CN113532639B - 太阳辐射能量测量设备及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太阳辐射能量测量设备及测量方法，其中该太阳辐射能量测量设备包括：能量探测机构和能量处理装置；所述能量探测机构按照太阳光入射方向依次包括：滤光片、光阑和探测器；所述滤光片和所述光阑位于镜头内部；所述能量处理装置与所述探测器相连，用于获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；根据该辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。本方案，能够快速准确的计算出该衰减强烈的波段范围内的太阳辐射能量。

Description

太阳辐射能量测量设备及测量方法
技术领域
本发明实施例涉及能量测量技术领域，特别涉及一种太阳辐射能量测量设备及测量方法。
背景技术
太阳辐射是地球最主要的外部辐射源，为地球源源不断的提供了其所需的大部分能量。太阳直接辐射为平行光辐射，在理想状况下，太阳辐射能量不会随传输距离发生变换。但是，太阳辐射到达地球表面的过程中，由于地球大气中各种气体成分的吸收和散射影响，太阳辐射到达地球表面时其能量会降低。该影响具体可以包括：在吸收过程中，大气中的气体成分会吸收一部分太阳辐射能量，将其转化成气体分子的热能或化学能；在散射过程中，一部分太阳辐射能量会被大气分子散射出地球，另外一部分会被大气分子散射到地面，形成地面散射辐射。且在吸收过程和散射过程中，地球大气对不同波长的太阳辐射能量进行有选择性的吸收和散射，可见，抵达地面的太阳直接辐射光谱与大气上界的太阳辐射光谱分布有着明显区别。
目前研究发现，太阳光在2.7um波段附近的太阳具有很强烈的衰减，因此对太阳辐射能量进行测量时，常常无法测量到该波段附近的太阳光在到达地球表面时的辐射能量。因此，亟需提供一种测量设备和方法。
发明内容
基于现有技术方案空间目标的提取精度较低的问题，本发明实施例提供了一种太阳辐射能量测量设备及测量方法，能够准确测量设定波段范围内的太阳在到达地球表面时的辐射能量。
第一方面，本发明实施例提供了一种太阳辐射能量测量设备，包括：能量探测机构和能量处理装置；所述能量探测机构按照太阳光入射方向依次包括：滤光片、光阑和探测器；所述滤光片和所述光阑位于镜头内部；
所述能量处理装置与所述探测器相连，用于获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；根据该辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。
优选地，所述滤光片的吸收波段为2.5-3um；
和/或，
所述光阑的透光区域所对应的口径小于所述镜头出口的口径。
优选地，所述光阑与所述探测器的距离根据所述光阑的透光区域的面积和所述设定波段范围确定。
优选地，所述光阑与所述探测器的距离为：
其中，d为所述光阑与所述探测器的距离；k为距离调节系数；ε为所述滤光片的透光率；μ为所述探测器的光电转换效率；A为所述光阑的透光区域的面积；γmax为所述设定波段范围对应的最大波长；e为电子电荷；Nnoise为测量允许的最大噪声电子数。
优选地，所述能量处理装置还用于：获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；并根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
优选地，所述能量处理装置在执行获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率时，具体用于：获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率；
优选地，所述背景辐照功率为所述镜头偏离太阳若干个角度时所采集到的太阳辐照功率的平均值。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于上述任一所述太阳辐射能量测量设备的测量方法，包括：
获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；
根据该辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。
优选地，在所述获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率之前，还包括：
获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；
根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；
根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
优选地，所述获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率，包括：获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率；
所述计算设定波段范围内的太阳辐射能量，包括：计算所述镜头的入口口径与所述滤光片的透光率的乘积；将所述入射辐照功率与所述乘积的商值确定为该设定波段范围内的太阳辐射能量。
本发明实施例提供了一种太阳辐射能量测量设备及测量方法，该能量探测机构是针对该衰减强烈的波段专门进行设计的，由滤光片透过该设定波段范围内的太阳光，然后利用光阑将入射进来的太阳光聚光到镜头内部，进而垂直入射到探测器上，由探测器可以探测得到太阳辐射信号所对应的辐照功率，进而由能量处理装置利用辐照功率以及能量探测机构的相关参数，计算出太阳辐射能量。可见本方案能够采集到衰减强烈的波段的太阳光辐照功率，并利用公式可以快速准确的计算出该衰减强烈的波段范围内的太阳辐射能量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种太阳辐射能量测量设备结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种能量探测机构的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种测量方法流程图；
