CN114200670A - 一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法 - Google Patents

一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法。属于非成像光学技术领域。本发明根据测量角度要求设置自由曲面反射镜的具体光路结构，根据反射定律和全球太阳直接辐射角度变化规律，设计出满足预定测量要求的自由曲面反射镜，实现全球太阳直接辐射光线经过自由曲面反射镜反射后在传感器中心被接收，得到太阳直接辐射数据，完成太阳直接辐射测量。该自由曲面通过曲面有限元划分得到的。本发明结构紧凑、简单；为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。

Description

一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法
技术领域
本发明涉及非成像光学技术领域，尤其涉及一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法
背景技术
太阳辐射是地球最重要的能量来源，其变化影响着地球的气候与环境。太阳辐射主要分为直接辐射和散射辐射两类，其中直接辐射与太阳自身状态紧密相关，对其光谱辐照度和总辐照度测量有助于长期监测太阳活动变化，反演云量以及大气气溶胶光学特性，对太阳能资源开发、大气环境与污染监测、气候变化、极端天气灾害预警以及保证农业生产等具有重要意义。
目前地面测量太阳直接辐射光谱辐照度的仪器主要分为光谱式和通道式两种，均利用太阳跟踪装置实现太阳直接辐射的采集。其中，2016年郑茹等设计了一种基于余弦校正器的光谱型太阳辐射观测仪，利用余弦器外露配合挡光环实现了入射角小于±80°、300-1000nm范围内的太阳光谱辐照度测量；2019年GrobnerJ等采用平场凹面光栅作为色散与会聚元件，实现了350nm-1000nm范围内太阳光谱辐照度室外观测；2020年李建玉等设计了一种多波段激光大气透过率测量的太阳辐射计，得到1.064,1.315和1.54μm的大气透过率。
现有的太阳直接辐射总辐照度测量方法主要为总辐射法和直接辐射测量法两类。其中，荷兰Kipp&Zonen公司基于总辐射测量方法，利用多个硅光电二极管设计了CSD系列日照时数传感器。江苏无线电科学研究所也基于此方法，设计了一种采用多分天穹的遮光方案的WUSH-RZ2日照传感器，此类方法存在难以修正的原理性误差。德国Logotronic公司的SD系列日照传感器和锦州阳光气象科技公司的TBS系列直接辐射表基于直接辐射测量方法，利用二维跟踪机构实现对太阳直接辐射总辐照度的测量，其跟踪精度受算法与天气影响，跟踪范围小。日本EKO公司研制的MS系列日照时数测量系统，利用磨砂反射镜，实现了±58°的地球纬度区间内无需自动太阳跟踪装置的日照时数测量，由于其反射镜经过磨砂处理，难以控制全年太阳直接辐射测量的均匀性且仪器一致性难以保证。
发明内容
本发明的目的在于为了克服背景技术的不足，提供了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法。
本发明所采用的技术方案是：
(1)设置自由曲面反射镜的光路结构，待测光线位于所述自由曲面反射镜上方接收角范围之内，接收面位于所述自由曲面反射镜右侧，所述待测光线为太阳直接辐射光线，当待测光线经过自由曲面反射镜时都能反射在传感器中心被接收；根据初始设计对自由曲面反射镜进行自由曲面设计；
(2)以自由曲面反射镜的光轴O'O的方向为x轴正方向建立直角坐标系xyz，根据太阳直接辐射光线不同角度对步骤(1)所确定的自由曲面反射镜的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太阳直接辐射光线与自由曲面反射镜面型的映射关系，将夏至日正午太阳直接辐射光线、冬至日正午太阳直接辐射光线以及与二分日正午太阳直接辐射光线在自由曲面反射镜的入射点用S、W、O表示，其对应的自由曲面反射镜面型坡度为γS、γW、γO，其公式为：
Figure BDA0003411641200000021
其中βS为夏至日正午太阳直接辐射光接收视场、βW为冬至日正午太阳直接辐射光接收视场、αS为夏至日正午太阳直接辐射光线入射角度、αW为冬至日正午太阳直接辐射光线入射角度；
