CN106990074B - 近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量的测量仪，可见到近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，工作时太阳跟踪测量探头和二维旋转转台正面朝南水平放置，工控机发命令给采集控制电路板，通过光电开关零位检测找到水平和俯仰零位后控制二维旋转转台回到正南和水平初始位置，根据天文视日轨迹粗跟踪方法使太阳跟踪测量探头指向太阳，并启动四象限精跟踪，使探头的测量光筒对准太阳，太阳平行光经光筒内透镜聚焦后，可见到近红外光经滤光片分光后到达探测器，形成电信号送入采集控制电路板，通过滤光片旋转，可将11个波段和背景信号存入采集控制电路板，再传送到工控机存储和显示。

Description

近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪
技术领域
本发明涉及大气测量装置领域，具体是一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪。
背景技术
大气透过率、气溶胶光学厚度和水汽总量都是大气中最不确定的因素，太阳辐射计是目前地基遥感探测大气透过率、气溶胶和水汽总量的一个常用且有效的监测仪器，不仅广泛应用于大气探测、环境检测、气候变化等研究，也是卫星遥感大气订正、定标与可靠性检验的重要工具，利用它可以获取实时、长期的观测数据。采用特殊波段的太阳辐射计还可以反演大气中臭氧、氮氧化物含量及云的光学厚度和有效粒子半径等参数。当前常用的太阳辐射计测量波段多以紫外到可见到近红外波段为主，红外最远波长到2.2μm，如日本的POM02，但其采用的是双光筒测量，存在两个光筒光轴与跟踪光筒的光轴平行度调整难的问题，任一个光筒的光轴与跟踪光筒的光轴平行度稍差都会影响测量精度。希望能通过单光筒即可实现可见到近红外主要波段的大气透过率、气溶胶光学厚度和水汽总量的测量。
激光具有高亮度、良好的单色性、方向性及相干性电磁波的一切通性，在很多科学领域都得到了广泛应用。任何波长的激光在大气中传输时都会因大气中的分子和气溶胶的吸收、散射而引起强度衰减，这种衰减可直接影响其在激光工程中的应用。激光在大气中的传输通常用大气透过特性来表述，大气透过率作为大气辐射传输评估和激光工程应用中的一个重要参数，了解与掌握激光大气透过率规律不仅具有重要的学术价值，而且利用激光大气透过率特性所设计的装置在天文、气象以及国防上都具有重要的应用前景。
当前太阳辐射计技术的国内外众多应用中未见有报导用太阳辐射计测量激光波段太阳直接辐射，从而根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”来得到激光谱线透过率，本发明采用单光筒形式，增加多个激光波段，即可实现0.5~1.7μm可见到近红外多个激光波段及非激光波段整层大气透过率和水汽总量的测量。本发明可作为激光探测、激光制导、激光测距、激光通信等激光工程应用的一个辅助设备。
发明内容 本发明的目的是提供一种可用于测量0.5～1.7μm近红外多个激光波段及非激光波段整层大气透过率和水汽总量的测量仪，以解决现有太阳辐射计技术中单筒测量波段最多到1.1μm，无激光波段透过率测量，无法得到大气中激光谱线透过率的局限性问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：包括工控机、二维旋转台、太阳跟踪测量探头，所述太阳跟踪测量探头安装在二维旋转台上，由二维旋转台带动太阳跟踪测量探头在水平面内360度旋转，以及在竖直面内俯仰转动；
所述太阳跟踪测量探头包括转动安装在二维旋转台上的探头筒身，探头筒身前侧的筒身前盖板垂直连接有测量光筒和位于测量光筒下方的跟踪光筒，测量光筒、跟踪光筒中心轴线相互平行，测量光筒、跟踪光筒后端分别与探头筒身内连通，其中测量光筒前端为筒口，测量光筒内从前端筒口向后依次共中心轴安装有四个光栏，相邻光栏之间共中心轴设有光圈，测量光筒与探头筒身连通处内设有与测量光筒共中心轴的透镜，探头筒身内位于透镜后方设有复合型铟镓砷探测器，所述复合型铟镓砷探测器位于测量光筒中心轴线的延伸线上，复合型铟镓砷探测器的探测面与测量光筒中心轴线垂直且朝向可见近红外透镜，探头筒身内转动安装有由步进马达传动驱动的滤光转盘，滤光转盘位于透镜与复合型铟镓砷探测器之间，滤光转盘中心轴线与测量光筒中心轴线平行，滤光转盘中开有12个沿环向均匀分布的孔，其中一个孔内设有黑色不透光块，其余孔内分别设有滤光片，所述滤光转盘其中任意一个孔的中心可转动至测量光筒中心轴线的延伸线上；所述跟踪光筒前端封闭且设有中心通孔，跟踪光筒与探头筒身连通处内设有与跟踪光筒共中心轴的四象限探测器，四象限探测器的探测面朝向跟踪光筒前端，所述探头筒身内设有数据采集电路板，所述四象限探测器、复合型铟镓砷探测器分别与数据采集电路板输入端连接；所述二维旋转台中设有采集控制电路板，所述数据采集电路板的输出端与采集控制电路板连接，采集控制电路板与步进马达控制连接，采集控制电路板还与所述工控机通讯连接。