CN107966208A - 一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法。该方法包括根据太阳绝对辐射计的腔温动态响应模型，获取导致腔温漂移的主要因素；采用热电实验获取在不同环境下的腔温响应，再采用最小二乘法计算温度系数，建立腔温响应和输入功率的关系；根据腔温响应和输入功率的关系，实时地修正腔温，通过加光阶段的腔温变化获得待测光功率。该方法通过建立腔温和输入加热功率的关系，进行腔温的实时修正，提高了太阳绝对辐射计的长期稳定性，进而提高测量精度；且该方法不需要存在传统测量方法中的电标定阶段，直接通过加光阶段的腔温变化即可获得待测功率，进而缩短了测量周期。
Description
技术领域
本发明涉及太阳光辐照度测量的技术领域，具体涉及一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法。
背景技术
太阳总辐照度(Total Solar Irradiance，TSI)可以计算太阳常数，对太阳物理学和高层大气研究都具有重要意义。目前，太阳总辐照度主要采用太阳辐照度绝对辐射计进行测量。太阳辐照度绝对辐射计是一种电替代绝对辐射计，测量结果可直接溯源至国际基本单位制(SI)中的电流。太阳辐照度绝对辐射计的核心探测器是黑体腔，光功率在黑体腔内经过多次反射和吸收，使得腔温达到新的平衡状态。基于电替代的测量原理，利用电功率复现光功率产生的腔温变化，通过精确测量的等效电功率可获得未知的光功率。
目前，各国都在进行太阳总辐照度(TSI)的测量。比利时将太阳辐照度绝对辐射计搭载在航天器上长期监测太阳总辐照度(TSI)；美国采用TIM监测太阳总辐照度(TSI)；瑞士采用PMOD6监测太阳总辐照度(TSI)；中国采用自主研制的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)进行监测太阳总辐照度(TSI)。
为标定各国的太阳绝对辐射计，世界气象组织在瑞士达沃斯设立了世界辐射中心。世界辐射中心采用七台太阳绝对辐射计组成世界标准辐射计组(WSG)，将世界标准辐射计组(WSG)的加权测量结果作为世界辐射基准(WRR)。为传递世界辐射基准(WRR)，世界辐射中心每五年在达沃斯举办一次国际日射强度计比对(IPC)。通过外场定标，获得各台仪器以及世界标准辐射计组(WSG)对地面太阳辐照度的同步测量结果，从而获得以世界辐射基准(WRR)为基准的矫正因子。受大气条件变化影响，地面太阳辐照度的稳定性比空间太阳辐照度的稳定性差，通过缩短测量周期可以提高太阳绝对辐射计的测量精度。为保证定标精度，外场定标要求各仪器采用相同的测量周期。由于受黑体腔的时间常数限制，最初的测量周期长达180s。随着测量方法的优化，测量周期从180s逐步缩短至90s，目前最短的测量周期可达60s。
中国采用自主研制的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)参加国际日射强度计比对(IPC)。双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)采用的是预测辐射电补偿算法，目前测量周期最快为90s，与世界上最快的测量周期60s存在差距。腔温响应与输入功率的关系称为灵敏度。太阳辐照度绝对辐射计普遍采用参考腔补偿环境温度漂移，由于受复杂的实际工况影响，参考腔不能完全消除环境温度漂移对腔温造成的影响，导致灵敏度产生变化。由于缺少腔温响应与输入功率的绝对关系，现有的测量方法中包括两个阶段：辐射观测和电定标。现有的测量方法需要通过电定标实时修正太阳辐照度绝对辐射计的灵敏度，增加了测量周期的时间。
因此，针对现有双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)所存在的问题，急需一种提高双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的测量精度和缩短双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的测量周期的方法。
发明内容
针对现有现有双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)所存在的问题，本发明实施例提出一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法。本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法通过建立腔温和输入加热功率的关系，采用腔温修正的方式，提高了太阳绝对辐射计的长期稳定性，进而提高测量精度。本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法节省了传统测量方法中的电标定阶段的时间，进而缩短了测量周期。
