CN108088571A - 一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法 - Google Patents

一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法。该方法根据腔温响应模型分析传统的SIAR在开快门和关快门时刻产生腔温波动的原因，提出不等效能量的概念，并通过补偿不等效能量以维持黑体腔的热平衡状态，补偿开快门和关快门时刻的温度波动，进而缩短了黑体腔恢复热平衡的时间，从而缩短了测量周期。

Description

一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法
技术领域
本发明涉及太阳光辐照度测量的技术领域，具体涉及一种基于能量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，与国际上最快的测量周期60s存在差距。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：辐射观测阶段和电定标阶段。双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)采用动态预测电补偿功率的方法，该方法需要精确知道双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的腔温响应数学模型。在恒定的加热功率作用下，腔温响应具有单e指数的形式。然而在实际的测量过程中，即使补偿电功率和光功率之和与电定标功率相当，在开快门和关快门时刻，腔温会产生明显的脉冲，从而破坏热平衡状态，增长了恢复平衡状态的时间，进而导致测量周期增长。
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能量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能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法根据腔温响应模型分析传统的SIAR在开快门和关快门时刻产生腔温波动的原因，提出不等效能量的概念，并通过不等效能量维持黑体腔的热平衡状态，补偿温度波动，缩短了黑体腔恢复热平衡的时间，进而缩短了测量周期。
该基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法的具体方案如下：一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，包括以下步骤：采用实验手段，获取太阳绝对辐射计在开快门和关快门时刻的不等效能量；根据所述实验的结果，构建等高线图；在辐射观测阶段，首先将电功率设置为POE-△Pmin，再开快门，经过Tmin后，电功率再次设置为POE，进而获得TO和POE；其中，POE是第一补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TO是第一平衡温度；在电定标阶段，首先将电功率设置为PE+△Pmin，再关快门，经过Tmin后，电功率再次设置为PE，进而获得TE和PE；其中，PE是第二补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TE是第二平衡温度；根据所获取的第一补偿电功率、第二补偿电功率、第一平衡温度及第二平衡温度计算等效电功率。
优选地，等效电功率的具体表达式如公式3所示：
公式3：P＝PE-POE-S(TE-TO)
其中，PE是第二补偿电功率，POE是第一补偿电功率，TE是第二平衡温度，TO是第一平衡温度，S是黑体腔的灵敏度。
优选地，所述黑体腔的灵敏度表征电功率与腔温的响应关系。
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)是黑体腔的腔温，C是黑体腔的热容，R是黑体腔与热沉之间的热阻，P是输入功率。
优选地，所述实验手段包括步骤：在开快门时，将补偿电功率减去不等效功率，再经过维持时间后恢复到补偿电功率，记录温度脉冲大小；在关快门时，将电定标功率加上不等效功率，在经过维持时间后恢复到电定标功率，记录温度脉冲大小。
优选地，进行多次所述实验手段，进而获得多个不等效功率和相应的维持时间下的温度脉冲。
优选地，根据所述多个不等效功率、相应的维持时间和温度脉冲，以不等效功率为x轴，以维持时间为y轴，构建等高线图。
优选地，将温度脉冲最小的不等效功率和相应的维持时间相乘，获取不等效能量。
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能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法通过腔温响应模型分析出开快门和关快门时刻产生腔温波动的原因，进而提出不等效能量的概念，再采用不等效能量维持黑体腔的热平衡状态，补偿开快门和关快门时刻产生的温度波动，进而缩短黑体腔恢复平衡的时间，从而有效地缩短了测量周期。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于能量修正的太阳辐射计的测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种不等效能量等高线示意图；
图3为本发明实施例中提供的测量方法的示意图；
图4为本发明实施例中提供的测量过程和传统的SIAR的测量过程的比较示意图。
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。
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，C是黑体腔的热容，R是黑体腔与热沉之间的热阻，P为输入功率。
在开快门和关快门阶段，黑体腔上加上光功率，同时撤掉与光功率等量的电功率，理论上，腔温应当保持不变，黑体腔的热平衡不应被破坏。实际情况中，由于光电不等效的原因，黑体腔对光功率和电功率具有不同的响应速度，导致开关快门后短期内的输入总功率产生变化(即功率变化△P)。
分析公式2可知：在短时间内，不同的功率(P)对应不同的温升(T(t))，因此，开快门和关快门时刻，腔温会发生波动。经过一段时间后，黑体腔又会恢复至平衡状态。在产生腔温波动的这段时间内，黑体腔上输入了额外的不等效能量(△W)，不等效能量△W的具体表达式如下所示：
△W＝△P×T
其中，△P为在开关快门后，短期内的输入总功率的变化，简称△P为不等效功率；T是黑体腔恢复至平衡状态所经历的时间长度，简称T为维持时间。
如果能够确认该不等效能量△W，并在开快门和关快门时刻补偿给黑体腔，则可以维持黑体腔的热平衡状态，进而可以减小需要恢复热平衡状态的时间，从而有效地缩短了测量周期。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种基于能量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五个步骤，具体流程如下所述。
步骤S1：采用实验手段，获取太阳绝对辐射计在开快门和关快门时刻的不等效能量。在该实施例中，在辐射功率测量的过程中，设置多个不等效功率(△P)和相应的维持时间(T)，所述实验手段具体包括步骤：
(a)在开快门时，将补偿电功率减去不等效功率(△P)，再经过维持时间(T)后恢复到补偿电功率，记录温度脉冲大小；
(b)在关快门时，将电定标功率加上不等效功率(△P)，在经过维持时间(T)后恢复到电定标功率，记录温度脉冲大小。
进行多次上述实验手段，进而获得多个不等效功率(△P)和相应的维持时间(T)下的温度脉冲。
步骤S2：根据步骤S1中实验的结果，构建等高线图。具体地，根据步骤S1中多个不等效功率(△P)、相应的维持时间(T)和温度脉冲，以不等效功率为x轴，以维持时间为y轴，构建等高线图。如图2所示，在一具体的实验过程中，x轴为不同值的不等效功率，y轴为不等效功率对应的维持时间，坐标轴内的不同的等高线代表不同的温度，其中每条等高线的超调量是相同的。将温度脉冲最小的不等效功率△Pmin和相应的维持时间Tmin相乘，获取不等效能量，进而可以构成一条等高线。
步骤S3：辐射观测阶段，具体的测量过程。在辐射观测阶段：首先将电功率设置为POE-△Pmin，再开快门，经过Tmin后，电功率再次设置为POE，进而获得TO和POE；其中，POE是第一补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TO是第一平衡温度。
步骤S4：电定标阶段，具体的测量过程。在电定标阶段：首先将电功率设置为PE+△Pmin，再关快门，经过Tmin后，电功率再次设置为PE，进而获得TE和PE；其中，PE是第二补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TE是第二平衡温度。
步骤S5：计算等效电功率。具体地，根据所获取的第一补偿电功率POE、第二补偿电功率PE、第一平衡温度TO及第二平衡温度TE计算等效电功率。等效电功率的具体表达式如公式3所示：
P＝PE-POE-S(TE-TO) (公式3)
其中，PE是第二补偿电功率，POE是第一补偿电功率，TE是第二平衡温度，TO是第一平衡温度，S是黑体腔的灵敏度。黑体腔的灵敏度表征电功率与腔温的响应关系。
本发明实施例通过不等效能量维持黑体腔的热平衡状态，补偿开关快门时刻的温度波动，缩短了恢复热平衡的时间，进而缩短了测量周期。如图3所示，本发明实施例中提供的测量方法的示意图。在该图中，快算算法(即本发明实施例所提供的测量方法)具有很高的动态相应，无论在辐射观测阶段还是电定标阶段都能很快地恢复至平衡温度。
在一具体实施例中，将不等效功率设置1mW，同时将维持时间设置为4s，此时的不等效能量为4mJ，再比较本发明实施例所提供的测量过程和传统的SIAR的测量过程。具体的比较示意图如图4所示，相比于SIAR的测量过程，本发明实施例所提供的测量过程显著缩短了恢复平衡的时间。
本发明所提供的基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法根据腔温响应模型分析传统的SIAR在开快门和关快门时刻产生腔温波动的原因，提出不等效能量的概念，并通过补偿不等效能量以维持黑体腔的热平衡状态，补偿开快门和关快门时刻的温度波动，进而缩短了黑体腔恢复热平衡的时间，从而缩短了测量周期。
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 (8)

