專利名稱：光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照度測(cè)量技術(shù)與信息處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體為太陽光譜輻射照度測(cè)量儀器，可分別用于測(cè)量紫外、可見、近紅外和紅外等四個(gè)波段的太陽光譜輻射照度。
背景技術(shù)：
太陽輻射是地球能量的最主要來源，是大氣和海洋變化的原動(dòng)力。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了越來越多的太陽輻射周期變化與地球氣候變化相關(guān)聯(lián)的證據(jù)。太陽照度的微小變化，能夠?qū)ξ覀冃乔虻臍夂虍a(chǎn)生巨大影響。研究太陽輻射與全球氣候變化的關(guān)系，需要長期、精確的太陽輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)，因而對(duì)太陽輻射照度的觀測(cè)顯然具有特別重要的意義。另一方面，隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源的逐漸緊缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，太陽能作為一種取之不盡的清潔能源，已被公認(rèn)為是未來最有競(jìng)爭(zhēng)力的能源之一，其有效開發(fā)利用對(duì)于解決全球能源危機(jī)、應(yīng)對(duì)氣候變化具有十分重要的意義。例如，對(duì)于太陽能光熱應(yīng)用，光譜范圍大約為305 2800nm的直接輻射和散射輻射能量均可被利用；對(duì)于太陽能光伏應(yīng)用，光譜范圍大約為400 IlOOnm的可見光均可被吸收；因此，針對(duì)不同的利用方式對(duì)太陽光譜輻射能量分布情況進(jìn)行觀測(cè)、評(píng)價(jià)是太陽能資源高效開發(fā)利用的前提和關(guān)鍵。另外，為了開發(fā)高效率的太陽能電池，準(zhǔn)確、快速測(cè)量太陽輻射與太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和輸出性能之間的關(guān)系就成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，特別需要具有波長分辨功能的、高分辨率的太陽輻射觀測(cè)儀器。不僅如此，目前在大氣污染檢測(cè)、大氣光學(xué)研究、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、生態(tài)安全研究等領(lǐng)域，均對(duì)太陽光譜輻射測(cè)量提出了更加量化、細(xì)化、精確化的要求，這都有賴于高分辨率、高靈敏度和高速響應(yīng)的太陽輻射測(cè)量儀器。市場(chǎng)上常見的太陽輻射測(cè)量儀基本上以積分型輻射表居多，其中大致可分為熱電型、光電型和分光型三類。其中熱電型輻射表常用的熱電轉(zhuǎn)換元件為熱電偶等，缺點(diǎn)是靈敏度隨著使用時(shí)間變化，響應(yīng)速度慢、無波長分辨功能。光電型輻射表常用的光電傳感器有光電二極管、光電三極管、硅太陽電池、光伏傳感器和光電倍增管等，不足之處是波長范圍窄，光譜靈敏度不均勻，并且傳感器的光譜特性與太陽輻射光譜分布不相吻合，測(cè)量誤差大。如專利CN101122522A (—種紫外輻射表)，采用硅光探測(cè)器。專利CN2643297Y (高精度光譜輻射亮度計(jì))采用3片平面型硅光電二極管檢測(cè)器。分光型輻射表采用干涉濾光片選擇波段，觀測(cè)某一特定波長范圍內(nèi)的太陽輻射總量，其結(jié)果僅僅局限于幾個(gè)分立波長上的細(xì)節(jié)，不能反映太陽輻射的光譜特征。這三類輻射表由于光學(xué)系統(tǒng)沒有色散元件，檢測(cè)器只有一個(gè)測(cè)量通道(單元)，不具備波長分辨功能，測(cè)量的信號(hào)為某一時(shí)刻儀器有效波長范圍內(nèi)太陽輻射能量的積分值，這種積分型輻射表因?yàn)閿?shù)據(jù)包含的信息量少，無法獲得太陽光譜的總體分布情況信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前各領(lǐng)域?qū)μ栞椛淞炕c細(xì)化測(cè)量的需要。近年來出現(xiàn)了采用色散元件的光譜型太陽輻射測(cè)量儀，但大多采用光電倍增管(簡稱PMT)作為光電探測(cè)器。例如，專利CN201637488U (太陽光譜測(cè)量系統(tǒng))，其光電檢測(cè)器采用光電倍增管，儀器內(nèi)部利用精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長掃描，獲得光譜分布信息，實(shí)時(shí)性差，系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大，需要計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和顯示，很難適合戶外應(yīng)用場(chǎng)合。專利CN101504314A(大氣紫外輻射通量測(cè)量裝置及其測(cè)量方法)，利用PMT或電荷耦合器件(簡稱CCD)實(shí)現(xiàn)紫外輻射測(cè)量，其光學(xué)接收部分放置在室外，光譜儀等測(cè)量部分放置在室內(nèi)，由計(jì)算機(jī)控制儀器的測(cè)量過程，測(cè)量系統(tǒng)體積大。其不足之處是用PMT時(shí)，同樣需要機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)獲得波長信息，測(cè)量速度慢；用光纖束將紫外光譜信號(hào)傳輸至室內(nèi)時(shí)，需要很長的光纖，使得紫外光信號(hào)損失嚴(yán)重，且光纖的長距離鋪設(shè)也存在安全隱患，要特別的防護(hù)措施。該專利采用的光纖束使用多條光纖進(jìn)行組合，其輸入端面呈圓形分布，輸出端面呈直線型分布，難以標(biāo)準(zhǔn)化，成本也很高。專利CN101358878A (瞬態(tài)紫外多光譜輻射儀)公開了一種采用計(jì)算機(jī)經(jīng)USB接口將卡塞格林光學(xué)成像系統(tǒng)獲得的光譜信號(hào)用CCD探測(cè)單次閃光或穩(wěn)態(tài)光源的紫外光譜儀。該儀器配置了插拔式瞄準(zhǔn)鏡頭和計(jì)算機(jī)，主要側(cè)重于閃光光源的紫外光譜測(cè)量，并不適合在室外進(jìn)行移動(dòng)的太陽整個(gè)光譜區(qū)域的快速測(cè)量，且只能采集單方向的光源信號(hào)。專利CN101943603A (—種基于電荷耦合器件的太陽能光譜輻射測(cè)量儀)公開的儀器中，雖然采用了 CCD檢測(cè)器，但其光學(xué)耦合系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，存在體積大、裝調(diào)工藝復(fù)雜、一致性難以保證等困難。該儀器采用遮光筒，使得入射光的角度受到限制，所測(cè)量的波段僅限于紫外區(qū)域。且光學(xué)部分沒有防護(hù)用的快門，使用過程中存在安全隱患。上述相關(guān)專利分別只涉及到本發(fā)明的部分技術(shù)，但均未見與本發(fā)明技術(shù)特點(diǎn)完全相符或類似的專利或文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述需求和現(xiàn)有太陽輻射照度測(cè)量儀器存在的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種具有波長分辨功能的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀器與技術(shù)?；谏鲜鰞x器建立的太陽輻射照度測(cè)量原理和過程，使得測(cè)量結(jié)果的信息量豐富，有利于相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。為解決本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，結(jié)構(gòu)包括以下單元:光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元及殼體，光學(xué)接收單元接收、處理的太陽光輻射信號(hào)經(jīng)光學(xué)耦合單元傳輸至光纖光譜儀模塊單元，并存儲(chǔ)在光纖光譜儀模塊單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分；所述的光學(xué)接收單元位于殼體頂部，由半球狀雙層防護(hù)罩1、漫透射片2、濾光片