该基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的具体方案如下：一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，包括以下步骤，根据太阳绝对辐射计的腔温动态响应模型，获取导致腔温漂移的主要因素；采用热电实验获取在不同环境下的腔温响应，再采用最小二乘法计算温度系数，建立腔温响应和输入功率的关系；根据腔温响应和输入功率的关系，实时地修正腔温，通过加光阶段的腔温变化获得待测光功率。
优选地，黑体腔的腔温的热平衡方程如公式2所示：
公式2：
其中，T(t)是腔温，TR是室温，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS(TR)是黑体腔接受的辐射功率。
优选地，求解公式2得到腔温T(t)的动态响应方程，具体表达式如公式3所示：
公式3：
其中，T0是黑体腔的初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。
优选地，所述导致腔温漂移的主要因素包括室温波动因素和热沉温漂因素。
优选地，修正腔温的具体公式如公式5所示：
公式5：Tx(t,TR,TH)＝T(t)+ε1(TR-TRB)+ε2(TH-THB)
其中，TX(t,TR,TH)为修正腔温，TRB是室温基准，THB是热沉基准，ε1为室温温度系数，ε2为热沉温度系数。
优选地，所述加光阶段包括自测试阶段、辐射观测阶段和辐射测量阶段。
优选地，在所述自测试阶段过程中，提供黑体腔的第一电定标功率PEL和第二电定标功率PEH，并获得第一平衡温度TL和第二平衡温度TH，进而获取黑体腔的灵敏度；将自测试阶段过程中的室温平均值作为室温基准，将自测试阶段过程中的热沉平均值作为热沉基准。
优选地，所述黑体腔的灵敏度计算表达式如下式所示：
其中，S为黑体腔的灵敏度，PEL为第一电定标功率，PEH为第二电定标功率，TL为第一平衡温度，TH为第二平衡温度。
优选地，在所述辐射观测阶段，打开快门，使得黑体腔接收光功率；将电功率降低至补偿电功率以维持黑体腔的热平衡状态；根据公式5实时修正腔温，从而获得辐射观测阶段的平衡温度。
优选地，在所述辐射测量阶段，根据公式5实施修正腔温，获得每个测量周期内一个平衡温度，获得光功率的计算公式如公式6所示：
公式6：PO＝PH-POE-S×(TH-TXRM)
其中，PO为光功率，PH为加热功率，POE为补偿电功率，S为黑体腔灵敏度，TH为热沉温度，TXRM为每个测量周期内的一个平衡温度。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法通过建立腔温和输入加热功率的关系，进行腔温的实时修正，提高了太阳绝对辐射计的长期稳定性，进而提高测量精度。本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法不需要存在传统测量方法中的电标定阶段，直接通过加光阶段的腔温变化即可获得待测功率，进而缩短了测量周期。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图；
图2为本发明实施例中基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图；
图3为在不同环境温度下，长期监测SIAR腔温、室温和热沉温度的结果示意图；
图4(a)为腔温和室温的响应关系示意图；
图4(b)为采用最小二乘法拟合获得的SIAR的室温温度系数示意图；
图5(a)为腔温和热沉温度的响应关系示意图；
图5(b)为采用最小二乘法拟合获得的SIAR的热沉温度系数示意图；
图6为热沉温度、室温、腔温和修正腔温的比较示意图；
图7为辐射阶段中腔温修正的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图。该测量方法总共包括三个步骤，具体流程如下所述。
步骤S1：根据太阳绝对辐射计的腔温动态响应模型，获取导致腔温漂移的主要因素。在现有双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的测量方法中，黑体腔的腔温采用热电堆进行模拟获得。热电堆的高端连接黑体腔，热电堆的低端连接热沉，热电堆的输出即是黑体腔与热沉之间的温差。采用热电堆的输出来表征腔温T(t)，具体的表达式如公式1所示：
T(t)＝TC(t)-TH (公式1)
其中，TC(t)是黑体腔温度，TH是热沉温度。
腔温T(t)满足如公式2所示的热平衡方程：
其中，TR是室温，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS(TR)是黑体腔接受的辐射功率且与室温TR相关。
对公式2进行求解，可得到腔温的动态响应方程，具体如公式3所示：
其中T0是初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。当时间t→∞时，黑体腔达到平衡状态，平衡温度的表达式如公式4所示：
当室温TR变化时，黑体腔的热辐射背景也相应发生改变，即辐射功率变化。分析公式4可知，热辐射功率变化将改变平衡腔温，平衡腔温随着室温的升高而增加。热沉是大惯性系统，时间常数非常长，但室温变化也将导致热沉温度改变。分析公式1可知，当热沉温度上升时，平衡腔温将减小。因此，导致腔温漂移的主要因素包括室温波动因素和热沉温漂因素。具体来讲，在恒定的加热功率作用下，黑体腔的平衡温度不仅取决于加热功率，还取决于室温以及热沉温度。
