CN107238435A - 太阳辐射通量垂直廓线探测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测仪，尤其是一种太阳辐射通量垂直廓线探测仪，具体地说是用于测量太阳辐射的垂直分布探测设备，属于太阳辐射测量的技术领域。在探测仪架体的朝上辐射探测感应面上设置下行太阳辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置上行太阳辐射探测感应器，利用旋转平衡机构能自动调整使得朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，确保得到太阳辐射通量垂直廓线的精度，探测仪架体由系留气艇携带升空，能有效探测地面至大气边界高度范围内不同波段太阳辐射通量垂直廓线，抗干扰能力强，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测仪，尤其是一种太阳辐射通量垂直廓线探测仪，具体地说是用于测量太阳辐射的垂直分布探测设备，属于太阳辐射测量的技术领域。
背景技术
太阳辐射是自然界中各种物理过程的主要能量来源，是驱动天气、气候形成及其演变的基本动力，是维持地球气候系统和生态系统能量平衡的重要因子。地面太阳辐射变化已引起国内外科学家广泛关注，对其变化趋势开展了大量研究。太阳辐射经过大气层时，由于受到云、水汽、大气中的二氧化碳和臭氧等气体成分以及气溶胶粒子的吸收、反射和散射作用，在不同大气高度层内的变化趋势存在差异。由于观测手段限制，探测仪器多被安装在地面，测量到达地球表面的太阳辐射。
目前，尚缺乏有效的探测仪器来系统获取太阳辐射在不同大气高度层内的垂直分布特征。高时间、高空间分辨率的太阳辐射垂直观测是气候变化研究的重要基础和手段，亟需开展相关观测技术研究，研发相应观测仪器将有助于揭示一些包含重要意义的科学事实。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其结构简单紧凑，能有效探测地面至大气边界高度范围内不同波段太阳辐射通量垂直廓线，抗干扰能力强，测量精度高，适应范围广，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述太阳辐射通量垂直廓线探测仪，包括探测仪架体，在所述探测仪架体的上表面形成朝上辐射探测感应面，在探测仪架体的下表面形成朝下辐射探测感应面，所述朝下辐射探测感应面与朝上辐射探测感应面呈相互平行的水平状态，在朝上辐射探测感应面上设置用于测量天空向下辐射的下行太阳辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置用于测量地面向上辐射的上行太阳辐射探测传感器。
在所述探测仪架体内设置旋转平衡机构以及数据采集器，通过牵拉旋转平衡机构能使得探测仪架体升空，且旋转平衡机构能使得处于悬空状态探测仪架体的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，数据采集器能采集下行辐射探测传感器对应的下行辐射探测值以及上行辐射探测传感器对应的上行辐射探测值。
所述探测仪架体呈盒状，探测仪架体对应的侧面上设置镂空孔，所述探测仪架体的重量为1.5kg～2kg。
所述旋转平衡机构包括横轴以及与所述横轴连接的竖轴，所述横轴的长度方向与朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面相互平行，竖直的长度方向与横轴的长度方向相互垂直，横轴的两端通过轴承安装于探测仪架体内；横轴、竖轴利用轴承能在探测仪架体内转动，以使得探测仪架体的重心与探测仪架体的中心保持一致。
所述探测仪架体的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面上均设有竖轴摆动孔，竖轴的两端分别能从对应的竖轴摆动孔穿出探测仪架体外，且竖轴的端部能在竖轴摆动孔内摆动。
所述竖轴摆动孔呈椭圆形，竖轴的端部设置牵拉连接孔。
所述下行辐射探测传感器包括朝上紫外辐射传感器、朝上光合有效辐射传感器、朝上长波辐射传感器以及朝上短波辐射传感器，所述上行辐射探测传感器包括朝下短波辐射传感器、朝下长波辐射传感器以及朝下光合有效辐射传感器。
在所述探测仪架体内还设有用于采集探测仪架体在空中状态的姿态信息采集器，所述姿态信息采集器与数据采集器连接，数据采集器能采集姿态信息采集器的姿态信息。
所述姿态信息采集器采集的姿态信息包括仪器航向、磁场状态、垂直方向和/或水平方位；所述姿态信息采集器包括数字罗盘、磁阻传感器以及倾斜传感器。
数据采集器采集下行辐射探测传感器、上行辐射探测传感器的数据包括原始辐射数据以及分钟平均数据。
在所述探测仪架体的旋转平衡机构上设置牵拉线；探测仪架体跟随系留气艇升空时，探测仪架体通过牵拉线悬挂于系留气艇下方50米。
在所述探测仪架体内设置用于供电的电源。
本发明的优点：在探测仪架体的朝上辐射探测感应面上设置下行辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置上行辐射探测感应器，利用旋转平衡机构能自动调整使得朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，确保得到太阳辐射通量垂直廓线的精度，探测仪架体由系留气艇携带升空，能有效测地面至大气边界高度范围内不同波段太阳辐射通量垂直廓线，抗干扰能力强，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的立体图。