3、透鏡4按接收太陽輻射順序構(gòu)成；其中的濾光片3采用低通濾光片、帶通濾光片或長通濾光片;所述的光學(xué)耦合單元，由第一光纖接口、標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5和第二光纖接口構(gòu)成；其中第一光纖接口實(shí)現(xiàn)光學(xué)接收單元與標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5的鏈接，第二光纖接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5與光纖光譜儀模塊單元的鏈接；所述的光纖光譜儀模塊單元，位于殼體中央；含有光學(xué)系統(tǒng)、陣列檢測(cè)器11、電路系統(tǒng)、微處理器和供電電源部分；其中的光學(xué)系統(tǒng)按光路順序有光纖輸入接口、入射狹縫
6、快門7、準(zhǔn)直鏡8、光柵9、成像鏡10 ;光纖輸入接口與光學(xué)稱合單兀的第二光纖接口相接；其中的陣列檢測(cè)器11接收成像鏡10的光信號(hào)；陣列檢測(cè)器11是紫外敏感的陣列檢測(cè)器、線陣CCD傳感器或紅外敏感的陣列檢測(cè)器；其中的電路系統(tǒng)，主要由信號(hào)預(yù)處理電路、增益自動(dòng)控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(均采用現(xiàn)有的技術(shù))構(gòu)成；陣列檢測(cè)器11的輸出模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路處理、增益自動(dòng)控制電路放大和A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換，將輻射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；其中的微處理器，采用現(xiàn)有的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陣列檢測(cè)器11時(shí)序的產(chǎn)生與控制、A/D轉(zhuǎn)換器的控制、并控制光譜數(shù)據(jù)的采集處理、設(shè)置測(cè)量參數(shù)、輻射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸；其中的供電電源，米用現(xiàn)有的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路和微處理器的供電。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還可以有恒溫控制單元，結(jié)構(gòu)含有加熱和致冷兩部分，對(duì)溫度敏感的光電元件均置于恒溫的腔體內(nèi)；采用通用的PID控制技術(shù)由微處理器自動(dòng)控制光纖光譜儀模塊單元的工作環(huán)境溫度。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還可以有GPS模塊單元；GPS模塊的數(shù)據(jù)接口與光纖光譜儀模塊中的微處理器連接并由微處理器控制。用于自動(dòng)記錄每次測(cè)量的經(jīng)度、緯度和時(shí)間。上述的紫外敏感的陣列檢測(cè)器，優(yōu)選背照型紫外增強(qiáng)陣列檢測(cè)器；上述的紅外敏感的陣列檢測(cè)器，優(yōu)選InGaAs陣列檢測(cè)器。上述的數(shù)據(jù)接口，能夠連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集控制中心，實(shí)現(xiàn)光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀與計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的以有線或無線方式的數(shù)據(jù)傳輸。上述的防護(hù)罩1，可以是雙層的半球狀防護(hù)罩1，安裝在殼體的上端面之上，在防護(hù)罩的圓口端與殼體之間裝有密封圈；防護(hù)罩內(nèi)抽成真空狀態(tài)。本發(fā)明的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀中，所述的光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)，分別裝在外殼內(nèi)設(shè)置的光學(xué)腔體和電學(xué)腔體中；在殼體內(nèi)按自下而上順序放置恒溫控制單元、電學(xué)腔體和光學(xué)腔體。在光纖光譜儀模塊單元中的供電電源，配備內(nèi)置可充電電池和/或配置專用外接電源接口。本發(fā)明更具體的技術(shù)方案如下所述。一種具有波長分辨功能的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀器，該儀器包括以下單元:光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元、GPS模塊單元、恒溫控制單元及殼體等。所述的光學(xué)接收單元位于殼體頂部，用來接收、處理來自太陽的光輻射信號(hào)，其輸出光輻射信號(hào)經(jīng)光學(xué)耦合單元的標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線傳輸至光纖光譜儀模塊單元的輸入接口 ；光纖光譜儀模塊單元位于殼體中央，含有光學(xué)系統(tǒng)、陣列檢測(cè)器、電路系統(tǒng)、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)接口和供電電源等部分，光纖光譜儀模塊的輸入接口接收來自光學(xué)接收單元的太陽輻射信號(hào)，其輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)可暫存至其內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，并可經(jīng)其數(shù)據(jù)接口部分以有線或無線方式傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集控制中心。GPS模塊的數(shù)據(jù)接口與光纖光譜儀模塊的控制系統(tǒng)連接并由光纖光譜儀模塊內(nèi)部的微處理器控制；恒溫控制單元在光纖光譜儀模塊單兀底部，保證儀器在室外工作時(shí)，光纖光譜儀模塊單兀的工作溫度處于安全范圍之內(nèi)。殼體內(nèi)部放置光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元、GPS模塊單元、恒溫控制單元等。所述的光學(xué)接收單元由半球狀雙層防護(hù)罩、漫透射片、濾光片、透鏡構(gòu)成。所述半球狀雙層防護(hù)罩根據(jù)測(cè)量波段不同，可采用石英玻璃罩、普通玻璃罩。半球狀防護(hù)罩防止灰塵、潮氣進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，并且使得各個(gè)方向入射的太陽輻射均有相同的透過率，其內(nèi)部抽成真空狀態(tài)，以防止結(jié)露，影響測(cè)量結(jié)果；所述的漫透射片可以采用含有細(xì)小石英顆粒的高純度的熔融石英玻璃片，或者選用含有微細(xì)氣泡的石英玻璃片，還可以選用合適厚度的聚四氟乙烯片。漫透射片使從各個(gè)方向入射的太陽光產(chǎn)生散射或漫透射，使光線混合分布均勻，改善入射光輻射的角度特性(即相對(duì)于入射光角度的靈敏度特性)，實(shí)現(xiàn)太陽入射光輻射的全方位入射功能；所述濾光片根據(jù)測(cè)量波段不同，可以采用低通濾光片、帶通濾光片、長通濾光片，用來適應(yīng)不同波段的太陽輻射測(cè)量；所述的透鏡可以為石英透鏡，也可為螺紋透鏡，螺紋透鏡由聚丙烯材料加工而成。