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述探头筒身内还设有滤光转盘零位检测装置，滤光转盘零位检测装置包括零位检测盘、零位光电开关，所述零位检测盘与滤光转盘同轴安装，由步进马达驱动零位检测盘与滤光转盘共同转动，所述零位光电开关固定在探头筒身内并与零位检测盘工作配合，零位光电开关接入数据采集电路板的输入端；
零位检测盘上均匀分布12个狭缝，分别对应11个滤光片和1个黑色不透光块的中心，用于定位滤光片和黑色不透光块的中心位置，为了区分黑色不透光块的中心位置和滤光片的中心位置，在黑色不透光块的狭缝附近多开一个狭缝，用于确定滤光转盘的零位，零位光电开关检测到狭缝时输出1，未检到狭缝时输出0，采集控制电路板通过数据采集电路板检测到零位光电开关的信号进行判断是否到达零位或是某一滤光片。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：还包括恒温模块，恒温模块包括设置在探头筒身内的恒温盒、散热片、风扇、帕尔贴片、多个温度传感器，以及设置在二维旋转台中的恒温控制电路板，其中恒温盒包括外盒、内盒，外盒两对称侧敞口，散热片作为密封盖盖合设置在外盒一侧敞口中，所述风扇装在散热片上，内盒从外盒另一侧敞口设置在外盒内，帕尔贴片紧贴设置在内盒、外盒另一侧的散热片之间，内盒、外壳另一侧的散热片之间还填充有包围帕尔贴片的保温材料，所述复合型铟镓砷探测器、多个温度传感器分别设置在内盒中，复合型铟镓砷探测器的探测面从内盒露出并朝向可见近红外透镜，其中一个温度传感器接入数据采集电路板的输入端，另一个温度传感器接入恒温控制电路板，所述恒温控制电路板还与帕尔贴片控制连接，由采集控制电路板监测其中一个温度传感器采集的温度数据，由恒温控制电路板根据另一个温度传感器采集的温度数据控制帕尔贴片进行温度调节，以保持恒温盒内的恒温环境。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述测量光筒内光栏、光圈、透镜的尺寸设计为满足仅让1°视场内的光通过要求的尺寸。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述滤光转盘的孔中，依次按顺时针或逆时针方向设有黑色不透光块、0.52μm滤光片、0.532μm滤光片、0.589μm滤光片、0.67μm滤光片、0.78μm滤光片、0.808μm滤光片、0.87μm滤光片、0.94μm滤光片、1.064μm滤光片、1.32μm滤光片、1.55μm滤光片，各滤光片半高带宽10～12nm，直径半英寸，通光口径10mm，其中0.532μm滤光片、0.589μm滤光片、0.808μm滤光片、1.064μm滤光片、1.32μm滤光片、1.55μm滤光片共6个滤光片可根据基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法得到对应激光谱线透过率；
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述二维旋转台包括底座箱、U型臂、探头夹具，其中U型臂立向设置，U型臂的U形底部通过中心轴竖直的水平转动连接轴转动安装在底座箱顶部，底座箱内设有步进马达传动驱动水平转动连接轴，探头夹具通过中心轴水平的俯仰轴承转动安装在U型臂的U型口中，且探头夹具夹持在太阳跟踪测量探头中探头筒身上，U型臂内设有步进马达传动驱动俯仰轴承转动，所述采集控制电路板、恒温控制电路板分别设置在U型臂内，且采集控制电路板分别与底座箱内、U型臂内的步进马达控制连接。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述U型臂内还设有俯仰零位检测装置，俯仰零位检测装置包括俯仰光电开关、俯仰检测盘，其中俯仰检测盘与俯仰轴承同轴安装实现共同转动，俯仰光电开关固定在U型臂内并与俯仰检测盘工作配合，俯仰光电开关接入数据采集电路板的输入端；俯仰检测盘开有一条狭缝，配合俯仰光电开关确定俯仰检测盘的零位。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述底座箱内还设有水平零位检测装置，水平零位检测装置包括水平光电开关、水平检测盘，水平检测盘与水平转动连接轴同轴安装实现共同转动，水平光电开关固定在底座箱内并与水平检测盘工作配合，水平光电开关接入数据采集电路板的输入端；水平检测盘开有一条狭缝，配合水平光电开关可以检测水平零位在正北方向。
