[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

说明书

本发明公开了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。属于非成像光学技术领域。本发明根据测量角度要求设置自由曲面反射镜的具体光路结构，根据反射定律和全球太阳直接辐射角度变化规律，设计出满足预定测量要求的自由曲面反射镜，实现全球太阳直接辐射光线经过自由曲面反射镜反射后在传感器中心被接收，得到太阳直接辐射数据，完成太阳直接辐射测量。该自由曲面通过曲面有限元划分得到的。本发明结构紧凑、简单；为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。

技术领域

本发明涉及非成像光学技术领域，尤其涉及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

背景技术

太阳辐射是地球最重要的能量来源，其变化影响着地球的气候与环境。太阳辐射主要分为直接辐射和散射辐射两类，其中直接辐射与太阳自身状态紧密相关，对其光谱辐照度和总辐照度测量有助于长期监测太阳活动变化，反演云量以及大气气溶胶光学特性，对太阳能资源开发、大气环境与污染监测、气候变化、极端天气灾害预警以及保证农业生产等具有重要意义。

目前地面测量太阳直接辐射光谱辐照度的仪器主要分为光谱式和通道式两种，均利用太阳跟踪装置实现太阳直接辐射的采集。其中，2016年郑茹等设计了一种基于余弦校正器的光谱型太阳辐射观测仪，利用余弦器外露配合挡光环实现了入射角小于±80°、300-1000nm范围内的太阳光谱辐照度测量；2019年Grobner J等采用平场凹面光栅作为色散与会聚元件，实现了350nm-1000nm范围内太阳光谱辐照度室外观测；2020年李建玉等设计了一种多波段激光大气透过率测量的太阳辐射计，得到1.064,1.315和1.54μm的大气透过率。

现有的太阳直接辐射总辐照度测量方法主要为总辐射法和直接辐射测量法两类。其中，荷兰KippZonen公司基于总辐射测量方法，利用多个硅光电二极管设计了CSD系列日照时数传感器。江苏无线电科学研究所也基于此方法，设计了一种采用多分天穹的遮光方案的WUSH-RZ2日照传感器，此类方法存在难以修正的原理性误差。德国Logotronic公司的SD系列日照传感器和锦州阳光气象科技公司的TBS系列直接辐射表基于直接辐射测量方法，利用二维跟踪机构实现对太阳直接辐射总辐照度的测量，其跟踪精度受算法与天气影响，跟踪范围小。日本EKO公司研制的MS系列日照时数测量系统，利用磨砂反射镜，实现了±58°的地球纬度区间内无需自动太阳跟踪装置的日照时数测量，由于其反射镜经过磨砂处理，难以控制全年太阳直接辐射测量的均匀性且仪器一致性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于为了克服背景技术的不足，提供了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。

本发明所采用的技术方案是：

(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；