一种高精度自动化地空辐射计的制作方法

1.本发明涉及一种测量太阳直接辐射照度、天空漫射辐射照度和地面辐射亮度的仪器装置技术领域，尤其涉及一种高精度自动化地空辐射计。


背景技术：

2.当前，卫星遥感器的自动化场地定标方法正在广泛应用，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，为提高卫星遥感器的辐射定标精度，就要求辐射定标场安装更多的仪器设备直接获取相关数据。目前自动化场地定标通常需要在辐射定标场安装至少3台仪器，分别为光度计、对地辐射计和辐照度计，其中，光度计用于测量太阳直接照度反演气溶胶光学厚度，对地辐射计用于测量定标场地表辐射亮度，辐照度计用于测量漫总比。本发明专利可同步观测以上3台仪器所测数据，极大降低设备成本、维护成本。


技术实现要素：

3.本发明目的在于减少自动化定标所需仪器数量，降低定标成本，提供一种高精度自动化地空辐射计。
4.为了实现本发明目的，本发明提供了一种高精度自动化地空辐射计，包括辐射计、二维转台、通讯终端、雨水与温湿度传感器、控制箱、太阳能板、蓄电池、支架；辐射计安装在二维转台顶部，二维转台、通讯终端、雨水与温湿度传感器和控制箱固定安装于支架上；二维转台、通讯终端、雨水与温湿度传感器通过电缆与控制箱连接；地面设置有太阳能板，地下设置有蓄电池；太阳能板通过电缆连接于蓄电池，蓄电池通过电缆连接于控制箱，用于为系统供电；辐射计上设置有太阳直射测量通道、天空辐照度测量通道和地面辐射亮度测量通道。
5.进一步地，辐射计包括外壳、后盖板、前面板；前面板设置于外壳一侧端面，后盖板设置于外壳上远离前面板的另一侧端面；前面板上设有4个石英玻璃窗；其中，位于前面板上侧的3个第一石英玻璃窗分别用于测量太阳直接辐照度、天空辐照度和地面辐射亮度，位于前面板下侧的1个第二石英玻璃窗用于跟踪太阳。
6.进一步地，太阳直射测量通道、天空辐照度测量通道和地面辐射亮度测量通道为相似光路结构，仅孔径光阑和视场光阑大小有所差别，即视场角有所差别，分别包括第一光阑筒、凸透镜、干涉滤光片和光电探测器；第一石英玻璃窗内侧设置有第一光阑筒，第一光阑筒包括孔径光阑、第一消杂光光阑、视场光阑，按远离第一石英玻璃窗的方向依次设置；视场光阑尾部设置有凸透镜，凸透镜内侧设置有干涉滤光片，干涉滤光片内侧为光电探测器；光电探测器连接到数据采集电路板，数据采集电路板将电流信号转换为数值。
7.进一步地，第二石英玻璃窗内侧设置有第二光阑筒，第二光阑筒内侧为四象限探测器，四象限探测器连接到数据采集电路板，数据采集电路板根据四个象限的测量值驱动二维转台调整角度精密跟踪太阳。
8.进一步地，辐射计内部空腔内设置有电机、减速箱、齿轮和滤光片轮；电机驱动减速箱带动齿轮转动，齿轮驱动滤光片轮转动，从而带动滤光片轮旋转更换干涉滤光片。滤光片轮外侧设置有滤光片轮外壳，前面板和滤光片轮外壳之间通过加强板筋连接,保证连接强度的同时，确保第一光阑筒稳定，避免晃动。
9.进一步地，光电探测器安装在铝基板中，铝基板和后盖板之间设有帕尔贴；铝基板和光电探测器构成一个恒温仓，恒温仓的外面包裹可塑性隔热材料层，光电探测器为温度敏感元件，恒温的工作条件可降低温漂对测量精度的影响；后盖板外部设有散热槽，前盖板与外壳之间用第一密封圈密封，后盖板与外壳之间用第二密封圈密封，仪器在低温干燥环境下密封，避免低温工作时内部凝露。
10.进一步地，控制箱包括控制电路板和电源转换模块；电源转换模块用于将市电或蓄电池的电源转换为额定直流电源，为辐射计、二维转台、通讯终端、控制电路板供电。
11.进一步地，控制电路板从通讯终端读取时间、位置信息，计算日升日降时间、大气质量和太阳方位；当日升时，控制电路板控制电源转换模块为辐射计、二维转台供电，进入正常工作模式；正常工作模式下，控制电路板按照预设的工作流程在预定时间点向辐射计发送指令，辐射计将测量数据反馈到控制电路板，控制电路板将数据存储到存储卡内，同时通过通讯终端发送到接收终端；当日降或者雨水与温湿度传感器检测到降雨时，控制电路板控制辐射计镜头朝下，电源转换模块切断辐射计和二维转台电源，进入睡眠模式。
