CN108731802B - 一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置及方法，所述装置包括传感器、小遮板、底遮板和支架；所述传感器固定在底遮板的中央位置，传感器的顶端中心为感光元件，尾部通过线缆与测试采集模块相连；所述小遮板为中心镂空的圆环形，内径与传感器的外径相近，外径与乒乓球相仿，小遮板的中心镂空与传感器的探头顶端平齐；所述底遮板位于支架之上，与地面平行；所述小遮板和底遮板的表面均为吸光零反射材料；所述支架位于下方，用于给整个装置提供支撑。本发明简化了系统构成，既不需要较大的遮光环，也不需要虽然小巧但价格高昂的太阳追踪遮光球，解决了环日散射的影响，可快速估算，并提高了测试准确性，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置及方法。
背景技术
对于绿色植物而言，太阳光是重要的能量来源，且相对于直射辐射，散射辐射的作用时间更长，研究表明散射辐射的比例增加对植物生长具有促进作用。为了进一步量化散射辐射对于农业生产及植物生长的积极作用，有必要知道当时当地的散射辐射值。
散射辐射的组成包括三个部分：各向同性的天空散射、太阳周围很窄的环日散射和地面反射回大气的部分辐射。其中各向同性的天空散射比例最大；环日散射随时间变化明显，午间前后达到最大值；地面反射回的辐射部分所占比例最小，通常可忽略。当天气晴朗，大气中的水蒸气、气溶胶等较少时，环日散射所占比例很小，此时散射辐射可认为是各向同性的；当天气多云，直接辐射被云层遮蔽，此时散射辐射也可认为是各向同性的；当天气条件居于二者之间时，环日散射不可忽略。
现有太阳辐射测试所用的传感器均为光敏感元件，通过计量投射到该敏感元件上的光子数，即入射辐射强度，转变成与之成正比的电压信号，通过测量该电压信号得到该点的辐射值。通过遮蔽直接辐射及其附近狭窄的环日散射辐射部分，获得的即为散射辐射值。散射辐射的特点是各向同性，即散射辐射是均匀分布的。
现在的散射辐射测试方法主要有两种：(1)遮光环法，即在确定监测位置的前提下，利用一环状物，从日出到日落全程遮蔽太阳直接辐射和周围的环日散射辐射，由于将太阳轨迹上的一部分天空散射辐射也遮住了，所以实测值比真实值要小，必须进行系数修正；(2)全自动太阳跟踪法，利用一小球遮蔽直接辐射和周围的环日散射辐射，测得散射辐射，由于遮蔽面积较小，所以较接近真实值；小球随太阳轨迹变化而变化，通过底部的机械机构和相应的精密控制系统实现太阳跟踪。
上述两种方法存在的问题在于：方法(1)中环形遮蔽物的角度与测量点所在的纬度相关，需进行相应调整；方法(2)中太阳跟踪仪的费用较高，不易推广。
罗瑞龙和王书茂在《中国农业大学学报》2013年第18卷第5期第37-43页发表的论文“晴空条件下光合有效辐射中散射辐射的测量模型”中提出了一种新的测试方法，该方法共建立了两个模型，模型1为单一参数模型，采用三次函数时，拟合精度最高为0.778；模型2为多参数模型，除局部散射辐射值外，还包括北向图像参数和天气条件参数，相对于模型1，当参与模型的参数个数达到3个时，拟合精度提高到0.93以上。该文献所述方法的问题在于：单一参数模型误差仍较大，特别是晴空条件下，产生误差的主要原因是环日散射的影响，虽然传感器探头指向北方，但仍有部分环日散射未被遮蔽；模型2的参数过多，且需要在测量同时拍摄北面天空的图像，并完成一系列后处理。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置及方法，该技术是在前期研究的理论和试验基础上提出的方法改进，进一步简化了系统构成，既不需要较大的遮光环，也不需要虽然小巧但价格高昂的太阳追踪遮光球，解决了环日散射的影响，可快速估算，并提高了测试准确性，易于推广。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，包括传感器、小遮板、底遮板和支架；所述传感器固定在底遮板的中央位置，传感器的顶端中心为感光元件，尾部通过线缆与测试采集模块相连；所述小遮板为中心镂空的圆环形，内径与传感器的外径相近，外径与乒乓球相仿，小遮板的中心镂空与传感器的探头顶端平齐；所述底遮板位于支架之上，与地面平行；所述小遮板和底遮板的表面均为吸光零反射材料；所述支架位于下方，用于给整个装置提供支撑。