通過設(shè)計(jì)合理的光線接收角度和選用合適的漫透射片來解決太陽輻射信號(hào)的有效收集問題，實(shí)現(xiàn)高效收集太陽光譜輻射信號(hào)的目標(biāo)，確保儀器具有穩(wěn)定的測(cè)量靈敏度；光學(xué)接收單元通過采取防護(hù)罩、密封圈等技術(shù)措施，保證儀器在各種氣候條件下能夠正常進(jìn)行輻射觀測(cè)。所述的光學(xué)耦合單元包括第一光纖接口、標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線和第二光纖接口。其中第一光纖接口實(shí)現(xiàn)光學(xué)接收單元與標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線的鏈接，第二光纖接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線與光纖光譜儀模塊的鏈接。標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線兩端采用SMA905型標(biāo)準(zhǔn)接口，簡單、實(shí)用、方便、價(jià)廉。光學(xué)耦合單元主要實(shí)現(xiàn)太陽輻射信號(hào)與光纖光譜儀模塊之間的最佳光學(xué)匹配，提高輻射信號(hào)傳輸效率。按照輻射測(cè)量的不同波段，選擇信號(hào)損失小、傳輸效率高、硬度合適的、不同材質(zhì)的光纖跳線。例如，紫外和紅外波段的儀器選擇石英材質(zhì)的光纖跳線，如 BGSU-100/104-125-22-PI 型號(hào)的紫外石英光纖跳線、BGWU-1000/1100-1300-22-AC型紅外石英光纖跳線，可見光與近紅外波段的儀器選擇普通玻璃材質(zhì)的光纖跳線，如BGTU-600/660-710-22-PI 型的光纖跳線。所述的光纖光譜儀模塊單元置于殼體中央，光纖光譜儀模塊單元包括光學(xué)系統(tǒng)、陣列檢測(cè)器、電路系統(tǒng)、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)接口和供電電源等部分。其中光學(xué)系統(tǒng)部分又含有光纖輸入接口、入射狹縫、快門、準(zhǔn)直鏡、光柵、成像鏡等。光纖接口為SMA905標(biāo)準(zhǔn)形式，入射狹縫為固定寬度的、由機(jī)械加工工藝或光刻工藝實(shí)現(xiàn)的元件，快門為電磁驅(qū)動(dòng)的通用微型電氣元件，準(zhǔn)直鏡、光柵、成像鏡等為市售通用光學(xué)元件。光學(xué)系統(tǒng)的光路為賽納一特納型通用光路，準(zhǔn)直鏡、光柵、成像鏡等光學(xué)元件要針對(duì)不同測(cè)量波段采用相應(yīng)的光學(xué)工藝制作或采購。陣列檢測(cè)器則要考慮到所測(cè)光譜波段范圍和光譜信號(hào)的強(qiáng)弱，選擇不同類型的光電陣列檢測(cè)器。例如，在太陽輻射中，紫外輻射僅占太陽輻射總量的0.1%左右。因此，為了測(cè)量紫外區(qū)的太陽輻射，除了采用干涉濾光片去除其余99.9%的其它光譜區(qū)域的光輻射能量外，還應(yīng)該采用紫外敏感的陣列檢測(cè)器，如背照型紫外增強(qiáng)陣列檢測(cè)器；對(duì)于可見區(qū)輻射測(cè)量儀器，通常選擇線陣CCD傳感器；對(duì)于近紅外與紅外區(qū)輻射測(cè)量儀器，選用紅外敏感的陣列檢測(cè)器如InGaAs陣列檢測(cè)器。陣列檢測(cè)器的輸出模擬信號(hào)采用通用的高速運(yùn)算放大器進(jìn)行處理、放大。光譜數(shù)據(jù)的采集選用通用的高速A/D轉(zhuǎn)換器，提高電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速度。為了滿足電池供電的目標(biāo)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選用、參數(shù)選擇等方面進(jìn)行低電流設(shè)計(jì)、低電壓設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)。例如，陣列檢測(cè)器的輸出信號(hào)預(yù)處理用的放大器可選用AD8042型高速運(yùn)算放大器，其電源可以采用單電壓5V供電，功耗只有50mW左右。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD9220型高速低功耗轉(zhuǎn)換器，其最大轉(zhuǎn)換速率為IOM/秒，最大功耗低于250mW。微處理器采用通用的ARM系列微處理器，高性能32位精簡指令集架構(gòu)，具有高性能/功耗比和嵌入式電路仿真功能，運(yùn)行頻率可達(dá)55MHz，并且具有USB2.0全速接口或擴(kuò)展其它各種數(shù)據(jù)接口。光纖光譜儀模塊的電子測(cè)控采用雙處理器技術(shù)，其中一個(gè)微處理器A專門用來實(shí)現(xiàn)陣列檢測(cè)器時(shí)序的產(chǎn)生與控制、A/D轉(zhuǎn)換器的控制、光譜數(shù)據(jù)的采集處理與傳輸，提高光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量速度，并保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；另一個(gè)微處理器B則用來設(shè)置輻射儀的測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)、恒溫控制、GPS參數(shù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并與PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)輻射數(shù)據(jù)的傳輸功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分配置穩(wěn)定的、大容量的閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由微處理器B控制其工作流程，可以存儲(chǔ)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，防止有價(jià)值的數(shù)據(jù)遺失，無需在工作時(shí)外置計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)接口部分分為有線方式和無線方式兩種形式。所述的有線方式可以采用RS485、RS422、RS232、USB、CAN等多種形式實(shí)現(xiàn)；所述的無線方式可以采用通用的藍(lán)牙技術(shù)、射頻技術(shù)、GPRS、衛(wèi)星DCP通信等多種傳輸方式實(shí)現(xiàn)，方便用戶在需要時(shí)實(shí)時(shí)查看太陽光譜數(shù)據(jù)。光纖光譜儀模塊單元中的數(shù)據(jù)接口可以實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且使儀器具有組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域多個(gè)太陽輻射測(cè)量儀組群進(jìn)行實(shí)時(shí)、同步測(cè)量，從而獲取這一空間的太陽輻射梯度隨時(shí)空變化的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)于太陽能資源評(píng)估等相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。供電電源部分配備內(nèi)置可充電電池如鋰電池為儀器供電，同時(shí)還配備專用外接電源接口，可由外部提供直流電源為儀器供電。外部直流電源又可以是來源于太陽能電池板的電壓經(jīng)穩(wěn)壓處理后供給儀器使用，還可以是由交流市電經(jīng)通用電路處理后供給儀器使用，該部分提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性。