图2为本发明一种倾斜状态下的立体图。
图3为本发明另一种倾斜状态的立体图。
附图标记说明：1-探测仪架体、2-横轴、3-轴承、4-竖轴、5-朝上紫外辐射传感器、6-朝上光合有效辐射传感器、7-朝上长波辐射传感器、8-朝上短波辐射传感器、9-朝下短波辐射传感器、10-朝下长波辐射传感器、11-朝下光合有效辐射传感器、12-数据采集器、13-电子罗盘、14-电源、15-牵拉连接孔、16-镂空孔以及17-竖轴摆动孔。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示：为了能有效探测地面至大气边界高度范围内不同波段太阳辐射通量垂直廓线，本发明包括探测仪架体1，在所述探测仪架体1的上表面形成朝上辐射探测感应面，在探测仪架体1的下表面形成朝下辐射探测感应面，所述朝下辐射探测感应面与朝上辐射探测感应面呈相互平行的水平状态，在朝上辐射探测感应面上设置用于测量天空向下辐射的下行太阳辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置用于测量地面向上辐射的上行太阳辐射探测传感器；
在所述探测仪架体1内设置旋转平衡机构以及数据采集器12，通过牵拉旋转平衡机构能使得探测仪架体1升空，且旋转平衡机构能使得处于悬空状态探测仪架体1的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，数据采集器12能采集下行辐射探测传感器对应的下行辐射探测值以及上行辐射探测传感器对应的上行辐射探测值。
具体地，所述探测仪架体1呈盒状，探测仪架体1呈长方体或正方体；朝上辐射探测感应面位于探测仪架体1的上表面，朝下辐射探测感应面位于探测仪架体1的下表面。下行辐射探测传感器在朝上辐射探测感应面上向上，以测量下行太阳辐射(所述下行太阳辐射是指自天空向下的太阳辐射)，上行辐射探测传感器在朝下辐射探测感应面上向下，以测量上行太阳辐射(所述上行太阳辐射是指自地面向上的太阳辐射)。
探测仪架体1采用轻质材料制成，在保证强度的前提下，探测仪架体1的侧面设有镂空孔16，所述镂空孔16呈对称分布，镂空孔16贯通探测仪架体1对应的侧面，对称分布的镂空孔16不会影响探测仪架体1的重心分布，而利用镂空孔16能有效减少自身载荷，可以减少探测仪架体1在大气中的风阻，进而减少探测仪架体1因风吹而转动的可能性。根据观测需要，探测仪架体1的重量在1.5-2kg范围内。
进一步地，所述旋转平衡机构包括横轴2以及与所述横轴2连接的竖轴4，所述横轴2的长度方向与朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面相互平行，竖直4的长度方向与横轴2的长度方向相互垂直，横轴2的两端通过轴承3安装于探测仪架体1内；横轴2、竖轴4利用轴承3能在探测仪架体1内转动，以使得探测仪架体1的重心与探测仪架体1的中心保持一致。
本发明实施例中，横轴2以及竖轴4均位于探测仪架体1内，横轴2位于朝上辐射探测感应面与朝下辐射探测感应面之间，横轴2的长度方向与朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面相互平行，横轴2的两端利用轴承3安装于探测仪架体1对应的侧面上，横轴2利用轴承3能在探测仪架体1内转动，竖轴4与横轴2呈垂直连接，当横轴2转动时，竖轴4能跟随横轴2的转动。
所述探测仪架体1的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面上均设有竖轴摆动孔17，竖轴4的两端别能从对应的竖轴摆动孔17穿出探测仪架体1外，且竖轴4的端部能在竖轴摆动孔17内摆动。
具体实施时，所述竖轴摆动孔17呈椭圆形，竖轴4的端部设置牵拉连接孔15，竖轴4端部的牵拉连接孔15分别位于对应的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面外。朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面上的竖轴摆动孔17呈相互平行，竖轴摆动孔17的长度方向与横轴2的长度方向垂直。
在进行太阳辐射通量垂直廓线探测时，需要将探测仪架体1升空，具体地，在竖轴4上端部的牵拉连接孔15上设置牵拉线，利用牵拉线与系留气艇连接，从而系留气艇能将探测仪架体1牵拉升空，由于竖轴4位于探测仪架体1的中心位置，可以最大限度的减少牵拉线的阴影对太阳辐射观测数据的影响。在探测仪架体1升空时，探测仪架体1悬挂于系留气艇下方50米处，探测仪架体1跟随系留气艇从地面开始缓慢升空至大气边界层高度，观测不同高度处的太阳辐射通量垂直廓线。
