CN113865706A - 基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计 - Google Patents

基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Linux系统的集成式太阳‑天光背景光谱辐射计，包括嵌入式Linux主控系统、光谱采集系统、闭环伺服系统和触摸屏操作界面，所述光谱采集系统包括视场光阑组、双胶合透镜、安装在滤轮序列上的不同系数衰减片组、导光单元以及光谱探测器，太阳辐射依次经过视场光阑组、双胶合透镜、衰减片组后由导光单元收集耦合至光谱探测器，光谱探测器实现光谱分光以及多通道阵列检测，生成的光谱数据经过预处理后存储至嵌入式Linux主控系统，触摸屏操作界面作为人机操作接口接收来自操作者的指令并实时显示设备运行状态。通过上述方式，本发明能够同时观测380～1100nm宽波段太阳光谱，光谱分辨率达到1nm。

Description

基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计
技术领域
本发明涉及光谱探测仪器领域，特别是涉及一种基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计。
背景技术
太阳辐射计是一种用于遥感检测太阳辐射、气溶胶和大气透过率的有效设备，不仅广泛应用于大气环境探测、气候变化等研究，也是定标可靠性检验以及卫星遥感大气订正的重要方法。其原理是利用光电探测器以及可见到近红外波段内的窄波段带通滤光片组(通常半波宽度10～20nm)测量整层大气对太阳直接辐射的消光，进而从辐射衰减中反演出透过率、水汽和气溶胶分布等信息。但是这也就意味着目前广泛使用的太阳辐射计例如DTF-8，CE318和POM-02等，提供的信息往往集中在有限的分立波段上，难以实现对太阳连续光谱进行观测，也就无法提供精细的大气分子分布信息。因此，太阳光谱辐射的精准测量成为太阳辐射和大气分子观测领域的紧迫需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，能够同时观测380～1100nm宽波段太阳光谱，光谱分辨率达到1nm。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，包括嵌入式Linux主控系统、与嵌入式Linux主控系统连接的光谱采集系统、闭环伺服系统和触摸屏操作界面，闭环伺服系统通过嵌入式Linux主控系统的控制驱动光谱采集系统旋转实现全空域内可见-近红外太阳光谱信息的获取；
所述光谱采集系统包括视场光阑组、双胶合透镜、安装在滤轮序列上的不同系数衰减片组、导光单元以及光谱探测器，太阳辐射依次经过视场光阑组、双胶合透镜、衰减片组后由导光单元收集耦合至光谱探测器，光谱探测器实现光谱分光以及多通道阵列检测，生成的光谱数据经过预处理后存储至嵌入式Linux主控系统，触摸屏操作界面作为人机操作接口接收来自操作者的指令并实时显示设备运行状态。
在本发明一个较佳实施例中，所述光谱采集系统的光谱探测感光面不小于1mm，再由感光面前端的视场光阑组限定接收视场为0.8°。
在本发明一个较佳实施例中，所述滤轮序列上安装有若干对不同衰减系数的衰减片及至少两个透明玻片，所述衰减片用于测量太阳直接辐射，所述透明玻片用于测量弱背景辐射。
在本发明一个较佳实施例中，所述导光单元包括光纤和耦合器。
在本发明一个较佳实施例中，所述闭环伺服系统包括直流力矩电机、高精度编码器以及电机驱动器，直接驱动安装光谱采集系统的转台运行。
在本发明一个较佳实施例中，所述嵌入式Linux主控系统以ARM微处理器为中央处理单元和Linux系统为软件平台，用于负责任务调度以及与辐射计组件之间的实时交互。
进一步的，所述嵌入式Linux主控系统通过串口通讯协议实现闭环伺服系统中电机的位移控制和速度调节。
进一步的，所述嵌入式Linux主控系统通过输出变频脉冲信号驱动光谱采集系统的电机，实现滤轮的旋转位移控制。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有宽观测范围、高光谱分辨率、多种观测模式以及集成化控制的优势，不仅能根据直接辐射数据反演出光谱透过率以及水汽含量等大气参量，而且也可以进行全天空扫描获取背景辐射分布及气溶胶粒子尺度谱分布；
(2)所述光谱辐射计能够同时观测380～1100nm宽波段太阳光谱，光谱分辨率达到1nm；