(3)根据步骤(2)将太阳直接辐射最大入射区间(-αS，αW)内所有光线代入所述上式可得出反射镜所需包含面型坡度范围，将自由曲面反射镜有限元划分,按特定坡度间隔均分，以划分后Y轴方向微元长度hi进行反射镜面型调控，第i个离散点Ci的位置为(xi,yi)；
(4)由于自由曲面反射镜中夏至日、冬至日太阳直接辐射光线位于对应的反射微元处在整体结构的边缘位置，会造成辐射采集过程中的能量传递缺失，面型拟合过程中拟合边缘也会带来边界误差，因此，将求取后的坡度区间两段适当拓宽长度η，拓宽后坡度区间为(ρS,ρW)，ρS为夏至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，ρW为冬至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，区间长度ρ＝︱ρS-ρW︱，此时将获得的n个坡度特征依次赋予划分后的反射单元，可得各离散点Ci的坐标位置方程组为：
Figure BDA0003411641200000031
其中，D为自由曲面反射镜直径，Ki为系数，γi为任意角度太阳直接辐射光线反射至传感器中心面型的坡度；
(5)构造特征函
Figure BDA0003411641200000032
数，即得到自由曲面反射镜结构表达式：
U(x)＝x1N1(x)+x2N2(x)+…+xnNn(x)
(6)根据步骤(5)中的反射镜结构表达式拟合即可得到用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的自由曲面面型。
优选的，所述的自由曲面反射镜的自由曲面面型为椭球形。
优选的，所述的自由曲面反射镜的自由曲面的各个特定坡度的反射率不同。自由曲面反射镜的周围介质为空气。
优选的，所述的传感器中心有接收面，可实现数据观测。
优选的，所述的自由曲面反射镜光轴与地轴平行，并绕光轴沿地球周日运动方向反向旋转，从而抵消太阳高度角和方位角带来的变化，实现精准测量。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明提出的用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法可实现全时空太阳直接辐射测量；
2)本发明提出的用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法可以均匀测量太阳直接辐射；
附图说明
图1为自由曲面反射镜的设计原理图；
图2为自由曲面反射镜的光学结构；
图3为实施例中的全球太阳直接辐射角度变化规律二维模型；
图4为实施例中的全纬度太阳直接辐射角度规律；
图5为实施例中的镜面有限元划分模型；
图6为实施例中的接收器接收的太阳直接辐射相对能量图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明本发明。
用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法具体步骤如下：
(1)设置自由曲面反射镜的光路结构，待测光线位于所述自由曲面反射镜上方接收角范围之内，接收面位于所述自由曲面反射镜右侧，所述待测光线为太阳直接辐射光线，当待测光线经过自由曲面反射镜时都能反射在传感器中心被接收；根据初始设计对自由曲面反射镜进行自由曲面设计；
(2)以自由曲面反射镜的光轴O'O的方向为x轴正方向建立直角坐标系xyz，根据太阳直接辐射光线不同角度对步骤(1)所确定的自由曲面反射镜的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太阳直接辐射光线与自由曲面反射镜面型的映射关系，将夏至日正午太阳直接辐射光线、冬至日正午太阳直接辐射光线以及与二分日正午太阳直接辐射光线在自由曲面反射镜的入射点用S、W、O表示，其对应的自由曲面反射镜面型坡度为γS、γW、γO，其公式为：
Figure BDA0003411641200000041
其中βS为夏至日正午太阳直接辐射光接收视场、βW为冬至日正午太阳直接辐射光接收视场、αS为夏至日正午太阳直接辐射光线入射角度、αW为冬至日正午太阳直接辐射光线入射角度；
(3)根据步骤(2)将太阳直接辐射最大入射区间(-αS，αW)内所有光线代入所述上式可得出反射镜所需包含面型坡度范围，将自由曲面反射镜有限元划分,按特定坡度间隔均分，以划分后Y轴方向微元长度hi进行反射镜面型调控，第i个离散点Ci的位置为(xi,yi)；