附图编号含义如下：
1-滤光片；2-光阑；3-探测器；4-镜头；5-压圈；6-隔圈；7-底座；8-底座上盖；9-底座套筒；10-能量探测机构；20-能量处理装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种太阳辐射能量测量设备，请参考图1和图2，图1为太阳辐射能量测量设备的结构示意图，图2为能量探测机构的结构示意图。该太阳辐射能量测量设备可以包括：能量探测机构10和能量处理装置20；能量探测机构按照太阳光入射方向依次包括：滤光片1、光阑2和探测器3；所述滤光片1和所述光阑2位于镜头4内部；
所述能量处理装置20与所述探测器3相连，用于获取由所述探测器3采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；根据该辐照功率以及预先获取的能量探测机构10的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。
本发明实施例中，该能量探测机构是针对该衰减强烈的波段专门进行设计的，由滤光片透过该设定波段范围内的太阳光，然后利用光阑将入射进来的太阳光聚光到镜头内部，进而垂直入射到探测器上，由探测器可以探测得到太阳辐射信号所对应的辐照功率，进而由能量处理装置利用辐照功率以及能量探测机构的相关参数，计算出太阳辐射能量。可见本方案能够采集到衰减强烈的波段的太阳光辐照功率，并利用公式可以快速准确的计算出该衰减强烈的波段范围内的太阳辐射能量。
由于滤光片和光阑均位于镜头内部，因此，入射到镜头内的太阳光先经过滤光片进行滤光，使得吸收波段的光进入到镜头内部，进而由光阑进行准直聚光，使得入射到探测器上的光是垂直入射的，以提高探测器探测结果的准确性。
在本发明一个实施例中，由于某些波段的太阳光在到达地球表面时衰减强烈，比如，2.7um波段的太阳光，因此，为了能够检测该波段所属范围内的太阳光到达地球表面时的太阳辐射能量，该滤光片的吸收波段可以为2.5-3um，即只有处于该吸收波段的太阳光才能够进入到镜头内部，进而入射到探测器上，防止其它波段的太阳光进入镜头内部，对探测结果造成影响。
在本发明一个实施例中，考虑到若太阳光倾斜入射到探测器上，那么，探测器在对太阳光反射时，反射的太阳光会在镜头内部进行逐层反射，从而产生杂散光再次入射到探测器上，从而影响探测结果的准确性。因此，为保证探测器探测结果的准确性，入射到探测器上的光需要垂直入射到探测器上，利用光阑2来对滤光片1透过的太阳光进行准直，且光阑2的透光区域所对应的口径小于镜头出口C2的口径，如此，从光阑2的透光区域透过的太阳光能够全部从镜头4出口C2输出，垂直入射到探测器3上，从而进一步降低了杂散光的存在，提高探测结果的准确性。
请参考图2，镜头4的内部从入口处向出口处设置有倾斜面，使得出口C2口径小于入口C1口径，该倾斜面可以避免入射到镜头4内部的杂散光射入到探测器3上，降低杂散光对探测器3探测结果的影响。
在本发明一个实施例中，为了防止光阑2透过的光会产生杂散光，还可以通过设置光阑2与探测器3之间距离来进一步降低杂散光对探测结果的影响，具体地，光阑与探测器之间的距离可以根据光阑透光区域的面积与滤光片透过太阳光的波段范围来确定。
考虑到太阳光的波段范围越大，为减少杂散光的影响，光阑与探测器之间的距离就要越长，另外，若光阑头透光区域的面积越大，那么透光的太阳光就越多，如此也需要光阑与探测器之间的距离增大。那么光阑与探测器之间的距离可以利用如下公式进行计算：
d＝fAγmax
其中，d为光阑与探测器之间的距离，f为修正系数(该值由多次实验来确定)，A为所述光阑的透光区域的面积；γmax为所述设定波段范围对应的最大波长。
考虑到太阳光在入射到探测器上之后，由探测器得到探测结果，因此，该距离与探测器相关参数有关，因此，光阑与探测器之间的距离还可以利用如下公式进行计算：
其中，d为所述光阑与所述探测器的距离；k为距离调节系数(该值由多次实验来确定)；ε为所述滤光片的透光率；μ为所述探测器的光电转换效率；A为所述光阑的透光区域的面积；γmax为所述设定波段范围对应的最大波长；e为电子电荷；Nnoise为测量允许的最大噪声电子数。
其中，e＝1.60×10-19C。为了降噪，可以设定测量允许的最大噪声电子数，以保证测量结果的准确性。其中，光阑与探测器之间的距离可以精确到微米级。
在本发明一个实施例中，为实现该能量探测机构，请参考图2，该能量探测机构还可以包括：压圈5、隔圈6、底座7、底座上盖8和底座套筒9。
在本发明一个实施例中，为了提高探测结果的准确性，在测量时需要能量探测机构的镜头正对太阳光，因此，需要计算太阳的天顶角和方位角，以调整能量探测机构的探测角度。具体地，该能量处理装置20还可以用于：获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；并根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
可以在能量探测机构上设置GPS定位模块，利用该GPS定位模块实时获取测量位置的经度纬度，还需要获取实时的UTC世界标准时间，能量处理装置20接收到测量的经纬度信息和探测时间，计算太阳的天顶角和方位角，然后根据天顶角和方位角调整能量探测机构的探测角度，以使镜头正对太阳。
优选地，能量处理装置可以根据实时的UTC计算太阳天顶角和方位角，并控制能量探测机构进行转动，以保证测量过程中镜头能够一直正对太阳。
在本发明一个实施例中，探测器可以使用单元探测器，能够直接测量到太阳光照射到探测器上的辐照功率，能量处理装置与探测器相连，可以获取到探测器测量到的辐照功率，进而利用辐照功率计算出太阳光到达地球表面辐照能量。
具体地，该能量处理装置获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率；