(3)所述嵌入式Linux系统作为光谱辐射计的集成操作平台，协调控制各器件的运行，实时存储并显示光谱测量数据；
(4)集成式的仪器架构能够完全摆脱上位机服务器和传输线缆的束缚而独立稳定运行，同时用触摸屏提供人机交互接口，增加了仪器的便携性和智能化。
附图说明
图1是本发明基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计的立体结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是所述光谱采集系统的结构示意图；
图4是所述光谱采集系统的光学原理示意图；
附图中各部件的标记如下：1、防尘石英窗口，2、视场光阑，3、双胶合透镜，4、第一孔径光阑，5、第二孔径光阑，6、滤轮，61、光电开关，7、导光单元，8、光谱探测器，9、嵌入式Linux主控系统，10、底座，11、U型旋转平台，12、光谱采集系统，121、壳体，122、光学镜筒，13、俯仰力矩电机，14、水平力矩电机，15、电机驱动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，本发明实施例包括：
一种基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，包括底座10、设置在底座10上的U型旋转平台11、安装在U型旋转平台11上的光谱采集系统12，光谱采集系统12在U型旋转平台11的驱动下可以在水平轴和俯仰轴的两个正交维度上旋转，实现对全空域内目标平稳精确的跟踪。所述光谱辐射计还包括嵌入式Linux主控系统9、闭环伺服系统和触摸屏操作界面，闭环伺服系统通过嵌入式Linux主控系统9的控制驱动光谱采集系统旋转实现全空域内可见-近红外太阳光谱信息的获取，光谱采集系统12与嵌入式Linux主控系统9连接。
结合图3和图4，所述光谱采集系统12包括壳体121、设置于壳体121前端的光学镜筒122，壳体121内包括视场光阑组、双胶合透镜3、安装在滤轮6序列上的不同系数衰减片组、导光单元7以及光谱探测器8。进一步的，所述视场光阑组包括视场光阑2、第一孔径光阑4、第二孔径光阑5。所述光谱采集系统12的光学镜筒122上设有防尘石英窗口1，太阳辐射通过防尘石英窗口1后，消杂散光的视场光阑2以及消色差的双胶合透镜3能够有效地消除杂散光。光路焦距设计为69.8mm，相应的太阳光斑大小约为0.65mm，从而选择光谱探测感光面不小于1mm，再由感光面前端的孔径光阑限定接收视场为0.8°。在光路中加入不具有光谱选择性吸收性质的中性密度衰减片对入射的太阳光进行衰减，在测量直射或者散射时通过滤轮步进电机旋转，使不同系数的衰减片组对准光谱探测光路，避免测量直接辐射时造成光谱探测器件的过度曝光。后置的光纤和耦合器组成的柔性导光单元7能够将前端光学接收面收集到的太阳辐射耦合至后端光谱探测器8。光谱探测器8实现光谱分光以及多通道阵列检测，积分时间能够动态调节，同时通过多次采集求平均值的方法降低暗噪声的干扰，生成的光谱数据经过多次求和取平均值后，经过USB传输控制协议存储在嵌入式Linux主控系统9内。
结合图2，所述闭环伺服系统由直流力矩电机、高精度编码器以及电机驱动器15组成。高精度编码器包含9000线码盘和光栅读数头两部分，读数头能够实现对光栅信号在一个周期内100倍细分，配合电机驱动器15的4倍频，理论上电机系统角定位精度可以达到1.44角秒，实现高精度的角度细分与定位。嵌入式Linux主控系统9通过串口通讯协议实现电机的位移控制和速度调节，同时能够实时监控运行状态。太阳辐射计的转台系统可以控制光谱探测器8等测量载荷在水平轴和俯仰轴的两个正交维度上旋转，将其稳定在设定的惯性空间，从而可以完成对目标平稳精确的跟踪。同时俯仰力矩电机13和水平力矩电机14两路力矩电机直接驱动光谱采集系统，不需要中间传动机构，消除了中间传动链引入的误差，使二维转台具有优于5角秒跟踪角分辨率。
所述嵌入式Linux主控系统9以ARM微处理器为中央处理单元和嵌入式Linux为软件平台，嵌入式Linux主控系统9负责任务调度以及与辐射计组件之间的实时交互。嵌入式Linux系统9通过FFC软排线连接触摸屏(图中未示出)，作为人机操作接口接收来自操作者的指令并实时显示设备运行状态，完全摆脱上位机服务器和传输线缆的束缚而独立稳定运行。搭载Linux系统的嵌入式板控制所有单元的运行，通过串口通讯以及USB通讯协议的合理配置，嵌入式系统能够实现对测量组件的分布式控制。