1.一种基于能量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：
采用实验手段，获取太阳绝对辐射计在开快门和关快门时刻的不等效能量；
根据所述实验的结果，构建等高线图；
在辐射观测阶段，首先将电功率设置为POE-△Pmin，再开快门，经过Tmin后，电功率再次设置为POE，进而获得TO和POE；其中，POE是第一补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TO是第一平衡温度；
在电定标阶段，首先将电功率设置为PE+△Pmin，再关快门，经过Tmin后，电功率再次设置为PE，进而获得TE和PE；其中，PE是第二补偿电功率，△Pmin是温度脉冲最小的不等效功率，Tmin是△Pmin所相应的维持时间，TE是第二平衡温度；
根据所获取的第一补偿电功率、第二补偿电功率、第一平衡温度及第二平衡温度计算等效电功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，等效电功率的具体表达式如公式3所示：
公式3：P＝PE-POE-S(TE-TO)
其中，PE是第二补偿电功率，POE是第一补偿电功率，TE是第二平衡温度，TO是第一平衡温度，S是黑体腔的灵敏度。
3.根据权利要求2所述的一种基于能量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表征电功率与腔温的响应关系。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量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)是黑体腔的腔温，C是黑体腔的热容，R是黑体腔与热沉之间的热阻，P是输入功率。
5.根据权利要求1所述的一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述实验手段包括步骤：
在开快门时，将补偿电功率减去不等效功率，再经过维持时间后恢复到补偿电功率，记录温度脉冲大小；
在关快门时，将电定标功率加上不等效功率，在经过维持时间后恢复到电定标功率，记录温度脉冲大小。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，进行多次所述实验手段，进而获得多个不等效功率和相应的维持时间下的温度脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，根据所述多个不等效功率、相应的维持时间和温度脉冲，以不等效功率为x轴，以维持时间为y轴，构建等高线图。
8.根据权利要求6所述的一种基于能量修正的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，将温度脉冲最小的不等效功率和相应的维持时间相乘，获取不等效能量。
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