在系留气艇上加载不同波段太阳辐射传感器进行测量时，太阳辐射传感器的水平状态是获取高质量观测数据的基础，即需要保证朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面的水平状态。但是，系留气艇升空过程中会受到大气气流的影响，探测仪架体1可能会失去平衡姿态。此时，朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面会以系留气艇为中心摆动。由于摆动臂较长(50米)，摆动频率较低，朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面会较长时间处于(准)水平状态，有助于取得高质量的太阳辐射观测数据。
综上，旋转平衡机构设计只需保证探测仪架体1的中心与重心一致，以保证朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面不倾斜即可。为实现朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面的自动调平，横轴2由钢材制成，较好的抗弯强度可以防止承受重力或拉力后弯曲变形，横轴2两端安装轴承3，横轴2两侧出现倾斜时，会自动调整平衡。横轴2转动范围较大，可以保证在系留牵拉线最大45°倾斜的情况下，探测仪架体1的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面仍能自动调整平衡。当横轴2两端出现倾斜时，会自动转动至水平，可以减少因绳索扭矩造成的平台转动。由于平台上安装的器件质量各异，具体实施时，可以在探测仪架体1底面设置两个方向垂直、可以滑动的滑块，以便装配完成后调整重心，保证重心保持在竖轴4所在的铅垂线中心线上。
所述下行辐射探测传感器包括朝上紫外辐射传感器5、朝上光合有效辐射传感器6、朝上长波辐射传感器7以及朝上短波辐射传感器8，所述上行辐射探测传感器包括朝下短波辐射传感器9、朝下长波辐射传感器10以及朝下光合有效辐射传感器11。
本发明实施例中，朝上短波辐射传感器8、朝下短波辐射传感器9的探测波长范围为300～2800nm；朝上长波辐射传感器7、朝下长波辐射传感器10的探测波长范围为4500～50000nm；朝上光合有效辐射传感器6、朝下光合有效辐射传感器11的探测波长范围均为400～700nm；朝上紫外辐射传感器5的探测波长范围为275～400nm。
对于下行辐射探测传感器，利用各个传感器颈部的平面，从探测仪架体1的内侧朝上安装。对于上行辐射探测传感器，利用各个传感器底部的平面，在探测仪架体1的底部外侧朝下安装。这主要是考虑尽可能降低系统重心，增加系统阻尼，提高系统整体的稳定性。下行辐射探测传感器对应的探测面向上，上行辐射探测传感器对应的探测面向下。下行辐射探测传感器、上行辐射探测传感器相对应的感应面高度一致，各辐射探测传感器的中心距离尽可能大，各辐射探测传感器观测窗口防护罩形成的遮挡角小于5°。
利用朝上短波辐射传感器8、朝下短波辐射传感器9探测短波辐射时，短波辐射值为：其中，RS为太阳短波辐射值，单位为W/m2；VS为测量电压值，单位为V；XS为短波辐射传感器灵敏度，单位为V/(W/m2)。
利用朝上光合有效辐射传感器6以及朝下光合有效辐射传感器11探测光合有效辐射时，光合有效辐射值为：RP＝VP×XP。其中，RP为光合有效辐射值，单位为μmol/s/m2；VP为测量电压值，单位为V；XP为光合有效辐射传感器灵敏度，单位为μmol/s/m2/V。
利用朝上紫外辐射传感器5探测紫外辐射时，紫外辐射值为：RU＝VU×XU。其中，RU为紫外辐射值，单位为W/m2；VU为测量电压值，单位为V；XU为辐射传感器灵敏度，单位为W/m2/V。
利用朝上长波辐射传感器7以及朝下长波辐射传感器10进行长波辐射探测时，太阳长波辐射值计算公式为：其中，RL为长波辐射值，单位为W/m2；VL为测量电压值，单位为V；XL为辐射传感器灵敏度，单位为V/(W/m2)；T为长波辐射传感器温度，单位为℃。
进一步地，在所述探测仪架体1内还设有用于采集探测仪架体1在空中状态的姿态信息采集器，所述姿态信息采集器与数据采集器12连接，数据采集器12能采集姿态信息采集器的姿态信息。
本发明实施例中，利用数据采集器12能采集上述下行辐射探测传感器、上行辐射探测传感器对应的探测数据，数据采集器12可以采用现有常用的数据采集形式，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
具体实施时，太阳辐射通量垂直廓线探测仪提供两类观测数据：原始采样数据和分钟平均数据。其中，原始采样数据时间分辨率为1s，包括所有辐射传感器的原始辐射数据和姿态信息采集器的姿态信息。分钟平均数据每1分钟一条，包括所有辐射传感器在每分钟内的平均值、最大值和最小值等。两类观测数据均存储于采集器内部的存储卡中，可通过RS232串口与计算机建立通信，进行原始采样数据和分钟平均数据下载。
姿态控制传感器包含数字罗盘模块13、磁阻传感器和两轴倾斜传感器来提供精准的仪器姿态信息，数字罗盘13使用串口线连接于数据采集器12，姿态数据包括仪器航向、磁场状态、垂直方向和水平方位，可在开始探测之前进行设置。具体实施时，在探测仪架体1升空过程中，如出现倾斜角度过大的情况，可以将该位置装态下的辐射数据剔除，也可以对该辐射测量值进行误差修正来得到准确的辐射值，在进行误差修正时，可以采用本技术领域常用的方式，具体可以根据需要进行选择，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