步骤S2：采用热电实验获取在不同环境下的腔温响应，再采用最小二乘法计算温度系数，建立腔温响应和输入功率的关系。双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的室温温度系数ε1和热沉温度系数ε2可以采用热电实验获取。根据室温温度系数ε1和热沉温度系数ε2修正腔温T(t)，得到修正后的腔温TX(t,TR,TH)，其具体的表达式如公式5所示：
Tx(t,TR,TH)＝T(t)+ε1(TR-TRB)+ε2(TH-THB) (公式5)
其中，TX(t,TR,TH)为修正腔温，TRB是室温基准，THB是热沉基准，ε1为室温温度系数，ε2为热沉温度系数。公式5即建立了建立腔温与输入加热功率的绝对关系，提高腔温的长期稳定性。
步骤S3：根据腔温响应和输入功率的关系，实时地修正腔温，通过加光阶段的腔温变化获得待测光功率。在该实施例中，加光阶段包括自测试阶段、辐射观测阶段和辐射测量阶段。
在自测试阶段过程中，提供黑体腔的第一电定标功率PEL和第二电定标功率PEH，并获得第一平衡温度TL和第二平衡温度TH，进而获取黑体腔的灵敏度；将自测试阶段过程中的室温平均值作为室温基准，将自测试阶段过程中的热沉平均值作为热沉基准。黑体腔的灵敏度计算表达式如下式所示：
其中，S为黑体腔的灵敏度，PEL为第一电定标功率，PEH为第二电定标功率，TL为第一平衡温度，TH为第二平衡温度。
在辐射观测阶段，打开快门，使得黑体腔接收光功率PO；将电功率降低至补偿电功率POE以维持黑体腔的热平衡状态；根据公式5实时修正腔温，从而获得辐射观测阶段的平衡温度TXRO。
在辐射测量阶段，根据公式5实施修正腔温，获得每个测量周期内一个平衡温度，获得光功率PO的计算公式如公式6所示：
公式6：PO＝PH-POE-S×(TH-TXRM)
其中，PO为光功率，PH为加热功率，POE为补偿电功率，S为黑体腔灵敏度，TH为热沉温度，TXRM为每个测量周期内的一个平衡温度。
如图2所示，为本发明实施例中基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图。在该测量过程中，腔温修正值和电功率采样值的表现形式都为阶跃响应曲线形式。腔温修正值的阶跃响应曲线如图2中曲线1所示，电功率采样值的阶跃响应曲线如图2中曲线2所示。
本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法通过建立腔温和输入加热功率的关系，进行腔温的实时修正，提高了太阳绝对辐射计的长期稳定性，进而提高测量精度。
本发明实施例所提供的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法的具体实验模拟验证和使用过程如下文所述。
如图3所示，在不同环境温度下，长期监测双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)腔温、室温和热沉温度的结果示意图。在该实验中，以40小时作为监测时间，在该时间段内室温的变化如图3中曲线3所示，在该时间段内热沉温度的变化如图3中曲线4所示，在该时间段内SIAR腔温的变化如图3中曲线5所示。根据图3变化曲线可归纳出，腔温的短期变化来自室温波动，腔温的长期变化来自热沉温度漂移。
如图4(a)所示，为腔温和室温的响应关系示意图。在图4(a)所示实施例中，为了获取短期内腔温和室温的响应关系，本实施例采用0到0.2h的时间段作为监测时间。在该时间段内，室温的变化曲线如图4(a)中的曲线6所示；在该时间段内，腔温的变化曲线如图4(a)中的曲线7所示。通过对比可发现，腔温的变化趋势和室温的变化趋势类似。
如图4(b)所示，为采用最小二乘法拟合获得的SIAR的室温温度系数示意图。在该实施例中，采用最小二乘法拟合，获得双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的室温温度系数为ε1＝6.78971Lsb/℃。
如图5(a)所示，为腔温和热沉温度的响应关系示意图。在图5(a)所示实施例中，为了获取长期内腔温和热沉温的响应关系，本实施例采用0到16h的时间段作为监测时间。在该时间段内，热沉温度的变化曲线如图5(a)中的曲线8所示；在该时间段内，腔温的变化曲线如图5(a)中的曲线9所示。通过对比可发现，腔温的变化趋势和热沉温度的变化趋势呈相反状态。
如图5(b)所示，为采用最小二乘法拟合获得的SIAR的热沉温度系数示意图。在该实施例中，采用最小二乘法拟合，获得双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的热沉温度系数为ε2＝-8.78939Lsb/℃。
根据公式5，进行双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的腔温修正，从而将腔温的稳定性从0.1％提高到0.01％，具体的显示形式如图6所示。在图6中，热沉温度的变化如曲线a所示，室温的变化如曲线b所示，腔温的变化如曲线c所示，修正腔温的变化如曲线d所示。