儀器的軟件系統(tǒng)包括底層驅(qū)動(dòng)軟件、頂層操作軟件、儀器與PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸接口軟件三部分。底層驅(qū)動(dòng)軟件的主要功能有:Ca)通過處理器A的多個(gè)I/O端口來控制陣列檢測(cè)器的各種邏輯狀態(tài)；(b)通過處理器A的地址線和數(shù)據(jù)線來讀取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；(c)通過微處理器B的通訊接口來接受PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)來的命令，或者向PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心傳送光譜輻射數(shù)據(jù)；(d)通過儀器跳線的設(shè)置來判斷并啟動(dòng)自升級(jí)功能。頂層操作軟件及數(shù)據(jù)傳輸接口軟件基于Windows平臺(tái)編制,包括3個(gè)部分:(a)底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；(b)PC機(jī)控制/操作軟件；(C)儀器二次開發(fā)軟件接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成儀器的基本操作功能，如儀器狀態(tài)監(jiān)控、陣列檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集處理等。PC機(jī)控制軟件通過底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來控制、操作儀器。儀器的二次開發(fā)軟件接口采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式提供，主要包括查詢儀器狀態(tài)、發(fā)送命令、讀取數(shù)據(jù)這三項(xiàng)功能。為實(shí)現(xiàn)儀器全天候運(yùn)行的目標(biāo)，光、電腔體完全密閉并保持干燥，并在儀器的光纖光譜儀模塊單元底部增加恒溫控制單元，所有對(duì)溫度敏感的光電元件均置于恒溫的腔體內(nèi)。恒溫控制單元能夠保持光纖光譜儀模塊單元內(nèi)部含有的各種光學(xué)元件、陣列檢測(cè)器和電子元件構(gòu)成的光、電系統(tǒng)保持恒溫(大約25°C )，抑制光電器件的溫漂，大大改善測(cè)量靈敏度的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證光譜數(shù)據(jù)(輻射照度、波長)的一致性，滿足儀器野外使用的要求。恒溫控制單元含有加熱和致冷兩部分，該單元采用通用的PID控制技術(shù)自動(dòng)控制光纖光譜儀模塊單元的工作環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于正常值時(shí)，加熱部分開始工作；當(dāng)環(huán)境溫度高于正常值時(shí)，致冷部分啟動(dòng)珀?duì)栙N半導(dǎo)體致冷器件開始工作。內(nèi)置的GPS模塊還可以自動(dòng)記錄每次測(cè)量的經(jīng)度、緯度和時(shí)間，有利于在數(shù)據(jù)分析時(shí)為用戶提供更加豐富的有用信息。所述的殼體形狀為圓筒型或方形，采用機(jī)加工藝制作。殼體具有防水、防塵、防結(jié)露等功能。光纖光譜儀模塊腔體采用低應(yīng)力的鋁質(zhì)材料加工而成，并分為光學(xué)和電學(xué)兩個(gè)腔體，光學(xué)部件與電學(xué)器件分腔放置。在光學(xué)腔體中，分光器件、陣列檢測(cè)器及其微電路被牢固地固定光學(xué)底座上，腔內(nèi)無任何其它電子元件；在電學(xué)腔體中，放置電路板和電學(xué)器件。這樣，既提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電子學(xué)系統(tǒng)的抗干擾能力，又使光學(xué)部件和電學(xué)器件的調(diào)試過程互不干擾。本發(fā)明的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀的工作過程可以歸納為下面的步驟:
步驟1:啟動(dòng)儀器，儀器自動(dòng)進(jìn)行初始化。利用內(nèi)置的GPS模塊單元判斷當(dāng)?shù)貢r(shí)間；步驟2:若時(shí)間處于當(dāng)?shù)厝粘?日落時(shí)間范圍，則儀器啟動(dòng)恒溫控制單元。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定后，設(shè)置陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間至最小值，打開光學(xué)系統(tǒng)的快門，某一時(shí)刻從太陽發(fā)出的所有波長的光輻射通過雙重防護(hù)罩入射到漫透射板，經(jīng)過漫透射板的均勻混合，消除入射光的方向性誤差(即余弦效應(yīng));步驟3:漫透射板接收的光輻射經(jīng)過濾光片選擇測(cè)量波段，再利用螺紋透鏡聚焦到光纖入口(即第一光纖接口處)，通過標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線耦合傳輸，進(jìn)入光纖光譜儀模塊單元的光學(xué)輸入接口，成為點(diǎn)光源；步驟4:點(diǎn)光源發(fā)出的光輻射信號(hào)照射至準(zhǔn)直鏡成為平行光線，再投射到光柵表面，經(jīng)過光柵色散分開后反射到成像鏡，經(jīng)成像鏡反射到陣列檢測(cè)器的光敏面上并依次按照波長大小排列，每個(gè)像元的位置對(duì)應(yīng)于光譜信號(hào)不同的波長。陣列檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，每個(gè)像元累積的電荷量正比于該波長處所接收的光譜輻射能量，即正比于輻射照度[W/m2nm]*積分時(shí)間[sec]，也即儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)采集電路采集的數(shù)字信號(hào)(簡稱ADC值)；步驟5:第一微處理器A利用其數(shù)字端口嚴(yán)格控制陣列檢測(cè)器的時(shí)序和門控等信號(hào)，使得陣列檢測(cè)器信號(hào)輸出的時(shí)序與其光敏元位置的順序一一對(duì)應(yīng)。在控制信號(hào)的作用下，數(shù)據(jù)采集電路對(duì)陣列檢測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行順序采樣，獲得各個(gè)波長處的、代表光譜輻射能量高低的數(shù)字信號(hào)(ADC值)。于是，有如下公式:光福射能量[J/cm2]=ADC值=K(A)福射照度[W/cm2]*積分時(shí)間[sec]式中，K ( λ )是照度標(biāo)定系數(shù)，積分時(shí)間是光照射到陣列檢測(cè)器的各個(gè)象元上，電荷在各個(gè)象元累積的時(shí)間(即受光時(shí)間);步驟6:儀器根據(jù)該數(shù)字信號(hào)的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間，直到獲得合適的數(shù)字信號(hào)；步驟7:調(diào)節(jié)陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間為最佳值，獲得該條件下的光譜輻射強(qiáng)度。然后關(guān)閉快門，測(cè)量背景信號(hào)強(qiáng)度；步驟8:第二微處理器B首先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，于是根據(jù)采樣的順序，就可以獲得光譜信號(hào)所在的波長，而每個(gè)象元處的數(shù)字信號(hào)(ADC值)則代表該波長處的光輻射能量值。利用下列公式:
輻射照度