(4)由于自由曲面反射镜中夏至日、冬至日太阳直接辐射光线位于对应的反射微元处在整体结构的边缘位置，会造成辐射采集过程中的能量传递缺失，面型拟合过程中拟合边缘也会带来边界误差，因此，将求取后的坡度区间两段适当拓宽长度η，拓宽后坡度区间为(ρS,ρW)，ρS为夏至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，ρW为冬至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，区间长度ρ＝︱ρS-ρW︱，此时将获得的n个坡度特征依次赋予划分后的反射单元，可得各离散点Ci的坐标位置方程组为：
Figure BDA0003411641200000051
其中，D为自由曲面反射镜直径，Ki为系数，γi为任意角度太阳直接辐射光线反射至传感器中心面型的坡度；
(5)构造特征函
Figure BDA0003411641200000052
数，即得到自由曲面反射镜结构表达式：
U(x)＝x1N1(x)+x2N2(x)+…+xnNn(x)
(6)根据步骤(5)中的反射镜结构表达式拟合即可得到用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的自由曲面面型。
实施例：自由曲面反射镜的光路结构如附图2所示，待测光线位于所述自由曲面反射镜上方接收角范围之内，接收面位于所述自由曲面反射镜右侧焦点所在，待测光线为太阳直接辐射光线。要设计自由曲面反射镜，首先要找到全维度太阳直接辐射入射角度范围，根据太阳视运动轨迹，得到全球太阳直接辐射角度变化规律，建立二维模型，参见附图3，根据全维度太阳直接辐射角度规律，得到自由曲面反射镜的太阳直接辐射入射角度范围为±23.5°参见附图4，可保证太阳直接辐射光线的最大入射角度范围都被自由曲面反射镜接收。当太阳直接辐射光线经过自由曲面反射镜时都能反射在传感器中心被接收，得到太阳直接辐射相对能量图；
以自由曲面反射镜的光轴O'O的方向为x轴正方向建立直角坐标系xyz，根据太阳直接辐射光线不同角度对所确定的自由曲面反射镜的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太阳直接辐射光线与自由曲面反射镜面型的映射关系，将夏至日正午太阳直接辐射光线、冬至日正午太阳直接辐射光线以及与二分日正午太阳直接辐射光线在自由曲面反射镜的入射点用S、W、O表示，其对应的自由曲面反射镜面型坡度为γS、γW、γO，参见附图1，其公式为：
Figure BDA0003411641200000053
其中βS为夏至日正午太阳直接辐射光接收视场、βW为冬至日正午太阳直接辐射光接收视场、αS为夏至日正午太阳直接辐射光线入射角度、αW为冬至日正午太阳直接辐射光线入射角度；
将太阳直接辐射最大入射区间内所有光线代入所述上式可得出反射镜所需包含面型坡度范围，将自由曲面反射镜有限元划分,按特定坡度间隔均分，以划分后Y轴方向微元长度hi进行反射镜面型调控，第i个离散点Ci的位置为(xi,yi)，参见附图5；
由于自由曲面反射镜中夏至日、冬至日太阳直接辐射光线位于对应的反射微元处在整体结构的边缘位置，会造成辐射采集过程中的能量传递缺失，面型拟合过程中拟合边缘也会带来边界误差，因此，将求取后的坡度区间两段适当拓宽长度η，ρS为夏至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，ρW为冬至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，拓宽后坡度区间为(ρS,ρW)，区间长度ρ＝︱ρS-ρW︱，此时将获得的n个坡度特征依次赋予划分后的反射单元，可得各离散点Ci的坐标位置方程组为：
Figure BDA0003411641200000061
其中，D为自由曲面反射镜直径，Ki为系数，γi为任意角度太阳直射光线反射至传感器中心面型的坡度；
构造特征函数，即
Figure BDA0003411641200000062
得到自由曲面反射镜结构表达式：
U(x)＝x1N1(x)+x2N2(x)+…+xnNn(x)
根据反射镜结构表达式拟合即可得到用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的自由曲面面型。