优选地，所述底遮板的形状包括圆形，当其面积足够大时，形状对测试结果无影响。
优选地，所述传感器和底遮板的固定方式包括胶粘、采用缠绕黑胶布，要求不影响测试。
优选地，所述小遮板的中心镂空与传感器的探头顶端采用胶粘，其外径大小根据多次测试后的结果确定。
优选地，所述传感器与小遮板之间以及小遮板与底遮板之间的接缝处不能漏光，用于防止影响测试数据。
优选地，所述小遮板和底遮板表面的吸光零反射材料包括黑色天鹅绒。
一种应用所述用于地表太阳散射辐射快速估算的装置进行地表太阳散射辐射快速估算的方法，地表附近太阳散射辐射包括各向同性的天空散射辐射、环日辐射和来自地面的反射辐射，表达式如下：R＝Rs+Rr+Rf，其中，R为地表附近太阳散射辐射；Rs为各向同性的天空散射辐射，为待测参数；Rr为环日辐射，为主要干扰量；Rf为来自地面的反射辐射，为次要干扰量；将传感器朝向一定的方向放置，使得太阳直接辐射不能照射到传感器探头上；利用小遮板将环日辐射遮蔽，即Rr＝0；利用底遮板遮蔽来自地面的反射辐射，即Rf＝0；此时，在以底遮板为底面的半个天球S内，只剩下各向同性的天空散射辐射Rs；利用该装置测得的散射辐射值为RN，其所获得的光子仅为该测点全部光子的一半，即RN＝Rs/2，将测得的散射辐射值RN乘以2即为总散射辐射值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)简化了系统构成，既不需要较大的遮光环，也不需要虽然小巧但价格昂贵的太阳追踪遮光球。
(2)解决了环日散射的影响，并可以进行快速估算。
(3)提高了测试准确性，便于推广和应用。
(4)结构简单，使用方便，经济效益明显。
附图说明
图1是本发明所提供的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置的结构组成示意图。
图2是地表散射辐射的组成示意图。
附图标记说明：1、传感器；2、小遮板；3、底遮板；4、支架。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，包括传感器1、小遮板2、底遮板3和支架4；所述传感器1固定在底遮板3的中央位置，传感器1的顶端中心为感光元件，尾部通过线缆与测试采集模块相连；所述小遮板2为中心镂空的圆环形，内径与传感器1的外径相近，外径与乒乓球相仿，小遮板2的中心镂空与传感器1的探头顶端平齐；所述底遮板3位于支架4之上，与地面平行；所述小遮板2和底遮板3的表面均为吸光零反射材料；所述支架4位于下方，用于给整个装置提供支撑。
具体地，所述底遮板3的形状包括圆形，当其面积足够大时，形状对测试结果无影响。
具体地，所述传感器1和底遮板3的固定方式包括胶粘、采用缠绕黑胶布，要求不影响测试。
具体地，所述小遮板2的中心镂空与传感器1的探头顶端采用胶粘，其外径大小根据多次测试后的结果确定。
具体地，所述传感器1与小遮板2之间以及小遮板2与底遮板3之间的接缝处不能漏光，用于防止影响测试数据。
具体地，所述小遮板2和底遮板3表面的吸光零反射材料包括黑色天鹅绒。
本发明还公开了一种应用所述用于地表太阳散射辐射快速估算的装置进行地表太阳散射辐射快速估算的方法，包括如下过程：地表附近太阳散射辐射包括各向同性的天空散射辐射、环日辐射和来自地面的反射辐射，其组成示意图如图2所示，表达式如下：R＝Rs+Rr+Rf，其中，R为地表附近太阳散射辐射；Rs为各向同性的天空散射辐射，为待测参数；Rr为环日辐射，为主要干扰量；Rf为来自地面的反射辐射，为次要干扰量；将传感器1朝向一定的方向放置，使得太阳直接辐射不能照射到传感器探头上；利用小遮板2将环日辐射遮蔽，即Rr＝0；利用底遮板3遮蔽来自地面的反射辐射，即Rf＝0；此时，在以底遮板3为底面的半个天球S内，只剩下各向同性的天空散射辐射Rs；利用该装置测得的散射辐射值为RN，其所获得的光子仅为该测点全部光子的一半，即RN＝Rs/2，将测得的散射辐射值RN乘以2即为总散射辐射值。
