CN108896172B - 多谱段大气探测辐射计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多谱段大气探测辐射计，包括扫描机构、朗伯探测器、温控匀化器、极轴、支架及底座、数据采集装置；所述朗伯探测器通过所述极轴固定在所述支架上，所述扫描机构绕所述朗伯探测器旋转，使所述扫描机构的阴影带交替的遮蔽或暴露所述朗伯探测器；所述温控均化器与所述朗伯探测器连接，光照信号经所述温控匀化器后，进入所述朗伯探测器，所述朗伯探测器将所述光照信号转化为电信号，所述数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数。本发明的多谱段大气探测辐射计具有体积小、重量轻，应用范围广，能够对极端天气下粮食生产安全提出预警的效果。
Description
技术领域
本发明属于辐射测量技术领域，特别涉及一种新型农业多谱段大气探测辐射计。
背景技术
辐射计量观测仪器广泛应用于监测大气环境，服务于生态学。目前国内建立的农业观测网还不包括对气溶胶和臭氧的监测，更没有农业专用大气探测辐射计，本项目在此基础上首次开展农业多谱段大气探测辐射计的研制工作。辐射计主要由扫描机构、七通道朗伯探测器、步进驱动系统、数据采集装置及底座支架等部分组成。辐射计将用于测量2π空间立体角的入射辐通量，通过数据反演获得气溶胶和臭氧的光学特性，以此来指导农业生产。
国际上典型的同类观测设备有法国全自动太阳光度计CE318及MS系列光谱辐射计。CE318通过瞄准筒精密跟踪太阳获取辐射信号，但如果出现云遮挡或大气中沙尘含量较大的情况，光度计无法自动跟踪太阳，自主工作性差，不适用于长期观察；MS系列光谱辐射计则是采用圆顶玻璃加平面探测器的结构，具有高分辨率、宽光谱的优点；但它朗伯响应差，当太阳光大角度略入射时，响应急剧衰减，无法保证准确测量，因此也无法实现全天候监测。
因此，研制一款朗伯响应好、抗云遮挡的农业多谱段大气探测辐射计具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述现有技术中传统的大气探测辐射计云遮挡干扰及朗伯响应差的技术问题，本发明提供了一种新型农业多谱段大气探测辐射计。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，提供一种多谱段大气探测辐射计，包括扫描机构、朗伯探测器、温控匀化器、极轴、支架及底座、数据采集装置；
所述朗伯探测器通过所述极轴固定在所述支架上，所述扫描机构绕所述朗伯探测器旋转，使所述扫描机构的阴影带交替的遮蔽或暴露所述朗伯探测器；所述温控均化器与所述朗伯探测器连接，光照信号经所述温控匀化器后，进入所述朗伯探测器，所述朗伯探测器将所述光照信号转化为电信号，所述数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数。
一些实施例中，所述扫描机构包括阴影带、电机及纬度调整装置，所述阴影带与所述电机的转轴直接耦合，由所述电机转动带动所述阴影带绕所述朗伯探测器旋转，所述电机与所述纬度调整装置连接，通过所述纬度调整装置的相对滑动调整所述阴影带对所述朗伯探测器的遮挡长度。
一些实施例中，所述阴影带为圆弧形金属带条。
一些实施例中，所述阴影带以所述朗伯探测器为中心进行旋转，所述阴影带进行三种测量：所述阴影带位于天底测量以获得总水平辐射、所述阴影带遮挡太阳测量以获得漫射水平辐射、所述阴影带两次以太阳为中心左右对称测量以校正所述阴影带。
