[发明专利]一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法

权利要求书

1.一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)设置自由曲面反射镜的光路结构，待测光线位于所述自由曲面反射镜上方接收角范围之内，接收面位于所述自由曲面反射镜右侧，所述待测光线为太阳直接辐射光线，当待测光线经过自由曲面反射镜时都能反射在传感器中心被接收；根据初始设计对自由曲面反射镜进行自由曲面设计；

(2)以自由曲面反射镜的光轴O'O的方向为x轴正方向建立直角坐标系xyz，根据太阳直接辐射光线不同角度对步骤(1)所确定的自由曲面反射镜的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太阳直接辐射光线与自由曲面反射镜面型的映射关系，将夏至日正午太阳直接辐射光线、冬至日正午太阳直接辐射光线以及与二分日正午太阳直接辐射光线在自由曲面反射镜的入射点用S、W、O表示，其对应的自由曲面反射镜面型坡度为γ_S、γ_W、γ_O，其公式为：

其中β_S为夏至日正午太阳直接辐射光接收视场、β_W为冬至日正午太阳直接辐射光接收视场、α_S为夏至日正午太阳直接辐射光线入射角度、α_W为冬至日正午太阳直接辐射光线入射角度；

(3)根据步骤(2)将太阳直接辐射最大入射区间(-α_S，α_W)内所有光线代入上式可得出反射镜所需包含面型坡度范围，将自由曲面反射镜有限元划分,按特定坡度间隔均分，以划分后Y轴方向微元长度h_i进行反射镜面型调控，第i个离散点C_i的位置为(x_i,y_i)；

(4)由于自由曲面反射镜中夏至日、冬至日太阳直接辐射光线位于对应的反射微元处在整体结构的边缘位置，会造成辐射采集过程中的能量传递缺失，面型拟合过程中拟合边缘也会带来边界误差，因此，将求取后的坡度区间两端适当拓宽长度η，拓宽后坡度区间为(ρ_S,ρ_W)，ρ_S为夏至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，ρ_W为冬至日正午太阳直接辐射光线拓宽后入射角度，区间长度ρ＝︱ρ_S-ρ_W︱，此时将获得的n个坡度特征依次赋予划分后的反射单元，可得各离散点C_i的坐标位置方程组为：

其中，D为自由曲面反射镜直径，k_i为系数，γ_i为任意角度太阳直接辐射光线反射至传感器中心面型的坡度；

(5)构造特征函数即得到自由曲面反射镜结构表达式：

U(x)＝x₁N₁(x)+x₂N₂(x)+…+x_nN_n(x)

(6)根据步骤(5)中的反射镜结构表达式拟合即可得到用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的自由曲面面型。

2.根据权利要求1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜的自由曲面面型为椭球形。

3.根据权利要求1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜的自由曲面的各个特定坡度的反射率不同，自由曲面反射镜的周围介质为空气。

4.根据权利要求1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的传感器中心有接收面，可实现数据观测。

5.根据权利要求1所述的一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于所述的自由曲面反射镜光轴与地轴平行，并绕光轴沿地球周日运动方向反向旋转，从而抵消太阳高度角和方位角带来的变化，实现精准测量。