所述的一种近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：所述数据采集电路板其功能有对四象限探测器四个象限的前置放大，对复合型铟镓砷探测器、四象限探测器各象限的程控放大和信号采集，通过采集控制电路板对其信号进行采集和传输；
所述复合型铟镓砷探测器带有前置放大，复合型铟镓砷探测器直接输出电压信号到数据采集电路板进行程控放大和采集；
恒温控制电路板其功能有对恒温模块内另一路温度传感器的温度读取，通过实时读到的温度变化来控制帕尔贴片进行加热或制冷，从而实现将恒温盒内盒温度控制在40±1℃；
采集控制电路板其功能有对数据采集电路板的采集控制，对驱动滤光转盘、水平转动连接轴和俯仰轴承的步进马达的脉冲控制，对恒温盒内盒温度的监控，对零位光电开关、俯仰光电开关和水平光电开关的信号检测，与上位工控机的通讯。
本发明的原理是：
可见到近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，工作时太阳跟踪测量探头和二维旋转转台正面朝南水平放置，工控机的测量控制软件发命令给采集控制电路板，通过光电开关零位检测找到水平和俯仰零位后控制二维旋转转台回到正南和水平初始位置，根据天文视日轨迹粗跟踪方法使太阳跟踪测量探头指向太阳，并启动四象限精跟踪，使探头的测量光筒对准太阳，太阳平行光经光筒内透镜聚焦后，可见到近红外光经滤光片分光后到达探测器，形成电信号，经采集后送入采集控制电路板，通过滤光片旋转，可将11个波段（其中有6个激光波段）和背景信号存入采集控制电路板，再通过RS422串口传送到测量控制软件进行存储和显示。循环跟踪和采集，可得到全天时间序列变化0.5～1.7μm中11个可见到近红外波段与太阳直接辐射成正比的电信号，对测量的各波段电信号采用Langley法和改进的Langley法进行相对定标得到该测量仪的定标值，进而根据透过率测量原理可得到各波段透过率和水汽总量，对于激光波段透过率可根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”得到。
本发明的主要技术指标是：
测量中心波长：0.52、0.532、0.589、0.67、0.78、0.808、0.87、0.94、1.064、1.32、1.55μm，带宽10～12nm。
滤光片半高带宽： 10～12nm
光筒视场角：1°
跟踪角分辨率： 0.004°
工作温度：-25℃～50℃
非激光波段透过率测量精度：10%
激光波段透过率测量精度：15%
水汽总量测量精度：15%
与现有技术相比本发明具有的积极效果在于：
1）本发明单筒即可实现0.5~1.7μm中11个波段的太阳直接辐射测量，其中激光波段6个，目前国内外都未见有类似类型设备的报导；
2）解决了传统单筒太阳辐射计技术红外波段测量仅到1.1μm，无激光波段测量的局限性问题；
3）本发明不仅可测量晴朗天气条件下大气气溶胶光学厚度和水汽总量，还可根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”得到多个激光波段大气透过率。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的测量原理示意图。
图3为本发明的太阳跟踪测量探头内部剖视图。
图4为本发明的U型臂内部剖视图。
图5为本发明的底座箱内部示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示。可见到近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，包括有太阳跟踪测量探头1、二维旋转转台2、工控机3，太阳跟踪测量探头1内壁涂黑，内部所有部件发黑处理；太阳跟踪测量探头1包括测量光筒1-1、跟踪光筒1-2、探头筒身1-3；二维旋转转台包括探头夹具2-1、U型臂2-2、底座箱2-3，探头夹具2-1用于固定太阳跟踪测量探头1，采用探头夹具2-1可便于探头1与转台2的安装和分离；工控机3包括主机3-1、显示器3-2、测量控制软件3-3，所述测量控制软件3-3通过RS422串口通讯2-2-11-1发送命令给采集控制电路板2-2-11进行跟踪和测量，并对返回的数据进行存储和显示，同时计算并作图显示各波段透过率（含6个激光波段透过率）和水汽总量变化。