一些实施例中，所述朗伯探测器包括入光口、内腔体、外腔体、探测器模块、温控装置，所述探测器模块设置于所述内腔体内部，所述温控装置设置于所述内腔体和所述外腔体之间。
一些实施例中，所述朗伯探测器为七通道朗伯探测器，所述探测器模块包括6个干涉滤光片-光电二极管组件和1个宽波段组件，所述宽波段组件不带有干涉滤光片，涵盖350-1000nm波段，用于测量太阳总量；所述6个干涉滤光片-光电二极管组件呈六边形均布于所述内腔体底部，所述宽波段组件位于中心位置，7个组件均朝向所述入光口。
一些实施例中，所述温控匀化器包括熔融石英玻璃窗口、两个透射式匀光板及环壁
一些实施例中，所述数据采集装置包括微处理器及电缆线。
另一方面，本发明还提供一种采用多谱段辐射测量实现农业大气监测的方法，其特征在于，采用上述的多谱段大气探测辐射计进行测量，包括以下步骤：
选取气溶胶、臭氧敏感的谱段进行探测；
所述扫描机构绕所述朗伯探测器旋转，使所述扫描机构的阴影带通过三种测量模式交替的遮蔽或暴露所述朗伯探测器；
光照信号经所述温控匀化器后，进入所述朗伯探测器；
所述朗伯探测器将所述光照信号转化为电信号，所述数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数，最终获取太阳辐射信号。
一些实施例中，所述谱段为415nm、499nm、614nm、670nm、868nm、936nm。
本发明的有益效果是：本发明提供的便携式多谱段大气探测辐射计，攻克了传统辐射计云遮挡干扰和朗伯响应差的难关，且体积小、重量轻，应用范围广，能够对极端天气下粮食生产安全提出预警，对农业生产具有指导意义。
附图说明
图1为本发明多谱段大气探测辐射计的整体结构示意图；
图2为本发明扫描机构一个实施例的结构示意图；
图3为本发明七通道朗伯探测器结构示意图；
图4为本发明精密温控匀化器结构示意图。
其中：
扫描机构 1； 朗伯探测器 2；
温控均化器 3； 极轴 4；
支架及底座 5； 阴影带 1-1；
电机 1-2； 纬度调整装置 1-3；
内腔体 2-1； 外腔体 2-2；
探测器模块 2-3； 温控装置 2-4；
熔融石英窗口 3-1； 透射式匀光片 3-2；
环壁 3-3。
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。
图1示出了本发明多谱段大气探测辐射计的结构示意图。下面对其分别进行详细介绍。
请参考图1，本发明的多谱段大气探测辐射计包括：扫描机构、朗伯探测器、温控匀化器、极轴、支架及底座、数据采集装置(图中未示出)及电源(图中未示出)。
朗伯探测器通过极轴固定在支架上，扫描机构绕朗伯探测器旋转，使扫描机构的阴影带交替的遮蔽或暴露朗伯探测器；温控均化器与朗伯探测器连接，光照信号经温控匀化器后，进入朗伯探测器，朗伯探测器将光照信号转化为电信号，数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数。
请参阅图1至图4，本发明的一个实施例中：
扫描机构1为一维扫描机构，包括：阴影带1-1、电机1-2、纬度调整装置1-3。阴影带1-1为圆弧形金属带条，相当于黑体表面，发射率较高，能够极大降低光的反射影响。阴影带1-1与电机1-2转轴直接耦合，由电机转动带动阴影带绕七通道朗伯探测器旋转。电机为步进电机，步进电机通过电机箱体与纬度调整装置1-3接触，通过纬度调整装置1-3的相对滑动。
