CN108982370A - 一种应用于大气观测移动平台的太阳直射辐射测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以用于大气移动观测平台的太阳直射辐射测量系统，包括安装底座、三轴自稳平台，三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；俯仰转轴固定连接单/多/高光谱辐照度辐射计、摄像头和姿态传感器，单/多/高光谱辐照度辐射计和摄像头相邻平行设置并固定连接构成视场相同的观测组；三轴自稳平台上还设有GPS天线和电子指南针；安装底座内设置电路板和电源，电路板用于控制三个转轴的运动以及接收、存储和处理数据；电源用于向三轴自稳平台上的所有传感器、GPS天线、电子指南针及电路板供电。本发明的测量系统能有效的实现车载、船载、机载的动态实时走航式自动测量，为大气测量提供了一种新的自动化测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种能反演大气成分参数的单波长/多/高光谱太阳直射辐射测量设备及方法。
背景技术
随着现代化发展，人类活动造成的化石燃料燃烧、工业排放、土地类型改变使全球大气产生了巨大变化。科学家和各国政府对大气环境日益关注，尤其是大气中的各种组成成分，不仅影响区域的空气质量，而且对气候变化产生不可估量的影响[2015，张兴赢]。获得长期稳定的大气成分数据对监测大气环境、预测环境变化至关重要。当前大气研究主要是对气溶胶、水汽、臭氧、CO2、SO2、NO等组成成分的观测，通过研究各组成成分观测数据来分析气候、环境的变化。目前，对大气组分的观测手段主要有卫星和地基两种，虽然卫星遥感具有大时空范围覆盖的优点，但是与地基遥感观测相比，现有卫星遥感反演的大气参数还较少、精度偏低[2017年，李正强]。为了分析和研究大气组分来源、时空变化及其与气候变化的相互影响，发展地基观测设备是行业趋势。利用地基测量单波长/多/高光谱太阳直射辐射可以反演气溶胶、水汽、臭氧、CO2、SO2、NO等多种参数。在此以大气气溶胶为例展开讨论。
大气气溶胶是指悬浮在地球大气中沉降速度小、尺度范围为10-3～20μm大小的液态或固态粒子。随着对环境污染问题研究的深入，人们已经认识到大气气溶胶自身的污染特性与其物理化学性质和在大气中的非均相化学反映有着密切的关系[2000，王明星]。气溶胶在气候系统中起着非常重要的作用，通过散射与吸收太阳短波和地球长波辐射对气候产生直接影响。2001年气候变化委员会明确指出气候变化存在两个因素：内部因素是气候系统本身，而外部因素为辐射强迫。正的辐射强迫是由于温室气体的增加导致地球表面升温，而负的辐射强迫则是由于各种气溶胶的增多造成地-气系统辐射能量损失，导致地表降温[2004，J T.Climat]。气溶胶粒子对气候的负辐射强迫影响可分为直接影响和间接影响。直接影响是指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地球长波辐射，从而影响地-气辐射收支。间接影响是指气溶胶以云凝结核的形式改变云的光学特性和云的分布而间接影响气候。这一连串的影响导致气溶胶定量研究极为复杂,是研究气溶胶对气候影响的一个重要的也是极为困难的课题。定量研究气溶胶辐射气候效应需要系统的气溶胶辐射特性观测资料。目前观测精度最高、观测手段最多、也是气溶胶气候效应中最为重要的光学特性是气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT)，AOT描述了气溶胶对光的衰减作用，是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分。
大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。世界气象组织的全球大气观测网(WMO-GAW)将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。WMO-GAW推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法，也就是测量太阳入射辐射光谱进行推导计算的方法。
大气气溶胶对环境与气候的影响研究在很大程度上依赖于对其时空分布状况的了解和对其光学特性的准确估计。其中大气气溶胶的光学厚度是表征大气气溶胶状况的一个重要物理量,是评价大气环境污染、研究气溶胶辐射气候效应的一个关键因子[2002,罗云峰]。太阳光度计是目前探测大气气溶胶的一个常用且有效的监测仪器，利用它不仅能够研究气溶胶的光学特性、进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验，而且可以获取实时、长期的观测数据。