测量光筒1-1包括筒身1-1-1、压盖1-1-2、透镜镜座1-1-3、透镜1-1-4、四个光栏1-1-5、三个光圈1-1-6，筒身1-1-1前端和后端都开孔且带有外螺纹，内交叉放置四个光栏1-1-5和三个光圈1-1-6，通过前端压盖1-1-2压紧，透镜镜座1-1-3前端和后端都开孔且带有内螺纹，前端与筒身1-1-1后端螺纹连接，透镜1-1-4通过外螺纹压圈1-1-7装于透镜镜座1-1-3后端内部，透镜镜座1-1-3后端通过螺钉固定于探头筒身1-3的筒身前盖板1-3-2；跟踪光筒1-2包括筒身1-2-1、压盖1-2-2、燕尾槽、四象限探测器1-2-4、探测器座1-2-5，筒身1-2-1前端开孔且带有外螺纹，与带有内螺纹的压盖1-2-2螺纹连接，燕尾槽固定于筒身1-2-1前端内部，筒身1-2-1后端开孔且带有内螺纹，四象限探测器1-2-4置于带有内螺纹的探测器座1-2-5内通过外螺纹压圈1-2-6压紧后置于筒身1-2-1后端内部，通过外螺纹压圈1-2-7固定，筒身1-2-1后端通过螺钉固定于探头筒身的筒身前盖板1-3-2；探头筒身1-3包括筒身1-3-1、筒身前盖板1-3-2、筒身后盖板1-3-3、三个探头航空插座(1-3-4， 1-3-5， 1-3-6)、滤光转盘1-3-7、恒温模块1-3-8、锲型支撑板1-3-9、数据采集电路板1-3-10, 筒身前盖板1-3-2前端面中心线上下各开有一个孔，分别用于固定测量光筒1-1、跟踪光筒1-2，两个光筒（1-1，1-2）严格平行安装，后端面连接锲型支撑板1-3-9，锲型支撑板1-3-9上安装滤光转盘1-3-7、恒温模块1-3-8、数据采集电路板1-3-10，筒身后盖板1-3-3后端面连接三个探头航空插座(1-3-4， 1-3-5， 1-3-6)；滤光转盘1-3-7包括转盘1-3-7-1、11个滤光片1-3-7-2、1个黑色不透光块1-3-7-3、步进马达1-3-7-4、连接轴1-3-7-5、马达支架1-3-7-6、滤光转盘零位检测装置，11个滤光片1-3-7-2和1个黑色不透光块1-3-7-3均匀分布于开了12个孔的转盘1-3-7-1上，转盘1-3-7-1、零位检测盘1-3-7-7-3、步进马达1-3-7-4通过连接轴1-3-7-5连接后架于马达支架上1-3-7-6，再固定于锲型支撑板上1-3-9；滤光转盘零位检测装置包括零位光电开关1-3-7-7-1、零位光电开关支架1-3-7-7-2、零位检测盘1-3-7-7-3，零位光电开关1-3-7-7-1通过支架1-3-7-7-2固定于锲型支撑板上1-3-9，零位检测盘1-3-7-7-3通过连接轴1-3-7-5同轴安装与转盘1-3-7-1同转，通过零位光电开关1-3-7-7-1可以检测转盘1-3-7-1初始位置及各滤光片1-3-7-2中心位置；恒温模块1-3-8包括复合型铟镓砷探测器1-3-8-1、帕尔贴片1-3-8-2、两个温度传感器1-3-8-3、恒温盒1-3-8-4、散热片1-3-8-5、风扇1-3-8-6，恒温盒1-3-8-4分内盒1-3-8-4-1与外盒1-3-8-4-2，内盒1-3-8-4-1装有复合型铟镓砷探测器1-3-8-1和两个温度传感器1-3-8-3，内盒1-3-8-4-1套于外盒1-3-8-4-2内，不直接接触，通过填充保温材料和帕尔贴片1-3-8-2衔接，帕尔贴片1-3-8-2一面紧贴内盒1-3-8-4-1，另一面紧贴作为外盒1-3-8-4-2密封盖的散热片1-3-8-5，散热片1-3-8-5上装有风扇1-3-8-6。
