本發(fā)明涉及光譜輻射度測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，具體是一種可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀。

背景技術(shù)：

輻照度基法是場(chǎng)地外場(chǎng)定標(biāo)的重要方法之一。由于場(chǎng)地外場(chǎng)定標(biāo)的其它方法（如：反射率基法）在作輻射傳輸計(jì)算時(shí)對(duì)所選用的氣溶膠模式需作某些假定，而輻照度基法因其觀測(cè)結(jié)果的特點(diǎn)可減少由于這些假定而引入的不確定性。

隨著衛(wèi)星工作波段的擴(kuò)展、通道數(shù)目及光譜分辨率的增加，以往的現(xiàn)場(chǎng)輻照度觀測(cè)由于自動(dòng)化程度低、光譜分辨率低等因素限制了應(yīng)用范圍。針對(duì)高分衛(wèi)星場(chǎng)地定標(biāo)中輻照度基法的需求，設(shè)計(jì)了本發(fā)明即可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，用于場(chǎng)地太陽光譜的漫射照度和總輻照度的自動(dòng)化精確觀測(cè)。采用該儀器現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地輻照度將顯著提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，有利于減小輻照度基法的影響因素，進(jìn)一步提高衛(wèi)星的在軌定標(biāo)精度。

目前自動(dòng)化場(chǎng)地定標(biāo)方法正在興起，要求采用無人值守、長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的儀器代替人工現(xiàn)場(chǎng)獲取場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)，此發(fā)明能夠滿足這些要求，用于場(chǎng)地太陽光譜的漫射照度和總輻照度的長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量全照度、漫射照度、直射照度及漫總比時(shí)自動(dòng)化程度較低、光譜分辨率較低的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：包括由二維轉(zhuǎn)臺(tái)支撐的儀器外殼、設(shè)置在儀器外殼內(nèi)的積分球，所述積分球的入光口設(shè)置在儀器外殼頂部用于接收空間的光輻射，儀器外殼頂部設(shè)有密封積分球入光口的石英玻璃半球罩，儀器外殼內(nèi)設(shè)有導(dǎo)光光纖、三個(gè)分光探測(cè)單元，所述導(dǎo)光光纖具有單入射端和三個(gè)出射端，導(dǎo)光光纖的入射端耦合至積分球出光口，導(dǎo)光光纖的三個(gè)出射端一一對(duì)應(yīng)耦合至三個(gè)分光探測(cè)單元，儀器外殼內(nèi)還設(shè)有中心軸沿左右水平方向的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸左、右端分別從儀器外殼對(duì)應(yīng)側(cè)穿出，轉(zhuǎn)軸每個(gè)軸端分別共中心軸連接有圓盤，每個(gè)圓盤的外盤面上分別固定有中心軸沿前后水平方向的第一連桿，每個(gè)圓盤的外盤面上位于第一連桿固定點(diǎn)上方分別固定有太陽跟蹤器，兩組第一連桿前端分別延伸至儀器外殼前方，儀器外殼底部前側(cè)還設(shè)有一對(duì)中心軸分別沿前后水平方向的第二連桿，兩組第二連桿呈左右對(duì)稱，每個(gè)第二連桿前端分別轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第三連桿，第二連桿與對(duì)應(yīng)的第三連桿共中心軸，每個(gè)第三連桿前端分別傾斜向后上方轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第四連桿，兩組第四連桿上端分別延伸至與積分球入光口處于同一水平面內(nèi)，且第四連桿中部分別與對(duì)應(yīng)側(cè)的第一連桿前端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，兩組第四連桿上端相向沿左右水平方向彎折相同距離后，在兩組第四連桿桿端之間連接有擋光球，且以擋光球的球心、積分球入光口中心、儀器底部左右兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的中心這四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的四邊形始終為平行四邊形，積分球入光口中心與儀器底部左側(cè)轉(zhuǎn)軸中心的連線、儀器底部左右兩個(gè)轉(zhuǎn)軸中心的連線、儀器底部右側(cè)轉(zhuǎn)軸中心與擋光球的球心的連線、擋光球的球心與積分球入光口中心的連線，這四條邊構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)。

所述可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：所述的導(dǎo)光光纖為低OH-石英光纖，包括一個(gè)入射端和三個(gè)出射端，導(dǎo)光光纖覆蓋三個(gè)光譜波段：400-1000nm，900-1700nm，1600-2500nm；積分球和三個(gè)分光探測(cè)單元通過導(dǎo)光光纖連接。

所述可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：三個(gè)分光探測(cè)單元采用平場(chǎng)凹面光柵分光，覆蓋了400-2500nm太陽光譜波段，其中第一個(gè)分光探測(cè)單元采用線陣硅光電二極管探測(cè)400-1000nm的可見-近紅外光，第二個(gè)分光探測(cè)單元采用InGaAs陣列探測(cè)器探測(cè)900-1700nm的短波紅外光，第三個(gè)分光探測(cè)器單元采用擴(kuò)展InGaAs陣列探測(cè)器探測(cè)1600～2500nm的短波紅外光。