在步骤S3的辐射测量阶段，室温下降会导致原始腔温下降。在该实施例中，根据环境温度检测的结果，测试过程中修正了原始腔温的波动，从而验证了本发明实施例的可行性。如图7所示，为辐射阶段中腔温修正的示意图。在图7中，原始腔温的变化如曲线e所示，修正腔温的变化如曲线f所示，室温的变化如曲线g所示，热沉温度的变化如曲线h所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据太阳绝对辐射计的腔温动态响应模型，获取导致腔温漂移的主要因素；
采用热电实验获取在不同环境下的腔温响应，再采用最小二乘法计算温度系数，建立腔温响应和输入功率的关系；
根据腔温响应和输入功率的关系，实时地修正腔温，通过加光阶段的腔温变化获得待测光功率。
2.根据权利要求1所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，黑体腔的腔温的热平衡方程如公式2所示：
公式2：
其中，T(t)是腔温，TR是室温，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS(TR)是黑体腔接受的辐射功率。
3.根据权利要求2所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，求解公式2得到腔温T(t)的动态响应方程，具体表达式如公式3所示：
公式3：
其中，T0是黑体腔的初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。
4.根据权利要求1所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述导致腔温漂移的主要因素包括室温波动因素和热沉温漂因素。
5.根据权利要求1所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，修正腔温的具体公式如公式5所示：
公式5：Tx(t,TR,TH)＝T(t)+ε1(TR-TRB)+ε2(TH-THB)
其中，TX(t,TR,TH)为修正腔温，TRB是室温基准，THB是热沉基准，ε1为室温温度系数，ε2为热沉温度系数。
6.根据权利要求5所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述加光阶段包括自测试阶段、辐射观测阶段和辐射测量阶段。
7.根据权利要求6所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，在所述自测试阶段过程中，提供黑体腔的第一电定标功率PEL和第二电定标功率PEH，并获得第一平衡温度TL和第二平衡温度TH，进而获取黑体腔的灵敏度；将自测试阶段过程中的室温平均值作为室温基准，将自测试阶段过程中的热沉平均值作为热沉基准。
8.根据权利要求7所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述黑体腔的灵敏度计算表达式如下式所示：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
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<mi>E</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>E</mi>
<mi>H</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>L</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>H</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，S为黑体腔的灵敏度，PEL为第一电定标功率，PEH为第二电定标功率，TL为第一平衡温度，TH为第二平衡温度。
9.根据权利要求6所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，在所述辐射观测阶段，打开快门，使得黑体腔接收光功率；将电功率降低至补偿电功率以维持黑体腔的热平衡状态；根据公式5实时修正腔温，从而获得辐射观测阶段的平衡温度。
10.根据权利要求6所述的基于腔温修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，在所述辐射测量阶段，根据公式5实施修正腔温，获得每个测量周期内一个平衡温度，获得光功率的计算公式如公式6所示：
公式6：PO＝PH-POE-S×(TH-TXRM)
其中，PO为光功率，PH为加热功率，POE为补偿电功率，S为黑体腔灵敏度，TH为热沉温度，TXRM为每个测量周期内的一个平衡温度。
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