U型臂2-2包括水平支撑臂2-2-1、左俯仰支撑臂2-2-2、右俯仰支撑臂2-2-3、左右俯仰支撑臂盖2-2-4、俯仰中空旋转装置2-2-5、俯仰零位检测装置、俯仰从动轴承2-2-7、俯仰从动轴承座2-2-8、俯仰从动连接轴2-2-9、恒温控制电路板2-2-10、采集控制电路板2-2-11，水平支撑臂2-2-1通过水平转动连接轴2-3-2与底座箱2-3内的水平中空旋转装置2-3-10垂直连接，水平中空旋转装置2-3-10旋转时带动U型臂2-2转动，两个俯仰支撑臂2-2-2，2-2-3分别垂直于底座箱2-3顶部平行，垂直安装于水平支撑臂2-2-1两端，俯仰中空旋转装置2-2-5作为俯仰的主动轴承安装于左俯仰支撑臂2-2-2的臂上，并与探头夹具2-1连接，俯仰中空旋转装置2-2-5旋转时带动探头夹具2-1和太阳跟踪测量探头1转动，恒温控制电路板2-2-10安装于左俯仰支撑臂2-2-2内，采集控制电路板2-2-11安装于右俯仰支撑臂2-2-3内；俯仰零位检测装置包括俯仰光电开关2-2-6-1、俯仰光电开关支架2-2-6-2、俯仰检测盘2-2-6-3，俯仰光电开关2-2-6-1通过支架2-2-6-2固定于俯仰从动轴承座2-2-8上，俯仰检测盘2-2-6-3开有一条狭缝，通过俯仰从动连接轴2-2-9同轴安装与俯仰从动轴承2-2-7同转，可以检测俯仰零位在高度角-45°。
底座箱2-3包括箱体2-3-1、水平转动连接轴2-3-2、三角底板2-3-3、水平仪2-3-4、插座盒2-3-5、三个底座航空插座（2-3-6，2-3-7，2-3-8）、三个调平螺栓2-3-9、水平中空旋转装置2-3-10、水平零位检测装置、三路马达驱动器2-3-12、AC-DC±15V电源模块2-3-13、AC-DC24V电源模块2-3-14，三角底板2-3-3的上表面安装有水平仪2-3-4，下表面安装有插座盒2-3-5用于固定三个底座航空插座（2-3-6，2-3-7，2-3-8），且插座盒2-3-5内装有AC-DC24V电源模块2-3-14，三角底板2-3-3的三个角螺有三个调平螺栓2-3-9，呈三角形分布，用于设备调平，三路马达驱动器2-3-12、AC-DC±15V电源模块2-3-13通过支架2-3-15固定于三角底板上2-3-3；箱体2-3-1开有窗口2-3-16，便于查看和检修箱体内部各器件，窗口2-3-16通过带有密封圈的窗口盖2-3-17密封；水平零位检测装置包括水平光电开关2-3-11-1、水平光电开关支架2-3-11-2、水平检测盘2-3-11-3，水平光电开关2-3-11-1通过支架2-3-11-2固定于箱体2-3-1，水平检测盘2-3-11-3开有一条狭缝，通过水平转动连接轴2-3-2同轴安装与水平中空旋转装置2-3-10同转，可以检测水平零位在正北方向。
测量光筒1-1总长227mm，筒身1-1-1和镜座1-1-3长分别为180mm和60mm，筒身1-1-1内四个光栏1-1-5通光口径由大到小依次为6.7mm、5.8mm、4.9mm、4mm，通光口端面加工为锥面，长都为2mm，三个光圈1-1-6长都为50mm，口径28mm，透镜1-1-4直径为24.5mm，通光口径20mm，焦距100mm，光筒1-1上述设计仅让1°视场内的光通过，避免1°以外的杂散光通过，可增强设备测量精度，测量光筒1-1与筒身前盖板1-3-2连接时，连接处有密封圈可用于防尘、防雨。
跟踪光筒1-2总长130mm，内部通光孔径8mm，其前端内部固定的燕尾槽包括有燕尾槽底座1-2-3-1、燕尾槽上下调节座1-2-3-2、燕尾槽左右调节座1-2-3-3，燕尾槽左右调节座1-2-3-3开有0.5mm小孔，结合燕尾槽底座1-2-3-1和燕尾槽上下调节座1-2-3-2可调节小孔中心与四象限探测器1-2-4光敏面中心一致，四象限探测器1-2-4光敏面直径4mm，被均分为四个象限，用于检测太阳中心位置，从而实现太阳的精准跟踪，四象限探测器1-2-4输出引脚有6个，4个分别为4个象限的象限信号，两个为地，都接于数据采集电路板2-2-11上进行信号放大和采集。
滤光转盘1-3-7采用12孔圆形设计，12个孔均匀放置黑色不透光块1-3-7-3和0.52、0.532、0.589、0.67、0.78、0.808、0.87、0.94、1.064、1.32、1.55μm滤光片1-3-7-2，各滤光片1-3-7-2半高带宽10～12nm，直径半英寸，通光口径10mm，其中0.532、0.589、0.808、1.064、1.32、1.55μm 6个激光波段可根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”得到对应激光谱线透过率。
零位检测盘1-3-7-7-3盘上均匀分布12个狭缝，分别对应11个滤光片1-3-7-2和1个黑色不透光块1-3-7-3的中心，用于定位滤光片1-3-7-2和黑色不透光块1-3-7-3的中心位置，为了区分黑色不透光块1-3-7-3的中心位置和滤光片1-3-7-2的中心位置，在黑色不透光块1-3-7-3的狭缝附近多开一个狭缝，用于确定滤光转盘1-3-7-1的零位，零位光电开关1-3-7-7-1检测到狭缝时输出“1”，未检到狭缝时输出“0”，采集控制电路板检测到零位光电开关1-3-7-7-1的信号进行判断是否到达零位或是某一滤光片。
