可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪制造技术

技术编号:15688623 阅读:61 留言:0更新日期:2017-06-23 23:31
本发明专利技术公开了一种可用于长期自动观测的可见‑短波红外超光谱辐照度仪,包括光学系统、机械系统、电子学系统。光学系统包括积分球、导光光纤、三个分光探测单元、太阳跟踪模块。积分球上端开口,用于接收来自半球空间的光辐射,积分球入光口外围使用石英玻璃半球罩密封保护。积分球的出光孔处有光纤束。光纤束连接积分球和三个分光探测单元。太阳跟踪器实现对太阳全自动精密跟踪功能,它的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成。仪器通过二维转台和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。本发明专利技术可放置在野外长期自动运行,自动跟踪太阳并通过CAN总线设备发送测量数据。

Can be used for infrared and visible shortwave long-term automatic observation of hyper spectral irradiance meter

The invention discloses a method for long-term automatic observation of visible shortwave infrared hyperspectral irradiance meter, including optical system, mechanical system and electronic system. The optical system consists of an integrating sphere, a guiding optical fiber, three spectroscopic detection units, and a solar tracking module. Integral ball upper opening, for receiving the light radiation from the hemisphere space, integrating sphere light entrance peripheral cover seal protection using quartz glass. There is an optical fiber bundle at the aperture of the integrating sphere. The fiber bundle connects the integrating sphere and the three spectroscopic detection units. The sun tracker realizes the full automatic precision tracking of the sun. Its work consists of two steps, the program pre tracking and the four quadrant active precision tracking. The instrument tracks the sun accurately through the two-dimensional turntable and the four link mechanism, and realizes the automatic measurement of the total illuminance and diffuse illuminance of the sky. The invention can be placed in the field for long term automatic operation, automatically tracks the sun and transmits measurement data through the CAN bus device.