朗伯探测器2为七通道朗伯探测器，包括入光口、内腔体2-1、外腔体2-2、探测器模块2-3、温控装置2-4。其中，外腔体2-2适当加厚，起到隔热防水作用，保护内部电子设备。探测器模块2-3包括7个光电二极管-干涉滤光片组件(其中，1个宽波段组件没有滤光片)。探测器模块2-3包括6个干涉滤光片-光电二极管组件和1个宽波段组件。宽波段组件不带有干涉滤光片，涵盖350-1000nm波段，用于测量太阳总量。6个干涉滤光片-光电二极管组件呈六边形均布于内腔体底部，宽波段组件位于中心位置，7个组件均朝向入光口以保证能量利用率。朗伯探测器2整体封装采用隔热材料，并在内腔体2-1与外腔体2-2的间隙安装温控装置2-4，以控制极端环境下的温度平衡，使朗伯探测器2进行恒温观测，提高测试精度。且所有辐射分量用相同的光电检测器测量，消除了误差，减少了多个传感器间的相互标定,还可确保太阳的各种辐射测量与时间同步。
温控匀化器3包括熔融石英窗口3-1、两个透射式匀光片3-2、环壁3-3，环壁3-3为聚四氟乙烯环壁，该材料具备抗辐照衰减、抗污染、高反射、耐高低温环境的能力，能够保证朗伯探测器2长期稳定工作。由于本辐射计需长期在野外进行实地探测，温控匀化器3的熔融石英玻璃窗口3-1需保证密封性能，避免雨雪露水进入朗伯探测器2内部破坏电子设备；熔融石英玻璃窗口3-1及两个透射式匀光片3-2选取合适的透过率，透射式匀光片3-2具备较好的散射特性，且环壁喷涂有抗辐照衰减的反射朗伯材料，确保到达探测器模块的光均匀且辐射通量符合探测器的探测范围，避免光太强破坏探测器组件或光太弱探测不到的情况；三者构成高精度匀化腔体，确保探测器具有较好的朗伯特性。因此，高精度匀化器既可保证探测器模块光机结构工作的可靠性，使其具备良好的光学特性，实现多谱段精密辐射测量。
所述温控匀化器3设置在在朗伯探测器的入光口的入口处，对辐射测量结果起到至关重要的作用，其具体结构如图4所示。自然的不均匀的太阳光是非定向辐射，其辐射强度在空间上不是均匀分布的，这对辐射测量计算带来很大困难，为解决这一问题，需使自然光经过匀化器的透射式散射后变成比较标准的朗伯辐射光源，从而近似地遵从朗伯余弦定律I＝I0×cosθ。温控匀化器3采用平面透射式散射接收器、抗辐照朗伯散射内壁结构，用于将自然光源散射变成比较标准的朗伯辐射源，确保到达各探测器的光具有均匀一致性，排除因光源差异而造成的测量误差，通过控制单一变量(即波段，其他量全部一致)提高测量精度。因此，高精度匀化器的制备显得尤为重要，它主要由熔融石英玻璃窗口3-1、两个透射式匀光片3-2及环壁3-3组成，三者构成高精度匀化器，确保朗伯探测器2具备较好的朗伯特性。由于本辐射计需长期在野外进行实地探测，温控匀化器3窗口需保证良好的密封性能，避免雨雪露水进入探测器内部破坏电子设备；同时，温控匀化器3与探测器模块2-3共同处于内腔体中，二者对温度及其敏感，如前所述，需在内外腔体之间加装精密温控装置，确保朗伯探测器工作在恒温环境下，提高测量精度。因此，高精度温控匀化器3既可保证探测器模块光机结构工作的可靠性，又可使其具备良好的光学特性，实现多谱段精密辐射测量。
数据采集装置包括微处理器、电缆线。微处理器还用于控制扫描机构1的工作模式。
各结构具体的连接关系为：扫描机构1通过纬度调整装置1-3固定在支架及底座5上，七通道朗伯探测器通过极轴4固定在支架及底座5上，纬度调整装置1-3可控制电机1-2并带动阴影带1-1相对七通道朗伯探测器产生滑动，从而调整阴影带1-1对七通道朗伯探测器的遮挡长度，保证影带能够完全遮挡仪器的入光口。温控匀化器3设置在七通道朗伯探测器的入光口处，内腔体2-1与外腔体2-2之间的间隙作为电缆线以及温控装置2-4的通道。