所设计的自由曲面反射镜面型用Zemax拟合公式建立模型，对自由曲面反射镜模型追迹光线，能够在接收器上接收太阳直接辐射相对能量图，见附图6，本发明所提出的用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法有效地实现了太阳直接辐射测量。
由实施例可知，采用本发明所提出的用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法可实现太阳直接辐射测量，可获得连续的自由曲面，实现了自由曲面的可加工，具有显著的实际意义。
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 (5)

1.一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)设置自由曲面反射镜的光路结构，待测光线位于所述自由曲面反射镜上方接收角范围之内，接收面位于所述自由曲面反射镜右侧，所述待测光线为太阳直接辐射光线，当待测光线经过自由曲面反射镜时都能反射在传感器中心被接收；根据初始设计对自由曲面反射镜进行自由曲面设计；
(2)以自由曲面反射镜的光轴O'O的方向为x轴正方向建立直角坐标系xyz，根据太阳直接辐射光线不同角度对步骤(1)所确定的自由曲面反射镜的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太阳直接辐射光线与自由曲面反射镜面型的映射关系，将夏至日正午太阳直接辐射光线、冬至日正午太阳直接辐射光线以及与二分日正午太阳直接辐射光线在自由曲面反射镜的入射点用S、W、O表示，其对应的自由曲面反射镜面型坡度为γS、γW、γO，其公式为：
Figure FDA0003411641190000011
其中βS为夏至日正午太阳直接辐射光接收视场、βW为冬至日正午太阳直接辐射光接收视场、αS为夏至日正午太阳直接辐射光线入射角度、αW为冬至日正午太阳直接辐射光线入射角度；
(3)根据步骤(2)将太阳直接辐射最大入射区间(-αS，αW)内所有光线代入所述上式可得出反射镜所需包含面型坡度范围，将自由曲面反射镜有限元划分,按特定坡度间隔均分，以划分后Y轴方向微元长度hi进行反射镜面型调控，第i个离散点Ci的位置为(xi,yi)；
(4)由于自由曲面反射镜中夏至日、冬至日太阳直接辐射光线位于对应的反射微元处在整体结构的边缘位置，会造成辐射采集过程中的能量传递缺失，面型拟合过程中拟合边缘也会带来边界误差，因此，将求取后的坡度区间两段适当拓宽长度η，拓宽后坡度区间为(ρS,ρW)，ρS为夏至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，ρW为冬至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，区间长度ρ＝︱ρS-ρW︱，此时将获得的n个坡度特征依次赋予划分后的反射单元，可得各离散点Ci的坐标位置方程组为：
Figure FDA0003411641190000021
其中，D为自由曲面反射镜直径，Ki为系数，γi为任意角度太阳直接辐射光线反射至传感器中心面型的坡度；
(5)构造特征函
Figure FDA0003411641190000022
数，即得到自由曲面反射镜结构表达式：
U(x)＝x1N1(x)+x2N2(x)+…+xnNn(x)
(6)根据步骤(5)中的反射镜结构表达式拟合即可得到用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的自由曲面面型。
2.根据权利要求书1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜的自由曲面面型为椭球形。
3.根据权利要求书1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜的自由曲面的各个特定坡度的反射率不同。自由曲面反射镜的周围介质为空气。
4.根据权利要求书1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的传感器中心有接收面，可实现数据观测。
5.根据权利要求书1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜光轴与地轴平行，并绕光轴沿地球周日运动方向反向旋转，从而抵消太阳高度角和方位角带来的变化，实现精准测量。
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