三个探头航空插座(1-3-4，1-3-5，1-3-6)分别是DC供电插座1-3-4、采集控制插座1-3-5和驱动插座1-3-6，DC供电插座1-3-4用于给复合型铟镓砷探测器1-3-8-1、数据采集电路板1-3-10、两个温度传感器1-3-8-3、帕尔贴片1-3-8-5、风扇1-3-8-6供电，采集控制插座1-3-5用于传输数据采集电路板1-3-10采集的数字信号、对数据采集电路板1-3-10的控制信号、温度传感器1-3-8-3的输出信号，驱动插座1-3-6用于马达驱动器2-3-12对滤光转盘步进马达1-3-7-4的驱动连接，三个探头航空插座(1-3-4，1-3-5，1-3-6)通过带有连接线的航空插头与采集控制电路板2-2-11、恒温控制电路板2-2-10、三路马达驱动器2-3-12、AC-DC±15V电源模块2-3-13连接。
数据采集电路板1-3-10通过支架1-3-11固定于锲型支撑板1-3-9上，其功能有对四象限探测器四个象限1-2-4的前置放大，对复合型铟镓砷探测器1-3-8-1、四象限探测器1-2-4各象限的程控放大和信号采集，通过采集控制电路板2-2-11对其信号进行采集和传输。
复合型铟镓砷探测器1-3-8-1响应波段0.5~1.7μm，感光面直径3mm，带有前置放大，直接输出电压信号到数据采集电路板1-3-10进行程控放大和采集。
俯仰和水平中空旋转装置（2-2-5，2-3-10）都包括中空交叉滚子轴承减速器、闭环步进马达，减速器减速比1：18，转矩12N.m，可承重30kg，与闭环步进马达结合，通过设置马达驱动器2-3-12，最小步距角可达0.24角分，中空直径62mm，可供多根连接线穿过。
俯仰从动轴承2-2-7属于调心球轴承，一方面配合主动轴转动，另一方面通过外螺纹压圈2-2-12压于俯仰从动轴承座2-2-8内，用来给U型臂2-2配重，并固定于右俯仰支撑臂2-2-3上，轴心通过俯仰从动连接轴2-2-9与探头夹具2-1连接，该轴承2-2-7中空直径55mm，可供与三个探头航空插座(1-3-4， 1-3-5， 1-3-6)连接的带有航空插头的三根线穿过。
采集控制电路板2-2-11的功能有对数据采集电路板1-3-10的采集控制，对滤光转盘1-3-7、俯仰和水平中空旋转装置（2-2-5，2-3-10）中闭环步进马达的脉冲控制，对恒温盒1-3-8-4内盒1-3-8-4-1温度的监控，对零位、俯仰和水平光电开关（1-3-7-7-1，2-2-6-1，2-3-11-1）的信号检测，与上位工控机3的通讯。
恒温控制电路板2-2-10的功能有对恒温模块1-3-8内另一路温度传感器1-3-8-3的温度读取，通过实时读到的温度变化来控制帕尔贴片1-3-8-2进行加热或制冷，从而实现将恒温盒1-3-8-4内盒1-3-8-4-1温度控制在40±1℃。
三路马达驱动器2-3-12都有供电端、驱动端、控制端，供电端连接AC-DC24V电源模块2-3-14，驱动端与俯仰中空旋转装置2-2-5、水平中空旋转装置2-3-10、滤光转盘1-3-7的步进马达连接分别驱动俯仰、水平中空旋转装置（2-2-5，2-3-10）的减速器和滤光转盘1-3-7转动，控制端与采集控制电路板2-2-11连接用于控制俯仰、水平中空旋转装置（2-2-5，2-3-10）减速器和滤光转盘的转动速率、转动角度等。
AC-DC±15V电源模块2-3-13和AC-DC24V电源模块2-3-14将市电AC220V分别转换为DC±15V和DC24V，为探测器1-3-8-1、三路马达驱动器2-3-12和各电路板（1-3-10，2-2-10，2-2-11）供电。
三个底座航空插座（2-3-6，2-3-7，2-3-8）分别是AC供电插座2-3-6、通讯插座2-3-7和雨感器插座2-3-8，AC供电插座2-3-6用于给AC-DC±15V电源模块2-3-13和AC-DC24V电源模块2-3-14供电，通讯插座2-3-7用于与工控机3通讯，雨感器插座2-3-8连接雨感应模块2-2-11-2，下雨时可见到近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪自动回到零位，即探头朝向正南方位高度角-45°。

Claims (1)

1. 可用于测量0.5~1.7μm 近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，其特征在于：包括工控机、二维旋转台、太阳跟踪测量探头，所述太阳跟踪测量探头安装在二维旋转台上，由二维旋转台带动太阳跟踪测量探头在水平面内360度旋转，以及在竖直面内俯仰转动；