所述能量处理装置在执行计算设定波段范围内的太阳辐射能量时，具体用于：计算所述镜头的入口口径与所述滤光片的透光率的乘积；将所述入射辐照功率与所述乘积的商值确定为该设定波段范围内的太阳辐射能量。
为确定太阳光到达地球表面的太阳辐射能量，探测器需要预先获取未正对太阳时所采集到的背景辐照功率，在本发明一个实施例中，该背景辐照功率可以是能量探测机构的镜头偏离太阳的一个设定角度时采集到辐照功率。
为提高背景辐照功率的测量准确率，该背景辐照功率可以为镜头偏离太阳若干个角度时所采集到的太阳辐照功率的平均值。比如，偏离10°、20°、30°、……、180°、-10°、-20°、-30°、……、-170°，将每偏离一个角度时所采集到的太阳辐照功率相加，然后计算平均值，将该平均值确定为背景辐照功率，如此可以得到准确的背景辐照功率值，提高计算结果的准确性。
其中入射辐照功率利用如下公式计算：
P0＝P-Pb
其中，P0为入射辐照功率，即太阳光到达镜头入口时的辐照功率；P为正向辐照功率，Pb为背景辐照功率。
利用上述各实施例提供的太阳辐射能量测量设备，可以准确且快速的测量出太阳光在到达地球表面时，2.7um波段的太阳光的太阳辐射能量。
请参考图3，本发明实施例还提供了一种基于上述各实施例所述太阳辐射能量测量设备的测量方法，可以包括如下内容：
步骤300，获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；
步骤302，根据该辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。
本发明实施例中，该能量探测机构是针对该衰减强烈的波段专门进行设计的，由滤光片透过该设定波段范围内的太阳光，然后利用光阑将入射进来的太阳光聚光到镜头内部，进而垂直入射到探测器上，由探测器可以探测得到太阳辐射信号所对应的辐照功率，进而由能量处理装置利用辐照功率以及能量探测机构的相关参数，计算出太阳辐射能量。可见本方案能够采集到衰减强烈的波段的太阳光辐照功率，并利用公式可以快速准确的计算出该衰减强烈的波段范围内的太阳辐射能量
在本发明一个实施例中，在步骤300之前之前，还包括：
获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；
根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；
根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
在本发明一个实施例中，所述获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率，包括：获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种太阳辐射能量测量设备，其特征在于，包括：能量探测机构和能量处理装置；所述能量探测机构按照太阳光入射方向依次包括：滤光片、光阑和探测器；所述滤光片和所述光阑位于镜头内部；
所述能量处理装置与所述探测器相连，用于获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；所述能量处理装置在执行获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率时，具体用于：获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率；并根据该入射辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量；
所述光阑与所述探测器的距离为：
其中，d为所述光阑与所述探测器的距离；为距离调节系数；/>为所述滤光片的透光率；/>为所述探测器的光电转换效率；A为所述光阑的透光区域的面积；/>为所述设定波段范围对应的最大波长；/>为电子电荷；/>为测量允许的最大噪声电子数。
2.根据权利要求1所述的太阳辐射能量测量设备，其特征在于，
所述滤光片的吸收波段为2.5-3um；
和/或，
所述光阑的透光区域所对应的口径小于所述镜头出口的口径。
3.根据权利要求1所述的太阳辐射能量测量设备，其特征在于，所述能量处理装置还用于：获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；并根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
4.根据权利要求1所述的太阳辐射能量测量设备，其特征在于，所述背景辐照功率为所述镜头偏离太阳若干个角度时所采集到的太阳辐照功率的平均值。
5.一种基于上述权利要求1-4中任一所述太阳辐射能量测量设备的测量方法，其特征在于，包括：
获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率；
所述获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率，包括：获取所述镜头未正对太阳时由所述探测器所采集到的背景辐照功率，以及获取所述镜头正对太阳时由所述探测器所采集到的正向辐照功率，所述正向辐照功率与所述背景辐照功率的差值确定为太阳辐射到所述镜头的入口时的入射辐照功率；
根据该入射辐照功率以及预先获取的能量探测机构的相关参数，计算设定波段范围内的太阳辐射能量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述获取由所述探测器采集到的设定波段范围内的太阳辐射信号所对应的辐照功率之前，还包括：
获取所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间；
根据所述能量探测机构的经纬度信息和探测时间计算太阳的天顶角和方位角；
根据所述天顶角和所述方位角调整所述能量探测机构的探测角度。
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