積分時(shí)間X[ CA)即可獲得每個(gè)波長點(diǎn)處的太陽光譜輻射照度值。步驟9:上述測(cè)量數(shù)據(jù)由第二微處理器B預(yù)處理后暫存至閃存存儲(chǔ)器(即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)內(nèi)，可分時(shí)段、分批或?qū)崟r(shí)由輸出接口傳送至計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心進(jìn)行處理、顯示、分析和歸檔，利用不同的數(shù)據(jù)處理方式，獲得輻射照度的二維譜圖或三維譜圖。
本發(fā)明的儀器選用不同的濾光片3、和相應(yīng)的防護(hù)罩1、透鏡4、陣列檢測(cè)器11等，可以測(cè)量紫外、可見、近紅外和紅外四個(gè)波段的太陽輻射照度。紫外波段波長范圍:300 400nm ;可見近紅外波段波長范圍:350 IOOOnm ;近紅外波段波長范圍:900 1700nm ;紅外波段波長范圍:1500 2500nm。本發(fā)明的意義與優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明的輻射測(cè)量儀利用陣列檢測(cè)器與光譜測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，既可獲得某一時(shí)刻輻射照度-波長的二維譜圖，還可獲得輻射照度-波長-時(shí)間的三維譜圖，數(shù)據(jù)信息量將更加豐富，這對(duì)于不斷變化的太陽光譜輻射測(cè)量具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，可適應(yīng)氣象觀測(cè)、太陽能資源評(píng)估、大氣污染檢測(cè)、大氣光學(xué)研究、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及生態(tài)安全研究等不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。2、儀器采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)和全封閉、全固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動(dòng)部件，極大地提高輻射照度與波長的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。3、儀器的光學(xué)系統(tǒng)與電子學(xué)系統(tǒng)高度集成，內(nèi)置MCU (即微處理器)，體積更小，便于攜帶，允許儀器在無外部PC機(jī)的條件下自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、記錄。內(nèi)置恒溫控制模塊，有利于實(shí)現(xiàn)室外連續(xù)觀測(cè)。4、數(shù)據(jù)接口具有有線和無線雙重傳輸功能，組網(wǎng)方便，適合大范圍太陽輻射照度變化梯度的研究應(yīng)用。5、儀器的測(cè)量靈敏度能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)不同強(qiáng)度的輻射照度的觀測(cè)。


圖1、本發(fā)明的太陽輻射照度測(cè)量儀原理框圖。圖2、本發(fā)明的光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元構(gòu)成及連接的示意圖。圖3、本發(fā)明的電子學(xué)系統(tǒng)原理框圖。圖4、由本發(fā)明太陽輻射照度測(cè)量儀獲得的二維譜圖。圖5、由本發(fā)明太陽輻射照度測(cè)量儀獲得的三維譜圖。圖6、本發(fā)明的太陽輻射照度測(cè)量儀的外觀圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明儀器的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明?；诒景l(fā)明的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀器，其原理框圖如圖1所示。本發(fā)明的儀器采用光學(xué)色散方法，基于光譜測(cè)量、陣列檢測(cè)器、ARM微處理器為核心技術(shù)，構(gòu)成光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀器。該儀器包括:光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元、GPS模塊單元、恒溫控制單元及殼體等單元組成。其中光學(xué)接收單元位于殼體的頂部，用來接收、處理來自太陽的光輻射信號(hào)；光學(xué)耦合單元利用標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線連接光學(xué)接收單元的輸出接口與光纖光譜儀模塊單元的輸入接口 ；光纖光譜儀模塊單元位于殼體的中央，含有光學(xué)系統(tǒng)、陣列檢測(cè)器、電路系統(tǒng)、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)接口和供電電源等部分，光纖光譜儀模塊的輸入接口接收來自光學(xué)接收單元的太陽輻射信號(hào)，其輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)可暫存至其內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，還可以經(jīng)其數(shù)據(jù)接口部分以有線或無線方式傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集控制中心。GPS模塊的數(shù)據(jù)接口與光纖光譜儀模塊的控制系統(tǒng)連接并由模塊內(nèi)部的微處理器控制；恒溫控制單元在光纖光譜儀模塊單元的底部，保證儀器在室外工作時(shí)，光纖光譜儀模塊單元的工作溫度處于安全范圍之內(nèi)。殼體內(nèi)部放置光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元、GPS模塊單元、恒溫控制單元等。所述的光學(xué)接收單元(參見圖2)由半球狀雙層防護(hù)罩1、漫透射片2、濾光片3、透鏡4構(gòu)成。所述半球狀雙層防護(hù)罩I根據(jù)測(cè)量波段不同，可采用石英玻璃罩、普通玻璃罩。其中，紫外波段的儀器采用石英材質(zhì)的紫外光學(xué)石英玻璃罩，如JGS2牌號(hào)的石英材料，滿足紫外光譜輻射能量高效地通過防護(hù)罩；可見光波段與近紅外波段的儀器采用普通玻璃罩即可滿足使用要求；紅外波段的儀器采用紅外光學(xué)石英玻璃罩，如JGS3牌號(hào)的石英材料。半球狀防護(hù)罩I防止灰塵、潮氣進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，并且使得各個(gè)方向入射的太陽輻射均有相同的透過率，其內(nèi)部抽成真空狀態(tài)，以防止結(jié)露，影響測(cè)量結(jié)果；所述的漫透射片2可以采用含有細(xì)小石英顆粒的高純度的熔融石英玻璃片，或者選用含有微細(xì)氣泡的石英玻璃片，還可以選用合適厚度的聚四氟乙烯片，如Imm厚度的薄片。漫透射片2使從各個(gè)方向入射的太陽光產(chǎn)生散射或漫透射，使光線混合分布均勻，改善入射光輻射的角度特性(即相對(duì)于入射光角度的靈敏度特性)，實(shí)現(xiàn)太陽入射光輻射的全方位入射功能；所述濾光片3根據(jù)測(cè)量波段不同，可以采用低通濾光片、帶通濾光片、長通濾光片，用來適應(yīng)不同波段的太陽輻射測(cè)量；例如，紫外波段的儀器選用低通濾光片，削除強(qiáng)烈的可見光區(qū)對(duì)紫外測(cè)量的影響?？梢姽獠ǘ蔚膬x器利用帶通濾光片消除紫外區(qū)產(chǎn)生的二級(jí)、三級(jí)衍射光對(duì)可見光波段測(cè)量值的影響；近紅外波段的儀器同樣選用帶通濾光片，消除紫外、可見與紅外波段太陽輻射的影響；紅外波段的儀器選用長通濾光片，消除紅外以下波段的輻射對(duì)測(cè)量的影響。