实施例
这里将测试点设在北半球，传感器1为常规太阳辐射传感器，水平放置，且探头朝向北方；底遮板3直径为400毫米，上表面为黑色天鹅绒；小遮板2外径为40毫米，内径与传感器1的外径相等，并紧贴在传感器1的头部，与传感器1的探头顶端平齐；小遮板2的表面为黑色天鹅绒；将传感器1的信号输出线与测试仪器相连，直接读取测试值后转换单位，如电压值转换为辐射值，将该值乘以二，即为真实散射辐射值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，包括传感器(1)、小遮板(2)、底遮板(3)和支架(4)，其特征在于：所述传感器(1)固定在底遮板(3)的中央位置，传感器(1)的顶端中心为感光元件，尾部通过线缆与测试采集模块相连；所述小遮板(2)为中心镂空的圆环形，内径与传感器(1)的外径相近，外径与乒乓球相仿，小遮板(2)的中心镂空与传感器(1)的探头顶端平齐，将传感器(1)朝向一定的方向放置，使得太阳直接辐射不能照射到传感器探头上；利用小遮板(2)将环日辐射遮蔽；所述底遮板(3)位于支架(4)之上，与地面平行；所述小遮板(2)和底遮板(3)的表面均为吸光零反射材料；所述支架(4)位于下方，用于给整个装置提供支撑。
2.根据权利要求1所述的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，其特征在于：所述底遮板(3)的形状包括圆形，当其面积足够大时，形状对测试结果无影响。
3.根据权利要求1所述的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，其特征在于：所述传感器(1)和底遮板(3)的固定方式包括胶粘、采用缠绕黑胶布，要求不影响测试。
4.根据权利要求1所述的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，其特征在于：所述小遮板(2)的中心镂空与传感器(1)的探头顶端采用胶粘，其外径大小根据多次测试后的结果确定。
5.根据权利要求1所述的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，其特征在于：所述传感器(1)与小遮板(2)之间以及小遮板(2)与底遮板(3)之间的接缝处不能漏光，用于防止影响测试数据。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种用于地表太阳散射辐射快速估算的装置，其特征在于：所述小遮板(2)和底遮板(3)表面的吸光零反射材料包括黑色天鹅绒。
7.一种应用权利要求1至6中任一项所述的用于地表太阳散射辐射快速估算的装置进行地表太阳散射辐射快速估算的方法，其特征在于：地表附近太阳散射辐射包括各向同性的天空散射辐射、环日辐射和来自地面的反射辐射，表达式如下：R＝Rs+Rr+Rf，其中，R为地表附近太阳散射辐射；Rs为各向同性的天空散射辐射，为待测参数；Rr为环日辐射，为主要干扰量；Rf为来自地面的反射辐射，为次要干扰量；将传感器(1)朝向一定的方向放置，使得太阳直接辐射不能照射到传感器探头上；利用小遮板(2)将环日辐射遮蔽，即Rr＝0；利用底遮板(3)遮蔽来自地面的反射辐射，即Rf＝0；此时，在以底遮板(3)为底面的半个天球S内，只剩下各向同性的天空散射辐射Rs；利用该装置测得的散射辐射值为RN，其所获得的光子仅为该测点全部光子的一半，即RN＝Rs/2，将测得的散射辐射值RN乘以2即为总散射辐射值。
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