【技术实现步骤摘要】
可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪
本专利技术涉及光谱辐射度测量仪器领域,具体是一种可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪。
技术介绍
辐照度基法是场地外场定标的重要方法之一。由于场地外场定标的其它方法(如:反射率基法)在作辐射传输计算时对所选用的气溶胶模式需作某些假定,而辐照度基法因其观测结果的特点可减少由于这些假定而引入的不确定性。随着卫星工作波段的扩展、通道数目及光谱分辨率的增加,以往的现场辐照度观测由于自动化程度低、光谱分辨率低等因素限制了应用范围。针对高分卫星场地定标中辐照度基法的需求,设计了本专利技术即可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,用于场地太阳光谱的漫射照度和总辐照度的自动化精确观测。采用该仪器现场观测场地辐照度将显著提高观测数据质量,有利于减小辐照度基法的影响因素,进一步提高卫星的在轨定标精度。目前自动化场地定标方法正在兴起,要求采用无人值守、长期自动观测的仪器代替人工现场获取场地数据,此专利技术能够满足这些要求,用于场地太阳光谱的漫射照度和总辐照度的长期自动观测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,以解决现有技术测量全照度、漫射照度、直射照度及漫总比时自动化程度较低、光谱分辨率较低的问题。为了达到上述目的,本专利技术所采用的技术方案为:可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:包括由二维转台支撑的仪器外壳、设置在仪器外壳内的积分球,所述积分球的入光口设置在仪器外壳顶部用于接收空间的光辐射,仪器外壳顶部设有密封积分球入光口的石英玻璃半球罩,仪器外壳内设有导光光纤、三个分光探测单元,所述导光光纤具有单入射端和三个出射端,导光光纤的入射端耦合至积分球出光口,导光光纤的三个出射端一一对应耦合至三个分光探测单元,仪器外壳内还设有中心轴沿左右水平方向的转轴,转轴左、右端分别从仪器外壳对应侧穿出,转轴每个轴端分别共中心轴连接有圆盘,每个圆盘的外盘面上分别固定有中心轴沿前后水平方向的第一连杆,每个圆盘的外盘面上位于第一连杆固定点上方分别固定有太阳跟踪器,两组第一连杆前端分别延伸至仪器外壳前方,仪器外壳底部前侧还设有一对中心轴分别沿前后水平方向的第二连杆,两组第二连杆呈左右对称,每个第二连杆前端分别转动连接有第三连杆,第二连杆与对应的第三连杆共中心轴,每个第三连杆前端分别倾斜向后上方转动连接有第四连杆,两组第四连杆上端分别延伸至与积分球入光口处于同一水平面内,且第四连杆中部分别与对应侧的第一连杆前端转动连接,两组第四连杆上端相向沿左右水平方向弯折相同距离后,在两组第四连杆杆端之间连接有挡光球,且以挡光球的球心、积分球入光口中心、仪器底部左右两个转轴的中心这四个点构成的四边形始终为平行四边形,积分球入光口中心与仪器底部左侧转轴中心的连线、仪器底部左右两个转轴中心的连线、仪器底部右侧转轴中心与挡光球的球心的连线、挡光球的球心与积分球入光口中心的连线,这四条边构成四连杆机构。所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:所述的导光光纤为低OH-石英光纤,包括一个入射端和三个出射端,导光光纤覆盖三个光谱波段:400-1000nm,900-1700nm,1600-2500nm;积分球和三个分光探测单元通过导光光纤连接。所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:三个分光探测单元采用平场凹面光栅分光,覆盖了400-2500nm太阳光谱波段,其中第一个分光探测单元采用线阵硅光电二极管探测400-1000nm的可见-近红外光,第二个分光探测单元采用InGaAs阵列探测器探测900-1700nm的短波红外光,第三个分光探测器单元采用扩展InGaAs阵列探测器探测1600~2500nm的短波红外光。所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:仪器外壳内,用于探测短波红外光的两个分光探测单元的下方分别设有探测器制冷模块,分光探测单元与探测器制冷模块通过螺钉联结,两者之间的接触面有密封圈密封,保证内部光学和电子学部件的可靠性;每个探测器制冷模块中均有两级制冷,每个探测器制冷模块的下部为深沟状的散热片并置于仪器外壳底面外部,仪器外壳底部还设有中心轴沿左右水平方向的风道,风道中间与仪器外壳内连通,风道两端为道口,每个道口分别设为带细孔的防沙尘纱窗,两个探测器制冷模块下部散热片分布于风道的两侧。所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:太阳跟踪器的工作由程控预跟踪和四象限主动精密跟踪两个步骤组成;在二维转台和四连杆机构的运动过程中,以挡光球的球心、积分球入光口中心、左右端第三连杆和第四连杆转动连接点之间间距的中点、左右端第二连杆和第三连杆转动连接点之间间距的中点构成的四边形始终为平行四边形,可以保证仪器测量太阳漫射辐照度时挡光球的太阳光阴影始终能覆盖积分球入光孔;仪器通过二维转台的转动和四连杆机构精密跟踪太阳,实现天空总照度和漫射照度的自动测量。所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:还包括设置在仪器外壳内的电子系统,所述电子系统包括探测器模块、太阳跟踪模块、环境与电源管理模块以及控制通信模块四个部分;探测器模块负责三个分光探测单元的驱动和模拟信号处理,并通过模数转换将其转换为数字信号输出;太阳跟踪模块负责太阳的自动跟踪,通过日历计算出太阳的方位完成太阳的初步跟踪,通过对四象限传感器的数据分析实现二维转台对太阳的精密跟踪;环境与电源管理模块则通过连接外部雨雪传感器,完成环境信息的采集判断,并自动控制仪器的开关机时间和工作状态;控制通信模块负责各个模块之间的通信,完成太阳光漫射照度和总照度的自动测量,并将数据存储和上传至数据中心。与已有技术相比,本专利技术的有益效果体现在:本专利技术通过二维转台和四连杆机构精密跟踪太阳,可实现天空总辐照度和漫射辐照度的自动测量。采用该专利技术现场观测场地辐照度将显著提高观测数据质量,有利于减小辐照度基法的影响因素,进一步提高卫星的在轨定标精度。本专利技术具有自动测量功能,整个测量过程无须人为干预,可放置在野外长期自动运行,自动跟踪太阳并通过CAN总线设备发送测量数据,用户足不出户就可以实时查看数据和仪器工作状态。附图说明图1为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪主视图。图2为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪俯视图。图3为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪左视图。图4为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪总辐照度观测图。图5为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪漫射照度观测图。图6为可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪电子学系统总体设计方案。具体实施方式如图1、2、3所示,可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,包括有光学和机械系统。光学系统包括积分球9,导光光纤12,三个分光探测单元26、27、28,太阳跟踪器31。积分球9上端开口,用于接收来自半球空间的光辐射,积分球入光口外围使用石英玻璃半球罩11密封保护。积分球内置遮光板。积分球的出光孔处有导光光纤12。导光光纤包括一个入射端和三个出射端,入射光进入积分球本文档来自技高网...
可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪

【技术保护点】
可用于长期自动观测的可见‑短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:包括由二维转台支撑的仪器外壳、设置在仪器外壳内的积分球,所述积分球的入光口设置在仪器外壳顶部用于接收空间的光辐射,仪器外壳顶部设有密封积分球入光口的石英玻璃半球罩,仪器外壳内设有导光光纤、三个分光探测单元,所述导光光纤具有单入射端和三个出射端,导光光纤的入射端耦合至积分球出光口,导光光纤的三个出射端一一对应耦合至三个分光探测单元,仪器外壳内还设有中心轴沿左右水平方向的转轴,转轴左、右端分别从仪器外壳对应侧穿出,转轴每个轴端分别共中心轴连接有圆盘,每个圆盘的外盘面上分别固定有中心轴沿前后水平方向的第一连杆,每个圆盘的外盘面上位于第一连杆固定点上方分别固定有太阳跟踪器,两组第一连杆前端分别延伸至仪器外壳前方,仪器外壳底部前侧还设有一对中心轴分别沿前后水平方向的第二连杆,两组第二连杆呈左右对称,每个第二连杆前端分别转动连接有第三连杆,第二连杆与对应的第三连杆共中心轴,每个第三连杆前端分别倾斜向后上方转动连接有第四连杆,两组第四连杆上端分别延伸至与积分球入光口处于同一水平面内,且第四连杆中部分别与对应侧的第一连杆前端转动连接,两组第四连杆上端相向沿左右水平方向弯折相同距离后,在两组第四连杆杆端之间连接有挡光球,且以挡光球的球心、积分球入光口中心、仪器底部左右两个转轴的中心这四个点构成的四边形始终为平行四边形,积分球入光口中心与仪器底部左侧转轴中心的连线、仪器底部左右两个转轴中心的连线、仪器底部右侧转轴中心与挡光球的球心的连线、挡光球的球心与积分球入光口中心的连线,这四条边构成四连杆机构。...

【技术特征摘要】
1.可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:包括由二维转台支撑的仪器外壳、设置在仪器外壳内的积分球,所述积分球的入光口设置在仪器外壳顶部用于接收空间的光辐射,仪器外壳顶部设有密封积分球入光口的石英玻璃半球罩,仪器外壳内设有导光光纤、三个分光探测单元,所述导光光纤具有单入射端和三个出射端,导光光纤的入射端耦合至积分球出光口,导光光纤的三个出射端一一对应耦合至三个分光探测单元,仪器外壳内还设有中心轴沿左右水平方向的转轴,转轴左、右端分别从仪器外壳对应侧穿出,转轴每个轴端分别共中心轴连接有圆盘,每个圆盘的外盘面上分别固定有中心轴沿前后水平方向的第一连杆,每个圆盘的外盘面上位于第一连杆固定点上方分别固定有太阳跟踪器,两组第一连杆前端分别延伸至仪器外壳前方,仪器外壳底部前侧还设有一对中心轴分别沿前后水平方向的第二连杆,两组第二连杆呈左右对称,每个第二连杆前端分别转动连接有第三连杆,第二连杆与对应的第三连杆共中心轴,每个第三连杆前端分别倾斜向后上方转动连接有第四连杆,两组第四连杆上端分别延伸至与积分球入光口处于同一水平面内,且第四连杆中部分别与对应侧的第一连杆前端转动连接,两组第四连杆上端相向沿左右水平方向弯折相同距离后,在两组第四连杆杆端之间连接有挡光球,且以挡光球的球心、积分球入光口中心、仪器底部左右两个转轴的中心这四个点构成的四边形始终为平行四边形,积分球入光口中心与仪器底部左侧转轴中心的连线、仪器底部左右两个转轴中心的连线、仪器底部右侧转轴中心与挡光球的球心的连线、挡光球的球心与积分球入光口中心的连线,这四条边构成四连杆机构。2.根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:所述的导光光纤为低OH-石英光纤,包括一个入射端和三个出射端,导光光纤覆盖三个光谱波段:400-1000nm,900-1700nm,1600-2500nm;积分球和三个分光探测单元通过导光光纤连接。3.根据权利要求1所述可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪,其特征在于:三个分光探测单元采用平场凹面光栅分光,覆盖了400-2500nm太阳光谱波段,其中第一个分光探测单元采用线阵硅光电二极管探测400-100...

【专利技术属性】
技术研发人员:张权李新刘恩超张艳娜翟文超邱刚刚韦玮郑小兵闫静
申请(专利权)人:中国科学院合肥物质科学研究院
类型:发明
国别省市:安徽,34

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