本發(fā)明涉及一種太陽輻射計，尤其是一種全光纖激光外差太陽輻射計。

背景技術(shù)：
高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)是研究地球大氣的重要數(shù)據(jù)，可用于計算大氣的透過率、大氣成分的垂直廓線等。由于太陽光譜信號的光譜分辨率對計算結(jié)果的精度有著很大的影響，故對高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)的獲取對于地球大氣輻射、溫室效應(yīng)、天氣預(yù)報等方面的研究有著重要的意義。目前，常用的地基測量太陽光譜的裝置多如2006年6月出版的《紅外》期刊第27卷第6期“太陽輻射計”一文中所介紹的直接太陽輻射計。該直接太陽輻射計主要由相互連接的太陽跟蹤裝置、探測器和數(shù)據(jù)處理器組成；測量時，探測器將太陽跟蹤裝置傳來的太陽光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并送往數(shù)據(jù)處理器，由其計算出所需的數(shù)據(jù)結(jié)果。這種直接太陽輻射計存在著測定的太陽光譜的分辨率不高之不足。為獲得高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)，也有使用傅立葉變換光譜儀的；但這卻使測量設(shè)備的體積很大和需較高的功耗，以及較長的測量時間，極不利于實現(xiàn)高分辨率太陽光譜的實時測量和測量設(shè)備便攜機動的應(yīng)用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種既能測得高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)，又體積小、使用方便的全光纖激光外差太陽輻射計。為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：全光纖激光外差太陽輻射計包括與太陽跟蹤器連接的探測器和數(shù)據(jù)處理器，特別是，所述太陽跟蹤器的輸出端經(jīng)第一光纖與光纖合束器的一個輸入端連接，所述光纖合束器的輸出端經(jīng)第二光纖與高速外差探測器連接，所述高速外差探測器依次經(jīng)射頻處理器、鎖相放大器、采集器與數(shù)據(jù)處理器電連接，所述太陽跟蹤器的輸出端還經(jīng)斬波器與鎖相放大器連接，用于得到高信噪比的外差信號；所述太陽輻射計還含有可調(diào)諧窄線寬激光器，所述可調(diào)諧窄線寬激光器的輸出端經(jīng)第三光纖與光纖分束器的輸入端連接，所述光纖分束器的一個輸出端經(jīng)第四光纖與所述光纖合束器的另一個輸入端連接，光纖分束器的另一個輸出端經(jīng)第五光纖、分束鏡、光學(xué)標(biāo)準具與光電探測器連接，所述光電探測器經(jīng)采集器與數(shù)據(jù)處理器電連接，所述分束鏡的反射光路上置有其輸出端與數(shù)據(jù)處理器電連接的波長計，用于提供本振光和獲取本振光實時輸出的波長；所述數(shù)據(jù)處理器為計算機，其輸出端與可調(diào)諧窄線寬激光器的輸入端電連接，用于調(diào)諧窄線寬激光器的輸出，并由得到的高信噪比的外差信號和獲取的本振光實時輸出的波長得出太陽光在調(diào)諧范圍內(nèi)的光譜。作為全光纖激光外差太陽輻射計的進一步改進：優(yōu)選地，光纖合束器為中紅外光纖合束器。優(yōu)選地，高速外差探測器為碲鎘汞高速光電探測器，或銦鎵砷高速光電探測器。優(yōu)選地，第二光纖與高速外差探測器間置有第一聚焦透鏡；利于提升探測的精度。優(yōu)選地，射頻處理器含有帶通濾波器和平方率探測器；以便于限制電路帶寬和檢測信號功率。優(yōu)選地，可調(diào)諧窄線寬激光器為量子級聯(lián)激光器，或帶間級聯(lián)激光器，或近紅外分布反饋激光器。優(yōu)選地，光纖分束器的分束比為98％：2％，其中，98％的光送往光纖合束器。優(yōu)選地，分束鏡的分束比為30～70％：30～70％。優(yōu)選地，光學(xué)標(biāo)準具與光電探測器間置有第二聚焦透鏡；利于提升探測的精度。優(yōu)選地，第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖和第五光纖均為空芯光纖；利于降低傳輸損耗。相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：采用這樣的結(jié)構(gòu)后，全光纖激光外差太陽輻射計既由于使用了外差探測方式，而極大地提高了測量的信噪比和光譜分辨率，使光譜分辨率高達0.005cm-1，遠高于現(xiàn)有技術(shù)的1cm-1；還因在光路的耦合上使用了光纖，并使用了光纖合束器和分束器進行光路的匹配，大大地減小了儀器的體積和提高了運行的可靠性；更有著功耗低、測量時間短的優(yōu)勢；使其極易于便捷地實時測量高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)。其中，激光外差探測方式實現(xiàn)的機理為，信號光(太陽光)和本振光(激光)通過合束器進行光匹配后，照射到光電探測器上由其進行探測。光電探測器是對光場中電場部分的探測，其響應(yīng)特性是平方率關(guān)系，即：光電探測器輸出的光電流正比于電場的平方。假定兩束光都為單色光，本振光Elo＝Alocosωlot，信號光Es＝Ascosωst。光電探測器探測到的電流輸出為：i＝α(Alocosωlot+Ascosωst)2(1)忽略高頻項，則(1)式簡化為：其中，直流部分等效于idc＝a(Plo+Ps)，其中的Plo為本振光的功率，Ps為信號光的功率。