此外，在探测仪架体1还设置电源14，电源14采用可充电电源，由于本发明的功耗较小，一次充电可保证整套仪器单次测量。
本发明实施例中，数据采集器12、电子罗盘13和电池14等位于探测仪架体1内，以防止被雨水打淋。
本发明在探测仪架体1的朝上辐射探测感应面上设置下行辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置上行辐射探测感应器，利用旋转平衡机构能自动调整使得朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，确保得到太阳辐射通量垂直廓线的精度，探测仪架体1由系留气艇携带升空，能有效测地面至大气边界高度范围内不同波段太阳辐射通量垂直廓线，抗干扰能力强，安全可靠。
Claims (10)
1.一种太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：包括探测仪架体（1），在所述探测仪架体（1）的上表面形成朝上辐射探测感应面，在探测仪架体（1）的下表面形成朝下辐射探测感应面，所述朝下辐射探测感应面与朝上辐射探测感应面呈相互平行的水平状态，在朝上辐射探测感应面上设置用于测量天空向下辐射的下行太阳辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置用于测量地面向上辐射的上行太阳辐射探测传感器；
在所述探测仪架体（1）内设置旋转平衡机构以及数据采集器（12），通过牵拉旋转平衡机构能使得探测仪架体（1）升空，且旋转平衡机构能使得处于悬空状态探测仪架体（1）的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面处于水平状态，数据采集器（12）能采集下行辐射探测传感器对应的下行辐射探测值以及上行辐射探测传感器对应的上行辐射探测值。
2.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述探测仪架体（1）呈盒状，探测仪架体（1）对应的侧面上设置镂空孔（16），所述探测仪架体（1）的重量为1.5kg~2kg。
3.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述旋转平衡机构包括横轴（2）以及与所述横轴（2）连接的竖轴（4），所述横轴（2）的长度方向与朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面相互平行，竖直（4）的长度方向与横轴（2）的长度方向相互垂直，横轴（2）的两端通过轴承（3）安装于探测仪架体（1）内；横轴（2）、竖轴（4）利用轴承（3）能在探测仪架体（1）内转动，以使得探测仪架体（1）的重心与探测仪架体（1）的中心保持一致。
4.根据权利要求3所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述探测仪架体（1）的朝上辐射探测感应面、朝下辐射探测感应面上均设有竖轴摆动孔（17），竖轴（4）的两端分别能从对应的竖轴摆动孔（17）穿出探测仪架体（1）外，且竖轴（4）的端部能在竖轴摆动孔（17）内摆动。
5.根据权利要求4所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述竖轴摆动孔（17）呈椭圆形，竖轴（4）的端部设置牵拉连接孔（15）。
6.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述下行辐射探测传感器包括朝上紫外辐射传感器（5）、朝上光合有效辐射传感器（6）、朝上长波辐射传感器（7）以及朝上短波辐射传感器（8），所述下行辐射探测传感器包括朝下短波辐射传感器（9）、朝下长波辐射传感器（10）以及朝下光合有效辐射传感器（11）。
7.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：在所述探测仪架体（1）内还设有用于采集探测仪架体（1）在空中状态的姿态信息采集器，所述姿态信息采集器与数据采集器（12）连接，数据采集器（12）能采集姿态信息采集器的姿态信息。
8.根据权利要求7所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：所述姿态信息采集器采集的姿态信息包括仪器航向、磁场状态、垂直方向和/或水平方位；所述姿态信息采集器包括数字罗盘（13）、磁阻传感器以及倾斜传感器；
数据采集器（12）采集下行辐射探测传感器、上行辐射探测传感器的数据包括原始辐射数据以及分钟平均数据。
9.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：在所述探测仪架体（1）的旋转平衡机构上设置牵拉线；探测仪架体（1）跟随系留气艇升空时，探测仪架体（1）通过牵拉线悬挂于系留气艇下方50米。
10.根据权利要求1所述的太阳辐射通量垂直廓线探测仪，其特征是：在所述探测仪架体（1）内设置用于供电的电源（14）。
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