该实施例中，多谱段大气探测辐射计的工作过程为：微处理器设定扫描机构1的工作模式，扫描机构1通过电机1-2带动阴影带1-1相对七通道朗伯探测器的入光口旋转。具体地，阴影带1-1以七通道朗伯探测器的入光口为中心进行旋转，实现三种测量模式：阴影带1-1位于天底测量、阴影带1-1遮挡太阳测量、两次以太阳为中心左右对称测量。第一种测量可以获得总水平辐射，第二中测量获得漫射水平辐射，第三种用于校正阴影带自身影响。从总水平辐射中减去漫射水平辐射即可获取直接水平辐射，除以太阳天顶角的余弦值得到直接辐射。
光照信号经温控匀化器3的熔融石英窗口3-1、两层透射式匀光片3-2，并经过环壁3-3的散射后均匀地射向探测器模块2-3，探测器模块2-3将光信号转换为电信号后，经电缆线采集至微处理器，经数据采集装置6的微处理器进行数据反演，从而获取相应的光学参数，最终获取太阳直接辐射信号。在测量时，多谱段大气探测辐射计选取415nm、499nm、614nm、670nm、868nm、936nm6个气溶胶和臭氧最敏感的谱段进行光谱分解测量，并由宽谱段组件监测太阳总量。本发明的装置可以实现太阳辐照度信号的长期稳定测量。在北半球，仪器的阴影带应与地理的北向一致(南半球向南)。
本发明多谱段大气探测辐射计的工作原理：首先，阴影带1-1位于天底进行无遮挡测量，探测器模块2-3获取总水平辐射；然后，根据太阳星历近似计算太阳位置对影带进行粗定位，之后根据探测器的反馈信号对影带进行精定位，利用微处理器控制阴影带1-1遮挡太阳测量，获得部分漫射水平辐射；最后，进行阴影带1-1的校正测量。此模式在距阴影带1-1遮挡太阳测量时的位置前后9°分别测量一次，用两次的辐射测量值的平均值来订正在测量漫射水平辐射时，阴影带1-1多遮蔽的那一部分天空的辐射信号。从总水平辐射中减去漫射水平辐射即可获取直接水平辐射，除以太阳天顶角的余弦值得到直接辐射。综合三种测量模式即可获取精确的漫射水平辐射和直接水平辐射。
本发明摒弃了传统太阳光度计直接跟踪太阳的测量方法，克服了云遮挡干扰的难题。扫描机构1利用阴影带1-1的旋转实现了无遮挡、遮挡太阳、遮挡天空三种测量模式间接获取太阳直接辐射信号。
探测器工作波段及应用见表1。滤光片中心波长分别为415nm、499nm、614nm、670nm、868nm、936nm，中心波长精度优于±1.5nm，半高宽10nm，用于测量大气气溶胶、臭氧及水汽情况。
表1
由熔融石英玻璃窗口3-1、两个透射式匀光片3-2及环壁3-3组成的高精度温控匀化器3确保了朗伯探测器2具备良好的光机特性。熔融石英玻璃窗口3-1的密封性能可避免雨雪露水进入朗伯探测器2内部破坏电子设备，透射式匀光片3-2具备较好的散射特性，环壁3-3喷涂抗辐照衰减的反射朗伯材料，使匀化器具备抗辐照衰减、抗污染、高反射、耐高低温环境的能力，进而保证探测器长期稳定工作。三者构成高精度匀化腔体，确保朗伯探测器2具有较好的朗伯特性。
仪器研制完成后，作为辐射计量设备需先进行辐射定标，定标完成后方可进行实地探测，获取数据后进行反演。
本发明的有益效果是：
1、采用多谱段辐射测量实现农业大气监测的新方法
该方法选取415nm、499nm、614nm、670nm、868nm、936nm 6个气溶胶、臭氧最敏感的谱段进行探测，宽谱段组件监测太阳总量；并采用自动化微处理器控制的阴影带交替地遮蔽或暴露仪器的入光口，利用三种测量模式间接获取太阳辐射信号，摒弃了传统的四象限探测器瞄准跟踪太阳或采用圆顶玻璃结构的方法，解决云遮挡或朗伯响应差的问题。
2、适用多谱段测量的高精度、精密温控匀化器