据此，美国NASA发起、且通过国际间合作在全球陆续安装了180多个CE318A型自动跟踪扫描太阳光度计，形成AERONET网。AERONET网的主要目的就是实时监测大气气溶胶的光学特性和大气柱可降水量，为卫星遥感提供校验数据，同时也为进一步评估气候中气溶胶的强迫效应提供必要的基础信息[1998，Holben B N]。CE318型太阳光度计是法国CIMEL公司制造的一种自动跟踪扫描的太阳光度计。该仪器在可见近红外波段有8个光谱通道，它可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE318能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过卫星DCP平台远程传输数据，实现无人管理自动测量、采集和远程数据传输。CE318测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气透过率，反演气溶胶光学和其它特性，如粒度谱、相函数等。CE318太阳光度计不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器，也可在遥感卫星传感器辐射定标时进行大气光学参数的测量。
美国SolarLight公司生产的MicrotopsⅡ型太阳光度计是全世界众多研究者使用的手持式光度计之一，MicrotopsⅡ是一款5通道手持式太阳光度计，用户可以根据不同的观测目的，在购买时选择通道的中心波长(如针对臭氧观测和水汽观测，选择300、305.5、312.5、940、1020nm)，每一个通道均备有窄波段滤光片，都具有2.5°的视场角。通过选择不同中心波长，可以用来获得AOT、直接太阳辐照度、臭氧及水汽总量。
针对以上两种市场上的主流产品。我们发现CE318型太阳光度计只能进行固定点测量，在需要测量不同地点的数据时，只能对原有设备进行拆卸，然后重新组装到目标地点进行测量观测，这无疑是使测量效率大大降低；并且设备受到场地及日常维护的影响比较大，测量点的设备购置费用、场地维护费和人员费等花费较大，需要很高的成本来维持观测站；最重要的一点是当人们利用太阳光度计进行观测时，如果发现了天空中有云等干扰因素影响观测，可以停止探测，直至大气条件适合时再进行。但CE318是一种自动跟踪扫描的太阳光度计，在无法识别大气条件的状况下连续观测，人工筛选数据需要耗费大量的时间和精力。而MicrotopsⅡ型太阳光度计是手持型测量仪器，人为测量误差对测量结果的影响很大；测量前必须对仪器进行时间、经纬度、气压等一些参数的设定，误差类型比较多，对测量结果影响比较大；测量过程中数据的备份保存也存在问题，如果设备死机或者其他意外情况发生，数据没有有效的备份保存的防范措施；这两类产品由于波段设置等原因，当前只能观测大气气溶胶参数或者臭氧和水汽，还不能观测大气中的CO2、SO2、NO等成分，然而这些气体成分也是研究大气的重要参数。而且现有太阳光度计测量技术还没有实现动态走航实时测量，都是基于定点原位静态观测的实时测量。发展动态走航观测能有效弥补固定观测空间代表性的不足。因此，有必要提供一种可走航式动态观测单波长/多/高光谱太阳直接辐射测量设备。
发明内容
现有技术中测量太阳直接辐射还没有单波长/多/高光谱走航式的动态观测，在这种前提下，本发明的目的是：为了在测量方法上进行革新，提出了适用于单波长/多/高光谱可选的全波段走航式动态观测太阳直接辐射的测量系统。该系统能走航式动态测量实时的太阳直接辐射数据，更好的测量气溶胶溶度、臭氧、水汽柱、CO2、SO2、NO等大气成分。该系统的提出对于实现大气动态监测的实时测量具有显著的意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种可以用于移动平台的单波长/多/高光谱太阳直射辐射测量系统，它包括一安装底座，所述安装底座上固定连接一个三轴自稳平台，所述的三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和3个旋转电机，所述的3个旋转电机的转轴相互正交连接，依次为航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；所述的陀螺仪传感器用于测量自稳平台的角速度、感应动作变量，进而控制3个旋转电机进行修复动作；所述的俯仰转轴固定连接一个单波长/多/高光谱辐照度辐射计、一个摄像头和姿态传感器，所述的单波长/多/高光谱辐照度辐射计和摄像头相邻平行设置并固定连接，构成视场相同的一个观测组；所述的三轴自稳平台上还设有一个GPS天线和一个电子指南针；所述的安装底座内设置电路板和电源，所述的电路板设置控制电路、数据接收和存储模块和数据处理模块；所述的控制电路用于控制所述三个转轴的运动，所述的数据接收和存储模块用于接收和存储所述辐照度辐射计采集的光学数据、所述摄像头采集的图像、所述姿态传感器采集的姿态数据、所述GPS天线和电子指南针确定的位置数据，所述的数据处理模块用于根据所述位置数据计算太阳方位角并向所述的控制电路传输调控数据、根据预设程序处理所述光学数据及图像并向外输出；所述的电源用于向三轴自稳平台上的所有传感器、GPS天线、电子指南针及所述电路板供电。
本发明的一种实施方式中，所述的三轴自稳平台整体呈“包围式”，即所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向轴与横滚轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚轴与俯仰轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第一组和第二组长连接臂中至少有一组由对称的一对连接臂构成；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交围成内部空间，所述的观测仪器设置在所述内部空间里。
