[发明专利]基于成像反馈技术的自动太阳跟踪器及自动太阳跟踪方法

说明书

本发明提供了一种基于成像反馈技术的自动太阳跟踪器，该装置使用两片平面反射镜与两个旋转滑台将太阳光竖直导入分光与成像光路，经平面反射镜变为水平方向后用分光镜分为红外光与紫外‑可见光，其中紫外‑可见光经滤光、聚焦后将太阳成像于光阑之上，通过相机拍摄光阑孔与太阳的图像，确定太阳中心位置与光阑孔中心位置的偏差，并将该偏差反馈至两旋转滑台以调整两反射镜朝向，实现太阳中心与光阑孔中心重合。同时该装置具有GPS及惯性导航系统，可以补偿该装置用于移动平台时因颠簸所产生的太阳跟踪误差。本发明自动太阳跟踪器的太阳跟踪更加稳定、准确、可靠，且能够应用于多情景下的太阳跟踪，如固定点使用或车载、船载、机载等移动平台使用。

技术领域

本发明属于环境监测与光学遥感领域，尤其涉及一种基于成像反馈技术的自动太阳跟踪器。

背景技术

人为源或天然源排放的挥发性有机物是大气臭氧污染与细颗粒物的关键前体物。我国城市区域臭氧生成由挥发性有机物主导，而非城市区域臭氧则由氮氧化物主导。随着氮氧化物排放控制日趋严格，挥发性有机物已成为我国城市大气臭氧与细颗粒物污染控制的关键因素。工业园区是重要的挥发性有机物人为排放源，主要体现在烷烃、烯烃等特征污染物的无组织排放。工业园区的挥发性有机物排放主要来自贮罐的呼吸与泄露、设备与管阀件的泄露、油品装车过程油气挥发、污水处理系统逸散等。这些排放源具有排放点多、面广、分散、无规则等特点，表现为大型面源或体积源，与污染气象相复合形成复杂污染特征，导致痕量污染气体排放监测与控制具有较大的困难性。

以太阳辐射作为光源，在移动平台上基于光学遥感技术测量痕量污染气体的柱浓度，并结合风速风向测量与GPS数据计算痕量气体排放速率，对较大污染源的场地污染气体排放量的监测与评估具有重要意义。为实现移动柱浓度测量，差分吸收光谱技术与太阳掩星通量技术已被开发出来。其中，差分吸收光谱技术通常适用于紫外-可见波段，已被应用于评估氮氧化物、二氧化硫与甲醛的工业排放；而太阳掩星通量技术通常使用中红外波段，主要被用于测量石化企业的挥发性有机物排放和农业生产中氨气的排放。

差分吸收光谱技术既可使用散射的太阳光也可使用直接太阳辐射，而太阳掩星通量技术仅可使用直接太阳辐射。因此，能精确跟踪太阳运动并将太阳光导入至测量不同波段的光谱仪的太阳跟踪器就成为了关键装置。光谱仪用太阳跟踪器通常使用两片平行反射镜将太阳辐射导入至光谱仪以实现对太阳高度角与方位角的跟踪。然而，使用开环控制调整两反射镜姿态无法实现对太阳的高精度跟踪，因此使用闭环反馈控制对移动平台测量十分必要。目前现有技术通常使用光电位置探测器检测太阳光斑中心与探测器中心之间间距并以此调整两反射镜姿态使两中心重合；而另一条技术路线为：使用高速相机拍摄太阳在光阑上所成图像并检测太阳图像中心与孔径光阑中心间距并以此调整两反射镜姿态。

在我国已公布的发明专利中，授权公告号为CN103246292B的专利涉及一种运动平台上的太阳自动跟踪方法，该专利光电探测单元采用光电位置探测器，不使用成像反馈技术，并且无法将太阳光分为红外光与紫外-可见光两部分。授权公告号为CN102597798B的专利涉及一种太阳跟踪器设备和系统，该专利目的在于将定日镜自动朝向太阳，无法用于将太阳辐射导入光谱仪进行痕量气体柱浓度测量这一应用。

因此，针对以上问题，本发明提出一种基于成像反馈技术实现对太阳进行自动跟踪并将太阳辐射分为红外光与紫外-可见光两部分并导入至测量不同波段的光谱仪的装置。

发明内容

针对目前太阳跟踪技术的局限，本发明提供一种基于成像反馈技术实现对太阳进行自动跟踪并将太阳辐射分为红外光与紫外-可见光两部分的装置。

本发明所采取的技术方案为：

一种基于成像反馈技术的自动太阳跟踪器，包括有跟踪器头部、控制系统、分光与成像光路。所述跟踪器头部包括反射镜一、竖直旋转滑台、反射镜二和水平旋转滑台，所述反射镜一用于跟踪太阳，接收太阳光辐射；反射镜二用于将反射镜一接收的太阳光辐射反射至分光与成像光路，竖直旋转滑台和水平旋转滑台分别用于调整反射镜一与反射镜二的姿态以跟踪太阳的高度角与方位角。