所述太阳跟踪测量探头包括转动安装在二维旋转台上的探头筒身，探头筒身前侧的筒身前盖板垂直连接有测量光筒和位于测量光筒下方的跟踪光筒，测量光筒、跟踪光筒中心轴线相互平行，测量光筒、跟踪光筒后端分别与探头筒身内连通，其中测量光筒前端为筒口，测量光筒内从前端筒口向后依次共中心轴安装有四个光栏，相邻光栏之间共中心轴设有光圈，测量光筒与探头筒身连通处内设有与测量光筒共中心轴的透镜，探头筒身内位于透镜后方设有复合型铟镓砷探测器，所述复合型铟镓砷探测器位于测量光筒中心轴线的延伸线上，复合型铟镓砷探测器的探测面与测量光筒中心轴线垂直且朝向透镜，探头筒身内转动安装有由步进马达传动驱动的滤光转盘，滤光转盘位于透镜与复合型铟镓砷探测器之间，滤光转盘中心轴线与测量光筒中心轴线平行，滤光转盘中开有12个沿环向均匀分布的孔，其中一个孔内设有黑色不透光块，其余孔内分别设有滤光片，所述滤光转盘其中任意一个孔的中心可转动至测量光筒中心轴线的延伸线上；所述跟踪光筒前端封闭且设有中心通孔，跟踪光筒与探头筒身连通处内设有与跟踪光筒共中心轴的四象限探测器，四象限探测器的探测面朝向跟踪光筒前端，所述探头筒身内设有数据采集电路板，所述四象限探测器、复合型铟镓砷探测器分别与数据采集电路板输入端连接；所述二维旋转台中设有采集控制电路板，所述数据采集电路板的输出端与采集控制电路板连接，采集控制电路板与步进马达控制连接，采集控制电路板还与所述工控机通讯连接；
所述探头筒身内还设有滤光转盘零位检测装置，滤光转盘零位检测装置包括零位检测盘、零位光电开关，所述零位检测盘与滤光转盘同轴安装，由步进马达驱动零位检测盘与滤光转盘共同转动，所述零位光电开关固定在探头筒身内并与零位检测盘工作配合，零位光电开关接入数据采集电路板的输入端；
零位检测盘上均匀分布12个狭缝，分别对应11个滤光片和1个黑色不透光块的中心，用于定位滤光片和黑色不透光块的中心位置，为了区分黑色不透光块的中心位置和滤光片的中心位置，在黑色不透光块的狭缝附近多开一个狭缝，用于确定滤光转盘的零位，零位光电开关检测到狭缝时输出1，未检到狭缝时输出0，采集控制电路板通过数据采集电路板检测到零位光电开关的信号进行判断是否到达零位或是某一滤光片；
所述的可用于测量0.5~1.7μm 近红外多个激光波段整层大气透过率和水汽总量测量仪，还包括恒温模块，恒温模块包括设置在探头筒身内的恒温盒、散热片、风扇、帕尔贴片、多个温度传感器，以及设置在二维旋转台中的恒温控制电路板，其中恒温盒包括外盒、内盒，外盒两对称侧敞口，散热片作为密封盖盖合设置在外盒一侧敞口中，所述风扇装在散热片上，内盒从外盒另一侧敞口设置在外盒内，帕尔贴片紧贴设置在内盒、外盒另一侧的散热片之间，内盒、外盒另一侧的散热片之间还填充有包围帕尔贴片的保温材料，所述复合型铟镓砷探测器、多个温度传感器分别设置在内盒中，复合型铟镓砷探测器的探测面从内盒露出并朝向透镜，其中一个温度传感器接入数据采集电路板的输入端，另一个温度传感器接入恒温控制电路板，所述恒温控制电路板还与帕尔贴片控制连接，由采集控制电路板监测其中一个温度传感器采集的温度数据，由恒温控制电路板根据另一个温度传感器采集的温度数据控制帕尔贴片进行温度调节，以保持恒温盒内的恒温环境；
所述测量光筒内光栏、光圈、透镜的尺寸设计为满足仅让1°视场内的光通过要求的尺寸；
所述滤光转盘的孔中，依次按顺时针或逆时针方向设有黑色不透光块、0.52mm滤光片、0.532mm滤光片、0.589mm滤光片、0.67mm滤光片、0.78mm滤光片、0.808mm滤光片、0.87mm滤光片、0.94mm滤光片、1.064mm滤光片、1.32mm滤光片、1.55mm滤光片，各滤光片半高带宽10～12nm，直径半英寸，通光口径10mm，其中0.532mm滤光片、0.589mm滤光片、0.808mm滤光片、1.064mm滤光片、1.32mm滤光片、1.55mm滤光片共6个滤光片可根据基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法得到对应激光谱线透过率；
所述二维旋转台包括底座箱、U型臂、探头夹具，其中U型臂立向设置，U型臂的U形底部通过中心轴竖直的水平转动连接轴转动安装在底座箱顶部，底座箱内设有步进马达传动驱动水平转动连接轴，探头夹具通过中心轴水平的俯仰轴承转动安装在U型臂的U型口中，且探头夹具夹持在太阳跟踪测量探头中探头筒身上，U型臂内设有步进马达传动驱动俯仰轴承转动，所述采集控制电路板、恒温控制电路板分别设置在U型臂内，且采集控制电路板分别与底座箱内、U型臂内的步进马达控制连接；