本发明的另一种实施方式中，所述的三轴自稳平台整体呈“半包围式”，即所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向轴与横滚轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚轴与俯仰轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第一组和第二组长连接臂均为单侧的一根连接臂；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交，半包围地形成内部空间，所述的观测仪器设置在所述内部空间里。
本发明的再一种实施方式中，所述的三轴自稳平台整体呈“集中式”，即所述的三个转轴相对紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，所述的观测仪器设置在所述俯仰转轴向外围延伸的部分。
本发明优选的一种实施方式中，所述的辐照度辐射计包括一个壳体，壳体两端设有端盖一和端盖二，端盖一和端盖二之间形成内仓；内仓设有电路板和分光器；端盖一由盖体一和压板一构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一和压板一，压板一的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器，通孔最外段形状与余弦矫正器形状相配合，由压板一将余弦矫正器的周围压紧，但余弦矫正器的中间凸起部分突出压板一外；余弦矫正器内侧抵接一个压紧螺套，压紧螺套内部装有窗口玻璃；分光器通过光纤连接窗口玻璃；盖体一的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板一方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板一之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与余弦矫正器外表面紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在余弦矫正器外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二的通孔上设置连接器用于对外连接供电设备，连接器在壳体内通过导线与电路板一电连接，电路板一包括分光器驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器通过导线连接电路板一的分光器驱动单元，旋转电机通过导线与电路板一的旋转电机驱动单元电连接。
使用本发明所述的测量系统测量太阳直接辐射的过程具体包括：
1)将所述的观测系统安装在任意开阔的测量位置；
2)开启观测系统，数据接收和存储模块连续接收电子指南针获取的实时朝向与地磁的夹角收据a、GPS天线获取的实时定位数据b和姿态传感器获取的三轴自稳平台姿态数据c；数据处理模块根据连续的数据a、b及对应的时间连续地计算出太阳方位角和太阳高度角，同时根据连续的数据c计算出调整参数，通过控制电路实时调整三轴自稳平台，使辐照度辐射计的朝向始终精确地朝向太阳；
3)据预设方案启动观测流程，三轴自稳平台不断根据陀螺仪传感器调整所述转轴使辐照度辐射计始终精确对准太阳方向；观测组连续采集太阳辐射数据和图像，姿态传感器获取连续的观测组姿态数据；将所得的连续的太阳辐射数据经过姿态过滤、图像过滤、波形过滤后，按照常规方法计算气溶胶光学厚度、大气中气体浓度等光学参数。
与现有的太阳光度计相比，本发明的观测系统不仅能够用于短期固定位置的太阳辐射测量，更重要的是可以用于长期的、无人值守的、或者是在移动平台上的太阳辐射测量。本发明的观测系统能够实现观测方向的智能化调整，在姿态传感器、电子指南针、GPS天线等多传感器配合的数据采集基础上，根据底座内电路板数据处理模块的综合处理结果向三轴自稳平台的控制电路发出调控指令，能够实现无人为干预地、连续地、精确地控制传感器所需的测量角度，从而可以实现全程自动调整观测几何，突破了现有技术中认为调整和固定观测的局限性，也不会因人为调整观测几何而产生观测误差。相对现有被动气溶胶光学厚度测量仪器，本发明的观测系统能被搭载在可移动平台上进行一系列自动测量，与传统固定观测和手持观测所测量的数据精度一致；本发明的观测系统可进行不同地点跨区域实时连续测量，这是传统被动气溶胶光学厚度测量所不具备的功能，这种测量方式大大增加了测量数据的可靠性和科学性；本发明的观测系统可随着平台的运动自动调整探头方向对准太阳，确保数据的测量精度，传统被动气溶胶光学厚度测量均不能采用该测量方式。相对于现有的主动的激光雷达气溶胶光学厚度测量仪器：本发明的观测系统成本大大低于前者，所测数据质量近似；本发明的系统耗能很低，现有的主动式测量仪器耗能很大；本发明的系统续航能力远远强于现有的主动测量设备。
