璃半球罩,仪器 外壳内设有导光光纤、三个分光探测单元,所述导光光纤具有单入射端和三个出射端,导光 光纤的入射端耦合至积分球出光口,导光光纤的三个出射端一一对应耦合至三个分光探测 单元,仪器外壳内还设有中心轴沿左右水平方向的传动转轴,传动转轴左、右端分别从仪器 外壳对应侧穿出,传动转轴每个轴端分别共中心轴连接有圆盘,每个圆盘的外盘面上分别 固定有中心轴沿前后水平方向的第一连杆,两个第一连杆呈左右对称,其中一个圆盘的外 盘面上位于第一连杆固定点上方固定有太阳跟踪器,两个第一连杆前端分别延伸至伩器外 壳前方,仪器外壳底部前侧正中间还设有一个中心轴沿前后水平方向的第二连杆,第二连 杆前端转动连接有第三连杆,第三连杆前端转动连接有倾斜向后上方的第四连杆,第四连 杆上端延伸至沿左右方向延伸的水平杆上,两个第一连杆最前端通过水平杆连接,在水平 杆正中间固定有挡光球连接杆,杆顶端连接有挡光球,当仪器测量总辐照度时,挡光球的球 心与积分球入光口中心处于同一水平面内,积分球入光口中心、圆盘中心、第二连杆与第三 连杆的转动连接点这三点共线,以挡光球的球心、积分球入光口中心、第二连杆与第三连杆 的转动连接点、第三连杆与第四连杆的转动连接点这四个点构成的四边形始终为平行四边 形,积分球入光口中心与第二连杆第三连杆的转动连接点的连线、第二连杆第三连杆的转 动连接点与第三连杆第四连杆的转动连接点的连线、第三连杆第四连杆的转动连接点与挡 光球的球心的连线、挡光球的球心与积分球入光口中心的连线,这四条边构成平面四连杆 机构。
2. 根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征 在于:所述的导光光纤为低0H-石英光纤,包括一个入射端和三个出射端,导光光纤覆盖三 个光谱波段:400-1000]1111,900-170011111,1600-250011111;积分球和三个分光探测单元通过导光 光纤连接。
3. 根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征 在于:三个分光探测单元采用平场凹面光栅分光,覆盖了 400-2500nm太阳光谱波段,其中第 一个分光探测单元采用线阵硅光电二极管探测4〇〇-l〇〇〇nm的可见-近红外光,第二个分光 探测单元采用InGaAs阵列探测器探测900-1700nm的短波红外光,第三个分光探测器单元采 用扩展InGaAs阵列探测器探测1600〜2500nm的短波红外光。
4. 根据权利要求3所述可用于长期自动观测的可见_短波红外超光谱辐照度仪,其特征 在于:仪器外壳内,用于探测短波红外光的两个分光探测单元的下方分别设有探测器制冷 模块,分光探测单元与探测器制冷模块通过螺钉联结,两者之间的接触面有密封圈密封,保 证内部光学和电子学部件的可靠性;每个探测器制冷模块中均有两级制冷,每个探测器制 冷模块的下部为深沟状的散热片并置于仪器外壳底面外部,仪器外壳底部还设有中心轴沿 左右水平方向的风道,风道中间与仪器外壳内连通,风道两端为道口,每个道口分别设为带 细孔的防沙尘纱窗,两个探测器制冷模块下部散热片分布于风道的两侧。
5. 根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征 在于:太阳跟踪器的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成;在二维转台 和四连杆机构的运动过程中,以挡光球的球心、积分球入光口中心、第二连杆与第三连杆的 转动连接点、第三连杆与第四连杆的转动连接点这四个点构成的四边形始终为平行四边 形,可以保证仪器测量太阳漫射辐照度时挡光球的太阳光阴影始终能覆盖积分球入光孔; 仪器通过二维转台的转动和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动 测量。
6.根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征 在于:还包括设置在仪器外壳内的电子系统,所述电子系统包括探测器模块、太阳跟踪模 块、环境与电源管理模块以及控制通信模块四个部分;探测器模块负责三个分光探测单元 的驱动和模拟信号处理,并通过模数转换将其转换为数字信号输出;太阳跟踪模块负责太 阳的自动跟踪,通过日历计算出太阳的方位完成对太阳的预跟踪,通过对四象限传感器的 数据分析和双轴跟踪器的控制实现二维转台对太阳的精密跟踪;环境与电源管理模块则通 过连接外部雨雪传感器,完成环境信息的采集判断,并自动控制伩器的开关机时间和工作 状态;控制通信模块负责各个模块之间的通信,完成太阳光漫射照度和总照度的自动测量, 并将数据存储和上传至数据中心。
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