匀化器采用融石英窗口加两块匀光片及特殊的环壁组成，匀光片材料选用熔融石英玻璃，环壁喷涂聚四氟乙烯，构成高精度抗辐照衰减散射匀化腔体。由于仪器长期在野外实地探测，需对整机作精密温控设计，并在双腔间隙安装温控装置，保证机械结构和电子装置的可靠性，同时保证极端条件下的恒温观测，实现辐射计的高精度测量。
3、多量同测实现高精度测量
所有辐射分量用相同的光电检测器测量，用同一个探测器测量总辐射和散射辐射，消除了由于使用不同探测器测量不同量带来的误差，减少了多个传感器间的相互标定,还可确保太阳的各种辐射测量与时间同步。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多谱段大气探测辐射计，其特征在于，包括扫描机构、朗伯探测器、温控匀化器、极轴、支架及底座、数据采集装置；
所述朗伯探测器通过所述极轴固定在所述支架上，所述扫描机构绕所述朗伯探测器旋转，使所述扫描机构的阴影带交替的遮蔽或暴露所述朗伯探测器；所述温控匀化器与所述朗伯探测器连接，光照信号经所述温控匀化器后，进入所述朗伯探测器，所述朗伯探测器将所述光照信号转化为电信号，所述数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数；所述温控匀化器包括熔融石英玻璃窗口、两个透射式匀光板及环壁；
所述朗伯探测器为七通道朗伯探测器，包括入光口、内腔体、外腔体、探测器模块、温控装置，所述探测器模块设置于所述内腔体内部，所述温控装置设置于所述内腔体和所述外腔体之间；所述探测器模块包括6个干涉滤光片-光电二极管组件和1个宽波段组件，所述宽波段组件不带有干涉滤光片，涵盖350-1000nm波段，用于测量太阳总量；所述6个干涉滤光片-光电二极管组件呈六边形均布于所述内腔体底部，所述宽波段组件位于中心位置，7个组件均朝向所述入光口。
2.如权利要求1所述的多谱段大气探测辐射计，其特征在于，所述扫描机构包括阴影带、电机及纬度调整装置，所述阴影带与所述电机的转轴直接耦合，由所述电机转动带动所述阴影带绕所述朗伯探测器旋转，所述电机与所述纬度调整装置连接，通过所述纬度调整装置的相对滑动调整所述阴影带对所述朗伯探测器的遮挡长度。
3.如权利要求2所述的多谱段大气探测辐射计，其特征在于，所述阴影带为圆弧形金属带条。
4.如权利要求2所述的多谱段大气探测辐射计，其特征在于，所述阴影带以所述朗伯探测器为中心进行旋转，所述阴影带进行三种测量：所述阴影带位于天底测量以获得总水平辐射、所述阴影带遮挡太阳测量以获得漫射水平辐射、所述阴影带两次以太阳为中心左右对称测量以校正所述阴影带。
5.如权利要求1所述的多谱段大气探测辐射计，其特征在于，所述多谱段大气探测辐射计还包括电源；所述数据采集装置包括微处理器及电缆线。
6.一种采用多谱段辐射测量实现农业大气监测的方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的多谱段大气探测辐射计进行测量，包括以下步骤：
选取气溶胶、臭氧敏感的谱段进行探测；
所述扫描机构绕所述朗伯探测器旋转，使所述扫描机构的阴影带通过三种测量模式交替的遮蔽或暴露所述朗伯探测器；
光照信号经所述温控匀化器后，进入所述朗伯探测器；
所述朗伯探测器将所述光照信号转化为电信号，所述数据采集装置采集所述电信号，经数据处理后得到光学参数，最终获取太阳辐射信号。
7.如权利要求6所述的采用多谱段辐射测量实现农业大气监测的方法，其特征在于，所述谱段为415nm、499nm、614nm、670nm、868nm、936nm。
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