本发明的观测系统的观测组由相同视场的辐照度辐射计与摄像头组成，因此在观测中，摄像头可以实时记录所测视野中是否存在非观测目标的干扰，结果可以用于在获取的连续观测数据中辨别异常数据，进而剔除异常数据，以此可以有效保证实测数据的准确度。
本发明的观测系统可以广泛应用于各种移动或固定观测场景，例如固定的建筑物顶部、移动的交通工具顶部等等。
附图说明
图1是实施例1所述的观测系统的整体结构示意图。
图2是实施例1所述的观测系统的控制电路与观测设备连接关系图。
图3是实施例1所述的观测系统的辐照度辐射计结构剖视图。
图4-图8是实施例1所述的观测系统在不同应用场景使用的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
一种可以用于移动平台的太阳直射辐射测量系统，如图1所示，包括一安装底座0，安装底座0上固定连接三轴自稳平台1，三轴自稳平台1包括陀螺仪传感器(未示出)和转轴相互正交连接的航向转轴11、横滚转轴12和俯仰转轴13；陀螺仪传感器用于测量自稳平台的角速度、感应动作变量，进而控制3个旋转电机进行修复动作；航向轴11与横滚轴12之间通过单侧的一根第一长连接臂101连接，横滚轴12与俯仰轴13之间通过单侧的一根第二长连接臂102连接，第一长连接臂101和第二长连接臂102相互正交，半包围地形成内部空间；俯仰转轴13在内部空间固定连接一个设备舱14，设备舱14外部一端安装辐照度辐射计15和摄像头16，设备舱14内部设有姿态传感器，辐照度辐射计15和摄像头16相邻平行设置并固定连接，构成视场相同的一个观测组；三轴自稳平台1上还设有GPS天线和电子指南针(未示出)。
如图2所示，安装底座0内设置电路板21和电源22；电路板21设置控制电路211、数据接收和存储模块212和数据处理模块213；设备舱14内设置数据传输模块141、图像传输模块142、方向计算模块143；控制电路211用于控制三个转轴的运动，数据接收和存储模块212用于接收和存储来自数据传输模块141、图像传输模块142以及方向计算模块143的数据，数据传输模块141与辐照度辐射计15和姿态传感器分别连接，图像传输模块142与摄像头16连接，方向计算模块143与GPS天线17和电子指南针18连接，数据处理模块213用于根据方向计算模块143所获位置数据计算太阳方位角并向控制电路211传输调控数据，数据处理模块213还根据预设程序处理光学数据及图像并向外输出；电源22用于向三轴自稳平台上的所有传感器、GPS天线、电子指南针及所述电路板供电。
如图3所示，辐照度辐射计15包括一个壳体30，壳体30两端设有端盖一31和端盖二32，端盖一31和端盖二32之间形成内仓33；内仓33设有电路板一331和分光器332；端盖一31由盖体一311和压板一312构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一311和压板一312，压板一312的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器34，通孔最外段形状与余弦矫正器34形状相配合，由压板一312将余弦矫正器34的周围压紧，但余弦矫正器34的中间凸起部分突出压板一外；余弦矫正器34内侧抵接一个压紧螺套35，压紧螺套35内部装有窗口玻璃36；分光器332通过光纤37连接窗口玻璃36；盖体一31的另一个通孔内设置旋转电机38，旋转电机38向压板一312方向延伸出转轴39，转轴39顶端突出在压板一312之外，转轴39顶端垂直固接刮擦条40；刮擦条40与余弦矫正器34外表面紧密接触，旋转电机38带动转轴39转动，进而带动刮擦条40在余弦矫正器34外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二32的通孔上设置连接器41用于对外连接供电设备，连接器41在壳体30内通过导线与电路板一331电连接，电路板一331包括分光器驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器332通过导线连接电路板一331的分光器驱动单元，旋转电机38通过导线与电路板一331的旋转电机驱动单元电连接。
使用本实施例所述的测量系统测量太阳直接辐射的过程具体包括：
1)如图4-8所示，将所述的观测系统稳定地安装在汽车、火车、船只、建筑物等顶部位置；
2)开启观测系统，数据接收和存储模块连续接收电子指南针获取的实时朝向与地磁的夹角收据a、GPS天线获取的实时定位数据b和姿态传感器获取的三轴自稳平台姿态数据c；数据处理模块根据连续的数据a、b及对应的时间连续地计算出太阳方位角和太阳高度角，同时根据连续的数据c计算出调整参数，通过控制电路实时调整三轴自稳平台，使辐照度辐射计的朝向始终精确地朝向太阳；
3)据预设方案启动观测流程，三轴自稳平台不断根据陀螺仪传感器调整所述转轴使辐照度辐射计始终精确对准太阳方向；观测组连续采集太阳辐射数据和图像，姿态传感器获取连续的观测组姿态数据；将所得的连续的太阳辐射数据经过姿态过滤、图像过滤、波形过滤后，按照常规方法计算气溶胶光学厚度、大气中气体浓度等光学参数。
Claims (5)