所述的透鏡4可以為石英透鏡，也可為螺紋透鏡，例如，紫外波段的儀器選用紫外光學(xué)石英玻璃透鏡，可見光波段與近紅外波段的儀器可以選用螺紋透鏡，螺紋透鏡由聚丙烯材料加工而成，紅外波段的儀器選用紅外光學(xué)石英玻璃透鏡。通過設(shè)計(jì)合理的光線接收角度和選用合適的漫透射片來解決太陽輻射信號(hào)的有效收集問題，實(shí)現(xiàn)高效收集太陽光譜輻射信號(hào)的目標(biāo)，確保儀器具有穩(wěn)定的測(cè)量靈敏度；光學(xué)接收單元通過采取防護(hù)罩、密封圈等技術(shù)措施，保證在各種氣候條件下儀器能夠正常進(jìn)行輻射觀測(cè)。所述的光學(xué)耦合單元(參見圖2)包括第一光纖接口、標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5和第二光纖接口。其中第一光纖接口實(shí)現(xiàn)光學(xué)接收單元與標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5的鏈接，第二光纖接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5與光纖光譜儀模塊的鏈接。標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線5兩端采用SMA905型標(biāo)準(zhǔn)接口，簡單、實(shí)用、方便、價(jià)廉。光學(xué)耦合單元主要實(shí)現(xiàn)太陽輻射信號(hào)與光纖光譜儀模塊之間的最佳光學(xué)匹配，提高福射信號(hào)傳輸效率。按照福射測(cè)量的不同波段，選擇信號(hào)損失小、傳輸效率高、硬度合適的、不同材質(zhì)的光纖跳線。例如，紫外和紅外波段的儀器選擇石英材質(zhì)的光纖跳線，可見光與近紅外波段的儀器選擇普通玻璃材質(zhì)的光纖跳線。所述的光纖光譜儀模塊單元置于殼體中央，光纖光譜儀模塊單元包括光學(xué)系統(tǒng)(參見圖2)、陣列檢測(cè)器11、電路系統(tǒng)、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)接口和供電電源等部分。其中光學(xué)系統(tǒng)部分又含有光纖接口、入射狹縫6、快門7、準(zhǔn)直鏡8、光柵9、成像鏡10等。光纖接口為SMA905標(biāo)準(zhǔn)形式，入射狹縫6為固定寬度的、由機(jī)械加工工藝或光刻工藝實(shí)現(xiàn)的元件，快門7為電磁驅(qū)動(dòng)的通用微型電氣元件，準(zhǔn)直鏡8、光柵9、成像鏡10等為市售通用光學(xué)元件。光學(xué)系統(tǒng)的光路為賽納一特納型通用光路，準(zhǔn)直鏡8、光柵9、成像鏡10等光學(xué)元件最好針對(duì)不同測(cè)量波段采用相應(yīng)的光學(xué)工藝制作。圖2中的陣列檢測(cè)器11的選擇要充分考慮到所測(cè)光譜波段范圍和光譜信號(hào)的強(qiáng)弱，選擇不同類型的光電陣列檢測(cè)器。在本發(fā)明中，由于需要測(cè)量的太陽輻射光譜主要集中在波長小于0.4 μ m的紫外波段，波長在0.40 μ m 0.75 μ m的可見光波段，波長在0.75
1.7μπι的近紅外，波長在1.5 2.5μπι的紅外波段。例如，在太陽輻射中，紫外輻射僅占太陽輻射總量的0.1%左右。因此，為了測(cè)量紫外區(qū)的太陽輻射，除了采用干涉濾光片3去除其余99.9%的其它光譜區(qū)域的光輻射能量外，還應(yīng)該采用紫外敏感的陣列檢測(cè)器，如背照型紫外增強(qiáng)二極管陣列檢測(cè)器，典型器件如浜松公司生產(chǎn)的S3924-1024Q型(1024像元)或PE公司的RL2048DKQ型；對(duì)于可見區(qū)輻射測(cè)量儀器，通常選擇線陣CXD傳感器，典型器件如索尼公司生產(chǎn)的ILX554B型(2048象元)或東芝的T⑶1304ΑΡ型；對(duì)于近紅外與紅外區(qū)輻射測(cè)量儀器，選用紅外敏感的陣列檢測(cè)器如InGaAs陣列檢測(cè)器，典型器件如浜松公司的G9204-512D 型(512 像素)。參見圖3，陣列檢測(cè)器11的輸出模擬信號(hào)采用通用的高速運(yùn)算放大器進(jìn)行處理、放大。光譜數(shù)據(jù)的采集選用通用的高速A/D轉(zhuǎn)換器，提高電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速度。圖3中的微處理器可以采用通用的ARM系列，高性能32位精簡指令集架構(gòu)，具有高性能/功耗比和嵌入式電路仿真功能，運(yùn)行頻率可達(dá)55MHz，并且具有USB2.0全速接口或擴(kuò)展其它各種數(shù)據(jù)接口。圖3中，光纖光譜儀模塊的電子測(cè)控系統(tǒng)采用雙處理器技術(shù)，其中一個(gè)微處理器A專門用來實(shí)現(xiàn)陣列檢測(cè)器11時(shí)序的產(chǎn)生與控制、A/D轉(zhuǎn)換器的控制、光譜數(shù)據(jù)的采集處理與傳輸，提高光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量速度，并保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；另一個(gè)微處理器B則用來設(shè)置輻射儀的測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)、恒溫控制、GPS參數(shù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并與PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)輻射數(shù)據(jù)的傳輸功能。圖3中，光纖光譜儀模塊單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分可以配置穩(wěn)定的、大容量的閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由微處理器B控制其工作流程，可以存儲(chǔ)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，防止有價(jià)值的數(shù)據(jù)遺失，無需在工作時(shí)外置計(jì)算機(jī)。圖3中，光纖光譜儀模塊單元的數(shù)據(jù)接口部分分為有線方式和無線方式兩種形式。所述的有線方式可以采用通用的RS485、RS422、RS232、USB、CAN等多種形式實(shí)現(xiàn)；所述的無線方式可以采用通用的藍(lán)牙技術(shù)、射頻技術(shù)、GPRS、衛(wèi)星DCP通信等多種傳輸方式實(shí)現(xiàn)，方便用戶在需要時(shí)實(shí)時(shí)查看太陽光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口可以實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且使儀器具有組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域多個(gè)太陽輻射測(cè)量儀組群進(jìn)行實(shí)時(shí)、同步測(cè)量，從而獲取這一空間的太陽輻射梯度隨時(shí)空變化的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)于太陽能資源評(píng)估等相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。光纖光譜儀模塊單元的供電電源部分配備內(nèi)置可充電電池如鋰電池為儀器供電，同時(shí)還配備專用電源接口，可由外部提供直流電源為儀器供電。外部直流電源又可以是來源于太陽能電池板的電壓經(jīng)穩(wěn)壓處理后供給儀器使用，還可以是由交流市電經(jīng)通用電路處理后供給儀器使用。該部分提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性。為了滿足電池供電的目標(biāo)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選用、參數(shù)選擇等方面進(jìn)行低電流設(shè)計(jì)、低電壓設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)。