[发明专利]光谱型太阳辐射照度测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种照度测量技术与信息处理的技术领域，具体为太阳光谱辐射照度测量仪器，可分别用于测量紫外、可见、近红外和红外等四个波段的太阳光谱辐射照度。

背景技术

太阳辐射是地球能量的最主要来源，是大气和海洋变化的原动力。近年来，科学家们发现了越来越多的太阳辐射周期变化与地球气候变化相关联的证据。太阳照度的微小变化，能够对我们星球的气候产生巨大影响。研究太阳辐射与全球气候变化的关系，需要长期、精确的太阳辐射观测数据，因而对太阳辐射照度的观测显然具有特别重要的意义。

另一方面，随着石油、煤炭、天然气等化石能源的逐渐紧缺和生态环境的日益恶化，太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，已被公认为是未来最有竞争力的能源之一，其有效开发利用对于解决全球能源危机、应对气候变化具有十分重要的意义。例如，对于太阳能光热应用，光谱范围大约为305～2800nm的直接辐射和散射辐射能量均可被利用；对于太阳能光伏应用，光谱范围大约为400～1100nm的可见光均可被吸收；因此，针对不同的利用方式对太阳光谱辐射能量分布情况进行观测、评价是太阳能资源高效开发利用的前提和关键。另外，为了开发高效率的太阳能电池，准确、快速测量太阳辐射与太阳能电池的转换效率和输出性能之间的关系就成为不可或缺的关键技术，特别需要具有波长分辨功能的、高分辨率的太阳辐射观测仪器。

不仅如此，目前在大气污染检测、大气光学研究、现代农业研究、环境污染监测、生态安全研究等领域，均对太阳光谱辐射测量提出了更加量化、细化、精确化的要求，这都有赖于高分辨率、高灵敏度和高速响应的太阳辐射测量仪器。

市场上常见的太阳辐射测量仪基本上以积分型辐射表居多，其中大致可分为热电型、光电型和分光型三类。其中热电型辐射表常用的热电转换元件为热电偶等，缺点是灵敏度随着使用时间变化，响应速度慢、无波长分辨功能。光电型辐射表常用的光电传感器有光电二极管、光电三极管、硅太阳电池、光伏传感器和光电倍增管等，不足之处是波长范围窄，光谱灵敏度不均匀，并且传感器的光谱特性与太阳辐射光谱分布不相吻合，测量误差大。如专利CN101122522A（一种紫外辐射表），采用硅光探测器。专利CN2643297Y（高精度光谱辐射亮度计）采用3片平面型硅光电二极管检测器。分光型辐射表采用干涉滤光片选择波段，观测某一特定波长范围内的太阳辐射总量，其结果仅仅局限于几个分立波长上的细节，不能反映太阳辐射的光谱特征。这三类辐射表由于光学系统没有色散元件，检测器只有一个测量通道（单元），不具备波长分辨功能，测量的信号为某一时刻仪器有效波长范围内太阳辐射能量的积分值，这种积分型辐射表因为数据包含的信息量少，无法获得太阳光谱的总体分布情况信息，远远不能满足目前各领域对太阳辐射量化与细化测量的需要。

近年来出现了采用色散元件的光谱型太阳辐射测量仪，但大多采用光电倍增管（简称PMT）作为光电探测器。例如，专利CN201637488U（太阳光谱测量系统），其光电检测器采用光电倍增管，仪器内部利用精密机械传动机构实现波长扫描，获得光谱分布信息，实时性差，系统复杂，体积庞大，需要计算机实现数据采集、控制和显示，很难适合户外应用场合。专利CN101504314A（大气紫外辐射通量测量装置及其测量方法），利用PMT或电荷耦合器件（简称CCD）实现紫外辐射测量，其光学接收部分放置在室外，光谱仪等测量部分放置在室内，由计算机控制仪器的测量过程，测量系统体积大。其不足之处是用PMT时，同样需要机械扫描机构获得波长信息，测量速度慢；用光纤束将紫外光谱信号传输至室内时，需要很长的光纤，使得紫外光信号损失严重，且光纤的长距离铺设也存在安全隐患，要特别的防护措施。该专利采用的光纤束使用多条光纤进行组合，其输入端面呈圆形分布，输出端面呈直线型分布，难以标准化，成本也很高。专利CN101358878A（瞬态紫外多光谱辐射仪）公开了一种采用计算机经USB接口将卡塞格林光学成像系统获得的光谱信号用CCD探测单次闪光或稳态光源的紫外光谱仪。该仪器配置了插拔式瞄准镜头和计算机，主要侧重于闪光光源的紫外光谱测量，并不适合在室外进行移动的太阳整个光谱区域的快速测量，且只能采集单方向的光源信号。专利CN101943603A（一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪）公开的仪器中，虽然采用了CCD检测器，但其光学耦合系统采用传统的光学元件实现，存在体积大、装调工艺复杂、一致性难以保证等困难。该仪器采用遮光筒，使得入射光的角度受到限制，所测量的波段仅限于紫外区域。且光学部分没有防护用的快门，使用过程中存在安全隐患。