1.一种可以用于移动平台的太阳直射辐射测量系统，它包括一安装底座，所述安装底座上固定连接一个三轴自稳平台，所述的三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和3个旋转电机，所述的3个旋转电机的转轴相互正交连接，依次为航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；所述的陀螺仪传感器用于测量自稳平台的角速度、感应动作变量，进而控制3个旋转电机进行修复动作；所述的俯仰转轴固定连接一个辐照度辐射计、一个摄像头和姿态传感器，所述的辐照度辐射计和摄像头相邻平行设置并固定连接，构成视场相同的一个观测组；所述的三轴自稳平台上还设有一个GPS天线和一个电子指南针；所述的安装底座内设置电路板和电源，所述的电路板设置控制电路、数据接收和存储模块和数据处理模块；所述的控制电路用于控制所述三个转轴的运动，所述的数据接收和存储模块用于接收和存储所述辐照度辐射计采集的光学数据、所述摄像头采集的图像、所述姿态传感器采集的姿态数据、所述GPS天线和电子指南针确定的位置数据，所述的数据处理模块用于根据所述位置数据计算太阳方位角并向所述的控制电路传输调控数据、根据预设程序处理所述光学数据及图像并向外输出；所述的电源用于向三轴自稳平台上的所有传感器、GPS天线、电子指南针及所述电路板供电。
2.权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的三轴自稳平台整体呈“包围式”，即所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向轴与横滚轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚轴与俯仰轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第一组和第二组长连接臂中至少有一组由对称的一对连接臂构成；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交围成内部空间，所述的观测仪器设置在所述内部空间里。
3.权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的三轴自稳平台整体呈“半包围式”，即所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向轴与横滚轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚轴与俯仰轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第一组和第二组长连接臂均为单侧的一根连接臂；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交，半包围地形成内部空间，所述的观测仪器设置在所述内部空间里。
4.权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的三轴自稳平台整体呈“集中式”，即所述的三个转轴相对紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，所述的观测仪器设置在所述俯仰转轴向外围延伸的部分。
5.权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的辐照度辐射计包括一个壳体，壳体两端设有端盖一和端盖二，端盖一和端盖二之间形成内仓；内仓设有电路板和分光器；端盖一由盖体一和压板一构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一和压板一，压板一的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器，通孔最外段形状与余弦矫正器形状相配合，由压板一将余弦矫正器的周围压紧，但余弦矫正器的中间凸起部分突出压板一外；余弦矫正器内侧抵接一个压紧螺套，压紧螺套内部装有窗口玻璃；分光器通过光纤连接窗口玻璃；盖体一的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板一方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板一之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与余弦矫正器外表面紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在余弦矫正器外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二的通孔上设置连接器用于对外连接供电设备，连接器在壳体内通过导线与电路板一电连接，电路板一包括分光器驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器通过导线连接电路板一的分光器驱动单元，旋转电机通过导线与电路板一的旋转电机驱动单元电连接。
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