12.进一步地，本仪器具有3种测量模式，分别为sun、sky、ert，其中，sun指的是太阳直接辐射照度测量，sky指的是天空辐射照度测量，ert指的是地面辐亮度测量；正常工作模式下，每间隔2min辐射计正对地面运行一次ert，当大气质量大于2时，每0.5个大气质量分别运行次sun、sky；当大气质量小于2时，每30min运行一次sun、sky；当卫星过顶时，用户可通过通讯终端将仪器调整为手动工作模式，用户通过无线向仪器发送卫星过顶的时间、姿态，仪器在卫星过顶时刻运行一次sun、sky和ert，在此基础上调整辐射计观测地面的姿态与卫星遥感器一致，增加一次ert测量。
13.进一步地，第一石英玻璃窗外侧设置有防尘筒基座，所述防尘筒基座上设置有可拆卸的防尘筒；防尘筒内部设有第二消杂光光阑；辐射计前面板上设置有对外连接器。
14.与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明可按照设定模式或者根据卫星过顶时刻预设模式自动测量太阳直接辐照度、天空辐照度和地面辐射亮度，光电探测器温度敏感元件精确温控，降低温漂对测量结果的影响，提高测量精度；2)本发明采用外壳自然散热，提高了野外运行的可靠性。本发明可放置在野外长期自动运行，不需要任何人为参与，自动测量并将测量数据通过北斗通信或移动通讯发送到服务器上，使得用户足不出户就可以实时查看仪器工作状态和数据，并生成表观反射率或者表观辐亮度，实现对过顶卫星遥感器的在轨辐射定标。
15.为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1为本发明装配示意图；
18.图2为本发明辐射计结构示意图；
19.图3为本发明辐射计正视示意图；
20.图4为本发明工作原理框图；
21.图5为本发明测量方式框图；
22.图中附图标记为：1、辐射计；2、二维转台；3、通讯终端；4、雨水与温湿度传感器；5、控制箱；6、太阳能板；7、蓄电池；8、支架；9、电缆；10、防尘筒；11、第二消杂光光阑；12、第一密封圈；13、第一光阑筒；14、外壳；15、第一消杂光光阑；16、视场光阑；17、凸透镜；18、干涉滤光片；19、光电探测器；20、后盖板；21、帕尔贴；22、铝基板；23、可塑性隔热材料；24、第二密封圈；25、电机；26、减速箱；27、齿轮；28、滤光片轮；29、滤光片轮外壳；30、加强板筋；31、数据采集电路板；32、对外连接器；33、前面板；34、第二石英玻璃窗；35、第二光阑筒；36、第一石英玻璃窗；39、防尘筒基座；40、孔径光阑；41、四象限探测器；42、控制电路板；43、电源转换模块。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，在本实施例中，本仪器包括辐射计1、二维转台2、通讯终端3、雨水与温湿度传感器4、控制箱5、太阳能板6、蓄电池7、支架8；辐射计1安装在二维转台2顶部；二维转台2、通讯终端3、雨水与温湿度传感器4和控制箱5固定安装于支架8上；二维转台2、通讯终端3、雨水与温湿度传感器4通过电缆9与控制箱5连接；地面设置有太阳能板6，地下设置有蓄电池7；太阳能板6通过电缆9连接于蓄电池7，蓄电池7通过电缆9连接于控制箱5，用于为系统供电。
25.如图2所示，在本实施例中，辐射计1包括外壳14、后盖板20、前面板33；前面板33设置于外壳14一侧端面，后盖板20设置于外壳14上远离前面板33的另一侧端面；辐射计1内部设置有太阳直射测量通道、天空辐照度测量通道和地面辐射亮度测量通道。前面板33上设有4个石英玻璃窗，分别为3个第一石英玻璃窗36和1个第二石英玻璃窗34，第一石英玻璃窗36外侧设置有防尘筒10，防尘筒10内设置有第二消杂光光阑11，前面板33上设置有对外连接器32。
26.具体地，在本实施例中，辐射计1上设置有太阳直射测量通道、天空辐照度测量通道和地面辐射亮度测量通道。太阳直射测量通道、天空辐照度测量通道和地面辐射亮度测量通道为相似光路结构，仅孔径光阑40和视场光阑16大小有所差别，即视场角有所差别，分别包括第一光阑筒13、凸透镜17、干涉滤光片18和光电探测器19。第一石英玻璃窗36内侧设置有第一光阑筒13，第一光阑筒13包括孔径光阑40、第一消杂光光阑15、视场光阑16；第一光阑筒13内部第一个光阑为孔径光阑40，后续依次设有3层第一消杂光光阑15，在第一光阑筒13尾部设有视场光阑16；视场光阑16尾部设置有凸透镜17，凸透镜17用于聚光，光线聚光后通过干涉滤光片18照射到光电探测器19；光电探测器19连接到数据采集电路板31，数据