在本示例中，根据辐射计集成观测的需求，在滤轮6序列上安装三对衰减片，其中两对衰减片的衰减系数分别为0.1％和0.3％，以及2个透明玻片用于测量弱背景辐射。同时利用安装在滤轮6上的光电开关61来检测滤轮6的零位信号，确定测量时滤轮6的初始位置。具体的，在直射或者散射一体化测量过程中，嵌入式ARM板输出变频脉冲信号驱动滤轮步进电机，从而实现滤轮6的旋转位移控制，使不同系数的衰减片组对准光谱探测光路，避免测量直接辐射时造成光谱探测器件的过度曝光。当测量很强的太阳直接辐射时，滤轮6旋转至衰减系数为0.1％或者0.3％的玻片处；当测量弱背景光信号时，滤轮6旋转至透明玻片处。
在直射或散射观测模式下，辐射计在轨迹上进行扫描的过程中，光谱采集系统12获取可见-近红外太阳光谱信息。为了尽可能减小杂散光对测量数据的影响，光学镜筒122内部以及多级视场光阑都经过发黑处理，保证视场角外的漫射杂散光不能进入光路。光谱探测器8的核心优势在于光谱分光以及多通道阵列检测器技术，通过USB传输协议将光谱文件保存在本地存储介质中。嵌入式Linux主控系统9作为光谱辐射计的集成操作平台，协调控制各器件的运行，实时存储并显示光谱测量数据。
所述光谱辐射计的技术指标是：
测量波段：380～1100nm；
光谱分辨率：优于1nm；
接收视场角：0.8度；
跟踪角分辨率：优于5角秒；
嵌入式系统控制架构：ARM-Linux架构。
所述光谱辐射计的优势在于宽观测范围、高光谱分辨率、多种观测模式以及集成化控制。不仅能根据直接辐射数据反演出光谱透过率以及水汽含量等大气参量，而且也可以进行全天空扫描获取背景辐射分布及气溶胶粒子尺度谱分布。光谱辐射计能够同时观测380～1100nm宽波段太阳光谱，光谱分辨率达到1nm。集成式的仪器架构能够完全摆脱上位机服务器和传输线缆的束缚而独立稳定运行，同时用触摸屏提供人机交互接口，增加了仪器的便携性和智能化。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，包括嵌入式Linux主控系统、与嵌入式Linux主控系统连接的光谱采集系统、闭环伺服系统和触摸屏操作界面，闭环伺服系统通过嵌入式Linux主控系统的控制驱动光谱采集系统旋转实现全空域内可见-近红外太阳光谱信息的获取；
所述光谱采集系统包括视场光阑组、双胶合透镜、安装在滤轮序列上的不同系数衰减片组、导光单元以及光谱探测器，太阳辐射依次经过视场光阑组、双胶合透镜、衰减片组后由导光单元收集耦合至光谱探测器，光谱探测器实现光谱分光以及多通道阵列检测，生成的光谱数据经过预处理后存储至嵌入式Linux主控系统，触摸屏操作界面作为人机操作接口接收来自操作者的指令并实时显示设备运行状态。
2.根据权利要求1所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述光谱采集系统的光谱探测感光面不小于1mm，再由感光面前端的视场光阑组限定接收视场为0.8°。
3.根据权利要求1所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述滤轮序列上安装有若干对不同衰减系数的衰减片及至少两个透明玻片，所述衰减片用于测量太阳直接辐射，所述透明玻片用于测量弱背景辐射。
4.根据权利要求1所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述导光单元包括光纤和耦合器。
5.根据权利要求1所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述闭环伺服系统包括直流力矩电机、高精度编码器以及电机驱动器，直接驱动安装光谱采集系统的转台运行。
6.根据权利要求1所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述嵌入式Linux主控系统以ARM微处理器为中央处理单元和Linux系统为软件平台，用于负责任务调度以及与辐射计组件之间的实时交互。
7.根据权利要求6所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述嵌入式Linux主控系统通过串口通讯协议实现闭环伺服系统中电机的位移控制和速度调节。
8.根据权利要求6所述的基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计，其特征在于，所述嵌入式Linux主控系统通过输出变频脉冲信号驱动光谱采集系统的电机，实现滤轮的旋转位移控制。
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