第三部分AloAscos(ωlo-ωs)t的頻率是本振光與信號光的光頻率的頻率差，此部分即為外差信號。外差信號的大小正比于本振光和信號光的強度，外差信號既反映了本振光所包含的信息也反映了信號光所包含的信息。當(dāng)本振光的狀態(tài)(強度、波長、相位等)已知時，通過外差信號就可以直接反推出信號光所包含的信息。當(dāng)本振光的能量遠大于信號光的能量時，外差探測相當(dāng)于使用本振光對信號光進行了放大。相對于普通的直接探測方式，外差探測方式有效地提高了對微弱信號光的探測能力。在本專利申請中，以透過整層大氣的太陽光作為信號光，到達地表的太陽光可以等效為經(jīng)過氣體吸收的黑體輻射。與窄線寬的本振光不同，黑體輻射是一種寬帶光，從紫外到紅外波段都有著較強的輻射。以窄帶激光為本振光，寬帶光為信號光的外差探測中，寬帶光可以等效為單色光波列的集合，外差探測所得到的信號是所有單色光與本振光形成外差信號的累加。外差信號在頻域上呈寬帶分布，特定頻率區(qū)間上的功率譜密度與對應(yīng)光學(xué)頻率區(qū)間上太陽光的功率有關(guān)。測量出該頻率區(qū)間上的外差信號功率，就可以反推出相對應(yīng)光學(xué)頻率區(qū)間上太陽光的功率。從式(2)可以得知，外差信號的頻率與本振光的光學(xué)頻率是相互一一對應(yīng)的，所以激光外差系統(tǒng)的帶寬直接由外差系統(tǒng)的電路帶寬所決定，選用合適的濾波器可以將激光外差系統(tǒng)的帶寬限制在100MHz以下。附圖說明圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是使用本發(fā)明測得的整層大氣中水分子(H2O)和甲烷(CH4)分子的高分辨率吸收光譜圖之一，其光譜分辨率達到了0.003cm-1。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。參見圖1和圖2，全光纖激光外差太陽輻射計的構(gòu)成如下：太陽跟蹤器1的輸出端經(jīng)第一光纖2與光纖合束器3的一個輸入端連接，光纖合束器3的輸出端經(jīng)第二光纖4、第一聚焦透鏡5與高速外差探測器6連接，其中，光纖合束器3為中紅外光纖合束器，高速外差探測器6為碲鎘汞高速光電探測器(或銦鎵砷高速光電探測器)；高速外差探測器6依次經(jīng)射頻處理器20、鎖相放大器19、采集器18與數(shù)據(jù)處理器電連接，其中，射頻處理器20含有帶通濾波器和平方率探測器；太陽跟蹤器1的輸出端還經(jīng)斬波器21與鎖相放大器19連接，用于得到高信噪比的外差信號。太陽輻射計還含有可調(diào)諧窄線寬激光器7；其中，可調(diào)諧窄線寬激光器7為量子級聯(lián)激光器(或帶間級聯(lián)激光器，或近紅外分布反饋激光器)。該可調(diào)諧窄線寬激光器7的輸出端經(jīng)第三光纖8與光纖分束器9的輸入端連接；光纖分束器9的一個輸出端經(jīng)第四光纖10與光纖合束器3的另一個輸入端連接，光纖分束器9的另一個輸出端經(jīng)第五光纖11、分束鏡12、光學(xué)標(biāo)準具13、第二聚焦透鏡14與光電探測器15連接，其中，光纖分束器9的分束比為98％：2％，其中的98％的光送往光纖合束器3；光電探測器15經(jīng)采集器18與數(shù)據(jù)處理器電連接；分束鏡12的反射光路上置有其輸出端與數(shù)據(jù)處理器電連接的波長計17，其中，分束鏡12的分束比為50％:50％(可為30～70％：30～70％)；用于提供本振光和獲取本振光實時輸出的波長。上述第一光纖2、第二光纖4、第三光纖8、第四光纖10和第五光纖11均為空芯光纖。數(shù)據(jù)處理器為計算機16，其輸出端與可調(diào)諧窄線寬激光器7的輸入端電連接，用于調(diào)諧窄線寬激光器7的輸出，并由得到的高信噪比的外差信號和獲取的本振光實時輸出的波長得出太陽光在調(diào)諧范圍內(nèi)的光譜。使用時，置于戶外的太陽跟蹤器1自動鎖定太陽，并將接收到的太陽光分別經(jīng)第一光纖2送入光纖合束器3、經(jīng)斬波器21后送往鎖相放大器19?？烧{(diào)諧窄線寬激光器7在計算機16的調(diào)控下輸出的本振光經(jīng)第三光纖8送入光纖分束器9后，其中的98％的部分經(jīng)第四光纖10送入光纖合束器3，與太陽光耦合后經(jīng)第二光纖4、第一聚焦透鏡5送入高速外差探測器6中進行外差探測；2％的部分經(jīng)第五光纖11送往分束鏡12，分束鏡12又將2％中的一半光反射至波長計17、另一半經(jīng)光學(xué)標(biāo)準具13、第二聚焦透鏡14送入光電探測器15。波長計17輸出的本振光基準值、光學(xué)標(biāo)準具13經(jīng)光電探測器15輸出的本振光精確值送往計算機16后，由計算機16定標(biāo)出本振光實時輸出的波長。高速外差探測器6輸出的外差電信號經(jīng)射頻處理器20后，得到正比于該外差電信號強度的信號——與太陽光在該波長附近的光強成正比的信號。此信號經(jīng)其鎖相的參考信號由與太陽跟蹤器1連接的斬波器21給出的鎖相放大器19后，即得到了高信噪比的外差信號。計算機16調(diào)諧本振光的中心波長，并將本振光實時輸出的波長與高信噪比的外差信號一一對應(yīng)，就得到了如或近似于圖2所示的太陽光在該調(diào)諧范圍內(nèi)的高分辨率光譜。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的全光纖激光外差太陽輻射計進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。