采集电路板31将电流信号转换为数值。
27.具体地，在本实施例中，第二石英玻璃窗34内侧设置有第二光阑筒35，第二光阑筒35右端为四象限探测器41，四象限探测器41由绝缘螺纹套固定；四象限探测器41连接到数据采集电路板31，数据采集电路板31根据四个象限的测量值驱动二维转台2调整角度精密跟踪太阳。
28.具体地，在本实施例中，滤光片轮28安装在辐射计1内部空腔内，通过左侧的电机25带动减速箱26进而带动齿轮27驱动滤光片轮28转动，滤光片轮28旋转更换干涉滤光片18。前面板33和滤光片轮外壳29之间通过加强板筋30连接，保证连接强度的同时，确保第一光阑筒13稳定，避免晃动。
29.具体地，在本实施例中，电机25左端安装数据采集电路板31，用于获取、上传光电探测器19测量数据和四象限探测器41测量数据，接收控制箱5下发的控制指令。
30.具体地，在本实施例中，滤光片轮28后方设有铝基板22，铝基板22被可塑性隔热材料层23包围，铝基板22内部安装光电探测器19；铝基板22外侧设置有导热盘，铝基板22中心部位与导热盘之间安装帕尔贴21，导热盘外部设有导热槽。前盖板33与外壳14之间用第一密封圈12密封，后盖板20与外壳14之间用第二密封圈24密封，仪器在低温干燥环境下密封，避免低温工作时内部凝露。
31.如图3所示，在本实施例中，前面板上侧设置有3个第一石英玻璃窗36，分别用于测量太阳直接辐照度、天空辐照度和地面辐射亮度；前面板33设置有1个第二石英玻璃窗34，用于跟踪太阳。前面板前侧设有防尘筒基座39，可拆卸防尘筒10设置于防尘筒基座39上，分别用于太阳直接辐照度、天空辐照度和地面辐射亮度三个测量通道的防尘保护，前面板33上设置有对外连接器32。
32.如图4所示，在本实施例中，控制箱5包括控制电路板42和电源转换模块43，控制箱5留有调试、数据导出接口，可连接调试机pc。太阳能板6通过电缆连接于蓄电池7，电源转换模块43用于将市电或蓄电池7的电源转换为额定直流电源，为辐射计1、二维转台2、通讯终端3、控制电路板42供电。控制电路板42包括主控mcu、通信接口、数据存储器、实时时钟；其中，通信接口、数据存储器、实时时钟连接于主控mcu，通信接口用于与辐射计1、二维转台2、通讯终端3和雨水与温湿度传感器4进行通信。
33.具体地，在本实施例中，控制电路板42从通讯终端3读取时间、位置信息，计算日升日降时间、大气质量、太阳方位；日升时，控制电路板42控制电源转换模块43为辐射计1、二维转台2供电，进入正常工作模式；正常工作模式下，控制电路板42按照预设的工作流程在预定时间点向辐射计1发送指令，辐射计1将测量数据反馈到控制电路板42，控制电路板42将数据存储到存储卡内，同时通过北斗或者移动通信终端3发送到接收终端。当日降或雨水与温湿度传感器4检测到降雨时，辐射计1镜头朝下，控制电路板42控制电源转换模块43切断辐射计1和二维转台2电源，进入睡眠模式。
34.具体地，在本实施例中，日升后，辐射计1自动启动温控，并控制二维转台2跟踪太阳、扫描天空、测量地面；当雨水与温湿度传感器4检测到有降雨或者太阳落山，辐射镜头朝下，断电停止工作，控制电路板42进入睡眠状态。正常工作模式下，实时时钟在设定时间发起中断，控制电路板42向辐射计1发送测量指令，辐射计1将测量数据回传到控制电路板42，控制电路板42将采集到的数据存储到数据存储器中，并通过北斗或移动通讯终端发送数
据。
35.如图5所示，在本实施例中，本仪器具有3种测量模式，分别为sun、sky、ert，其中，sun指的是太阳直接辐射照度测量，sky指的是天空辐射照度测量，ert指的是地面辐亮度测量；正常工作模式下，每间隔2min辐射计正对地面运行一次ert，当大气质量﹥2时，每个大气质量分别运行1次sun、sky；当大气质量﹤2时，每30min运行一次sun、sky；当卫星过顶时，用户可通过通讯终端3将仪器调整为手动工作模式，用户通过无线向仪器发送卫星过顶的时间、姿态，仪器在卫星过顶时刻运行一次sun、sky和ert，在此基础上调整辐射计1观测地面的姿态与卫星遥感器一致，增加一次ert测量。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。