例如，陣列檢測(cè)器的輸出信號(hào)預(yù)處理用的放大器可選用典型的器件如AD8042型高速運(yùn)算放大器，其電源可以采用單電壓5V供電，功耗只有50mW左右。A/D轉(zhuǎn)換器采用典型的器件如AD9220型高速低功耗轉(zhuǎn)換器，其最大轉(zhuǎn)換速率為IOM/秒，最大功耗低于250mW。儀器的軟件系統(tǒng)包括底層驅(qū)動(dòng)軟件、頂層操作軟件、儀器與PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸接口軟件三部分。底層驅(qū)動(dòng)軟件的主要功能有:Ca)通過處理器A的多個(gè)I/O端口來控制陣列檢測(cè)器的各種邏輯狀態(tài)；(b)通過處理器A的地址線和數(shù)據(jù)線來讀取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；(c)通過微處理器B的通訊接口來接受PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)來的命令，或者向PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心傳送光譜輻射數(shù)據(jù)；(d)通過儀器跳線的設(shè)置來判斷并啟動(dòng)自升級(jí)功能。頂層操作軟件及數(shù)據(jù)傳輸接口軟件基于Windows平臺(tái)編制,包括3個(gè)部分:(a)底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；(b)PC機(jī)控制/操作軟件；(C)儀器二次開發(fā)軟件接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成儀器的基本操作功能，如儀器狀態(tài)監(jiān)控、陣列檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集處理等。PC機(jī)控制軟件通過底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來控制、操作儀器。儀器的二次開發(fā)軟件接口采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式提供，主要包括查詢儀器狀態(tài)、發(fā)送命令、讀取數(shù)據(jù)這三項(xiàng)功能。為實(shí)現(xiàn)儀器全天候運(yùn)行的目標(biāo)，光電腔體完全密閉并保持干燥，并在儀器的光纖光譜儀模塊單元底部增加恒溫控制單元，所有對(duì)溫度敏感的光電元件均置于恒溫的腔體內(nèi)。恒溫控制單元能夠保持光纖光譜儀模塊單元內(nèi)部含有的各種光學(xué)元件、陣列檢測(cè)器和電子元件構(gòu)成的光電系統(tǒng)保持恒溫(大約25°C )，抑制光電器件的溫漂，大大改善測(cè)量靈敏度的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證光譜數(shù)據(jù)(輻射照度、波長)的一致性，滿足儀器野外使用的要求。恒溫控制單元含有加熱和致冷兩部分，該單元采用通用的PID控制技術(shù)自動(dòng)控制光纖光譜儀模塊單元的工作環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于正常值時(shí)，加熱部分開始工作；當(dāng)環(huán)境溫度高于正常值時(shí)，致冷部分啟動(dòng)珀?duì)栙N半導(dǎo)體致冷器件開始工作。內(nèi)置的GPS模塊還可以自動(dòng)記錄每次光譜測(cè)量的經(jīng)度、緯度和時(shí)間，有利于在數(shù)據(jù)分析時(shí)為用戶提供更加豐富的有用信息。圖6給出太陽輻射照度測(cè)量儀的外觀圖。大體上說明殼體上方有半球形的防護(hù)罩I和遮光罩；在外殼內(nèi)可以裝入干燥劑；接線口即數(shù)據(jù)接口，用于連接計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心，實(shí)現(xiàn)太陽輻射照度測(cè)量儀與計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸；水平泡、固定底腳、可調(diào)底腳用于調(diào)節(jié)測(cè)量儀的水平狀態(tài)。所述的殼體形狀為圓筒型或方形，采用機(jī)加工藝制作。殼體具有防水、防塵、防結(jié)露等功能。光纖光譜儀模塊腔體采用低應(yīng)力的鋁質(zhì)材料加工而成，并分為光學(xué)和電學(xué)兩個(gè)腔體，光學(xué)部件與電學(xué)器件分腔放置。在光學(xué)腔體中，分光器件、陣列檢測(cè)器及其微電路被牢固地固定光學(xué)底座上，腔內(nèi)無任何其它電子元件；在電學(xué)腔體中，放置電路板和電學(xué)器件。這樣，既提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電子學(xué)系統(tǒng)的抗干擾能力，又使光學(xué)部件和電學(xué)器件的調(diào)試過程互不干擾。實(shí)施例2對(duì)本發(fā)明的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀的工作原理進(jìn)行說明。本發(fā)明的工作原理和工作過程包括:步驟1:啟動(dòng)儀器，儀器自動(dòng)進(jìn)行初始化。利用內(nèi)置的GPS模塊單元判斷當(dāng)?shù)貢r(shí)間；步驟2:若時(shí)間處于當(dāng)?shù)厝粘?日落時(shí)間范圍，則儀器啟動(dòng)恒溫控制單元。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定后，設(shè)置陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間至最小值，打開光學(xué)系統(tǒng)的快門，某一時(shí)刻從太陽發(fā)出的所有波長的光輻射通過雙重防護(hù)罩入射到漫透射板，經(jīng)過漫透射板的均勻混合，消除入射光的方向性誤差(即余弦效應(yīng));步驟3:漫透射板接收的光輻射經(jīng)過濾光片選擇測(cè)量波段，再利用螺紋透鏡聚焦到光纖入口，通過標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線耦合傳輸，進(jìn)入光纖光譜儀模塊的光學(xué)輸入接口，成為點(diǎn)光源；步驟4:點(diǎn)光源發(fā)出的光輻射信號(hào)照射至準(zhǔn)直物鏡成為平行光線，再投射到光柵表面，經(jīng)過光柵色散分開后反射到成像物鏡，經(jīng)成像物鏡反射到陣列檢測(cè)器的光敏面上并依次按照波長大小排列，每個(gè)像元的位置對(duì)應(yīng)于光譜信號(hào)不同的波長。陣列檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，每個(gè)像元累積的電荷量正比于該波長處所接收的光譜輻射能量，即正比于輻射照度[W/m2nm]*積分時(shí)間[sec]，也即儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)采集電路采集的數(shù)字信號(hào)(簡稱ADC值)；步驟5:第一微處理器A利用其數(shù)字端口嚴(yán)格控制陣列檢測(cè)器的時(shí)序和門控等信號(hào)，使得陣列檢測(cè)器信號(hào)輸出的時(shí)序與其光敏元位置的順序一一對(duì)應(yīng)。在控制信號(hào)的作用下，數(shù)據(jù)采集電路對(duì)陣列檢測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行順序采樣，獲得各個(gè)波長處的、代表光譜輻射能量高低的數(shù)字信號(hào)(ADC值)。于是，有如下公式:福射通量=光福射能量[J/m2] =ADC值=K (λ)輻射照度[W/m2]*積分時(shí)間[sec]式中，K ( λ )是照度標(biāo)定系數(shù)，積分時(shí)間是光照射到陣列檢測(cè)器的各個(gè)象元上，電荷在各個(gè)象元累積的時(shí)間(即受光時(shí)間);步驟6:儀器根據(jù)該數(shù)字信號(hào)的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間，直到獲得合適的數(shù)字信號(hào)；步驟7:調(diào)節(jié)陣列檢測(cè)器的積分時(shí)間為最佳值，獲得該條件下的光譜輻射強(qiáng)度。然后關(guān)閉快門，測(cè)量背景信號(hào)強(qiáng)度；步驟8:第二微處理器B首先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，于是根據(jù)采樣的順序，就可以獲得光譜信號(hào)所在的波長，而每個(gè)象元處的數(shù)字信號(hào)(ADC值)則代表該波長處的光輻射能量值。利用照度標(biāo)定系數(shù)Κ( λ)及下列公式:
權(quán)利要求
1.一種光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，結(jié)構(gòu)包括以下單元:光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元及殼體，光學(xué)接收單元接收、處理的太陽光輻射信號(hào)經(jīng)光學(xué)耦合單元傳輸至光纖光譜儀模塊單元，并存儲(chǔ)在光纖光譜儀模塊單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分； 所述的光學(xué)接收單元位于殼體頂部，由半球狀雙層防護(hù)罩(I)、漫透射片(2)、濾光片(3)、透鏡(4)按接收太陽輻射順序構(gòu)成；其中的濾光片(3)采用低通濾光片、帶通濾光片或長通濾光片； 所述的光學(xué)耦合單元，由第一光纖接口、標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線(5)和第二光纖接口構(gòu)成；其中第一光纖接口實(shí)現(xiàn)光學(xué)接收單元與標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線(5)的鏈接，第二光纖接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線(5)與光纖光譜儀模塊單元的鏈接； 所述的光纖光譜儀模塊單元，位于殼體中央；含有光學(xué)系統(tǒng)、陣列檢測(cè)器(11)、電路系統(tǒng)、微處理器和供電電源部分；其中的光學(xué)系統(tǒng)按光路順序有光纖輸入接口、入射狹縫(6)、快門(7)、準(zhǔn)直鏡(8)、光柵(9)、成像鏡(10);光纖輸入接口與光學(xué)稱合單兀的第二光纖接口相接；其中的陣列檢測(cè)器(11)接收成像鏡(10)的光信號(hào)；陣列檢測(cè)器(11)是紫外敏感的陣列檢測(cè)器、線陣CCD傳感器或紅外敏感的陣列檢測(cè)器；其中的電路系統(tǒng)，主要由信號(hào)預(yù)處理電路、增益自動(dòng)控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成；陣列檢測(cè)器(11)的輸出模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路處理、增益自動(dòng)控制電路放大和A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換，將輻射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；其中的微處理器，實(shí)現(xiàn)陣列檢測(cè)器(11)時(shí)序的產(chǎn)生與控制、A/D轉(zhuǎn)換器的控制、并控制光譜數(shù)據(jù)的采集處理、設(shè)置測(cè)量參數(shù)、輻射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸；其中的供電電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路和微處理器的供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，結(jié)構(gòu)還有恒溫控制單元，結(jié)構(gòu)含有加熱和致冷兩部分，對(duì)溫度敏感的光電元件均置于恒溫的腔體內(nèi)；采用PID控制技術(shù)由微處理器自動(dòng)控制光纖光譜儀模塊單兀的工作環(huán)境溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，結(jié)構(gòu)還有GPS模塊單元；GPS模塊的數(shù)據(jù)接口與光纖光譜儀模塊中的微處理器連接并由微處理器控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，所述的紫外敏感的陣列檢測(cè)器，是背照型紫外增強(qiáng)陣列檢測(cè)器；所述的紅外敏感的陣列檢測(cè)器，是InGaAs陣列檢測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)接口，能夠連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集控制中心，實(shí)現(xiàn)光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀與計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集控制中心之間的以有線或無線方式的數(shù)據(jù)傳輸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，所述的防護(hù)罩(1)，是雙層的半球狀防護(hù)罩(1)，安裝殼體的上端面之上，在防護(hù)罩(I)的圓口端與殼體之間裝有密封圈；防護(hù)罩(I)內(nèi)抽成真空狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)，分別裝在外殼內(nèi)設(shè)置的光學(xué)腔體和電學(xué)腔體中；在殼體內(nèi)按自下而上順序放置恒溫控制單元、電學(xué)腔體和光學(xué)腔體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，其特征在于，所述的供電電源，配備內(nèi)置可充電電池和/或配置專用外接電源接口。
全文摘要
本發(fā)明的光譜型太陽輻射照度測(cè)量儀，涉及照度測(cè)量與信息處理的技術(shù)領(lǐng)域。測(cè)量儀由光學(xué)接收單元、光學(xué)耦合單元、光纖光譜儀模塊單元、GPS模塊單元、恒溫控制單元及殼體等構(gòu)成。本發(fā)明采用透鏡匯聚太陽輻射、光纖束傳輸、光柵分光、陣列檢測(cè)器等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫外、可見、近紅外和紅外等波段的太陽輻射照度測(cè)量，并通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有線或無線傳輸。本發(fā)明是具有波長分辨功能的高分辨率的太陽輻射觀測(cè)儀器，能夠獲得某一時(shí)刻輻射照度-波長的二維譜圖，也可以獲得輻射照度-波長-時(shí)間的三維譜圖，數(shù)據(jù)信息量豐富，在氣象觀測(cè)、太陽能資源評(píng)估、大氣污染檢測(cè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及生態(tài)安全研究等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01J3/30GK103207016SQ201210590678
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者曹彥波, 呂文華, 于愛民, 費(fèi)強(qiáng), 宋大千, 陳保衛(wèi), 曹博成 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)