所述U型臂内还设有俯仰零位检测装置，俯仰零位检测装置包括俯仰光电开关、俯仰检测盘，其中俯仰检测盘与俯仰轴承同轴安装实现共同转动，俯仰光电开关固定在U型臂内并与俯仰检测盘工作配合，俯仰光电开关接入数据采集电路板的输入端；俯仰检测盘开有一条狭缝，配合俯仰光电开关确定俯仰检测盘的零位；
所述底座箱内还设有水平零位检测装置，水平零位检测装置包括水平光电开关、水平检测盘，水平检测盘与水平转动连接轴同轴安装实现共同转动，水平光电开关固定在底座箱内并与水平检测盘工作配合，水平光电开关接入数据采集电路板的输入端；水平检测盘开有一条狭缝，配合水平光电开关可以检测水平零位在正北方向；
所述数据采集电路板其功能有对四象限探测器四个象限的前置放大，对复合型铟镓砷探测器、四象限探测器各象限的程控放大和信号采集，通过采集控制电路板对其信号进行采集和传输；
所述复合型铟镓砷探测器带有前置放大，复合型铟镓砷探测器直接输出电压信号到数据采集电路板进行程控放大和采集；
恒温控制电路板其功能有对恒温模块内另一路温度传感器的温度读取，通过实时读到的温度变化来控制帕尔贴片进行加热或制冷，从而实现将恒温盒内盒温度控制在40±1℃；
采集控制电路板其功能有对数据采集电路板的采集控制，对驱动滤光转盘、水平转动连接轴和俯仰轴承的步进马达的脉冲控制，对恒温盒内盒温度的监控，对零位光电开关、俯仰光电开关和水平光电开关的信号检测，与上位工控机的通讯；
所述的太阳跟踪测量探头内壁涂黑，内部所有部件发黑处理；太阳跟踪测量探头包括测量光筒、跟踪光筒、探头筒身；探头夹具用于固定太阳跟踪测量探头，采用探头夹具可便于探头与转台的安装和分离；工控机包括主机、显示器、测量控制软件，所述测量控制软件通过RS422串口通讯发送命令给采集控制电路板进行跟踪和测量，并对返回的数据进行存储和显示，同时计算并作图显示各波段透过率，含6个激光波段透过率和水汽总量变化；
测量光筒包括筒身、压盖、透镜镜座、透镜、四个光栏、三个光圈，筒身前端和后端都开孔且带有外螺纹，内交叉放置四个光栏和三个光圈，通过前端压盖压紧，透镜镜座前端和后端都开孔且带有内螺纹，前端与筒身后端螺纹连接，透镜通过外螺纹压圈装于透镜镜座后端内部，透镜镜座后端通过螺钉固定于探头筒身的筒身前盖板；跟踪光筒包括筒身、压盖、燕尾槽、四象限探测器、探测器座，筒身前端开孔且带有外螺纹，与带有内螺纹的压盖螺纹连接，燕尾槽固定于筒身前端内部，筒身后端开孔且带有内螺纹，四象限探测器置于带有内螺纹的探测器座内通过外螺纹压圈压紧后置于筒身后端内部，通过外螺纹压圈固定，筒身后端通过螺钉固定于探头筒身的筒身前盖板；探头筒身包括筒身、筒身前盖板、筒身后盖板、三个探头航空插座、滤光转盘、恒温模块、锲型支撑板、数据采集电路板，筒身前盖板前端面中心线上下各开有一个孔，分别用于固定测量光筒、跟踪光筒，两个光筒严格平行安装，后端面连接锲型支撑板，锲型支撑板上安装滤光转盘、恒温模块、数据采集电路板，筒身后盖板后端面连接三个探头航空插座；滤光转盘包括转盘、11个滤光片、1个黑色不透光块、步进马达、连接轴、马达支架、滤光转盘零位检测装置，11个滤光片和1个黑色不透光块均匀分布于开了12个孔的转盘上，转盘、零位检测盘、步进马达通过连接轴连接后架于马达支架上，再固定于锲型支撑板上；滤光转盘零位检测装置包括零位光电开关、零位光电开关支架、零位检测盘，零位光电开关通过支架固定于锲型支撑板上，零位检测盘通过连接轴同轴安装与转盘同转，通过零位光电开关可以检测转盘初始位置及各滤光片中心位置；恒温模块包括复合型铟镓砷探测器、帕尔贴片、两个温度传感器、恒温盒、散热片、风扇，恒温盒包括内盒和外盒，内盒装有复合型铟镓砷探测器和两个温度传感器，内盒套于外盒内，不直接接触，通过填充保温材料和帕尔贴片衔接，帕尔贴片一面紧贴内盒，另一面紧贴作为外盒密封盖的散热片，散热片上装有风扇；
所述跟踪光筒前端内部固定的燕尾槽包括有燕尾槽底座、燕尾槽上下调节座、燕尾槽左右调节座，燕尾槽左右调节座开有0.5mm小孔，结合燕尾槽底座和燕尾槽上下调节座可调节小孔中心与四象限探测器光敏面中心一致，四象限探测器光敏面直径4mm，被均分为四个象限，用于检测太阳中心位置，从而实现太阳的精准跟踪，四象限探测器输出引脚有6个，4个分别为4个象限的象限信号，两个为地，都接于数据采集电路板上进行信号放大和采集。
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