所述可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：儀器外殼內(nèi)，用于探測(cè)短波紅外光的兩個(gè)分光探測(cè)單元的下方分別設(shè)有探測(cè)器制冷模塊，分光探測(cè)單元與探測(cè)器制冷模塊通過螺釘聯(lián)結(jié)，兩者之間的接觸面有密封圈密封，保證內(nèi)部光學(xué)和電子學(xué)部件的可靠性；

每個(gè)探測(cè)器制冷模塊中均有兩級(jí)制冷，每個(gè)探測(cè)器制冷模塊的下部為深溝狀的散熱片并置于儀器外殼底面外部，儀器外殼底部還設(shè)有中心軸沿左右水平方向的風(fēng)道，風(fēng)道中間與儀器外殼內(nèi)連通，風(fēng)道兩端為道口，每個(gè)道口分別設(shè)為帶細(xì)孔的防沙塵紗窗，兩個(gè)探測(cè)器制冷模塊下部散熱片分布于風(fēng)道的兩側(cè)。

所述可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：太陽跟蹤器的工作由程控預(yù)跟蹤和四象限主動(dòng)精密跟蹤兩個(gè)步驟組成；在二維轉(zhuǎn)臺(tái)和四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，以擋光球的球心、積分球入光口中心、左右端第三連桿和第四連桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接點(diǎn)之間間距的中點(diǎn)、左右端第二連桿和第三連桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接點(diǎn)之間間距的中點(diǎn)構(gòu)成的四邊形始終為平行四邊形，可以保證儀器測(cè)量太陽漫射輻照度時(shí)擋光球的太陽光陰影始終能覆蓋積分球入光孔；儀器通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和四連桿機(jī)構(gòu)精密跟蹤太陽，實(shí)現(xiàn)天空總照度和漫射照度的自動(dòng)測(cè)量。

所述可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，其特征在于：還包括設(shè)置在儀器外殼內(nèi)的電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)包括探測(cè)器模塊、太陽跟蹤模塊、環(huán)境與電源管理模塊以及控制通信模塊四個(gè)部分；探測(cè)器模塊負(fù)責(zé)三個(gè)分光探測(cè)單元的驅(qū)動(dòng)和模擬信號(hào)處理，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；太陽跟蹤模塊負(fù)責(zé)太陽的自動(dòng)跟蹤，通過日歷計(jì)算出太陽的方位完成太陽的初步跟蹤，通過對(duì)四象限傳感器的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)太陽的精密跟蹤；環(huán)境與電源管理模塊則通過連接外部雨雪傳感器，完成環(huán)境信息的采集判斷，并自動(dòng)控制儀器的開關(guān)機(jī)時(shí)間和工作狀態(tài)；控制通信模塊負(fù)責(zé)各個(gè)模塊之間的通信，完成太陽光漫射照度和總照度的自動(dòng)測(cè)量，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳至數(shù)據(jù)中心。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)和四連桿機(jī)構(gòu)精密跟蹤太陽，可實(shí)現(xiàn)天空總輻照度和漫射輻照度的自動(dòng)測(cè)量。采用該發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地輻照度將顯著提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，有利于減小輻照度基法的影響因素，進(jìn)一步提高衛(wèi)星的在軌定標(biāo)精度。

本發(fā)明具有自動(dòng)測(cè)量功能，整個(gè)測(cè)量過程無須人為干預(yù)，可放置在野外長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)跟蹤太陽并通過CAN總線設(shè)備發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，用戶足不出戶就可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和儀器工作狀態(tài)。

附圖說明

圖1為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀主視圖。

圖2為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀俯視圖。

圖3為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀左視圖。

圖4為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀總輻照度觀測(cè)圖。

圖5為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀漫射照度觀測(cè)圖。

圖6為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀電子學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

具體實(shí)施方式

如圖1、2、3所示，可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀，包括有光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括積分球9，導(dǎo)光光纖12，三個(gè)分光探測(cè)單元26、27、28，太陽跟蹤器31。積分球9上端開口，用于接收來自半球空間的光輻射，積分球入光口外圍使用石英玻璃半球罩11密封保護(hù)。積分球內(nèi)置遮光板。積分球的出光孔處有導(dǎo)光光纖12。導(dǎo)光光纖包括一個(gè)入射端和三個(gè)出射端，入射光進(jìn)入積分球后經(jīng)過內(nèi)置的遮光板反射，通過出光孔處的導(dǎo)光光纖12導(dǎo)入到三個(gè)分光探測(cè)單元26、27、28。太陽跟蹤器31實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽全自動(dòng)精密跟蹤功能，它的工作由程控預(yù)跟蹤和四象限主動(dòng)精密跟蹤兩個(gè)步驟組成。儀器通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)和四連桿機(jī)構(gòu)精密跟蹤太陽，實(shí)現(xiàn)天空總照度和漫射照度的自動(dòng)測(cè)量。本發(fā)明可放置在野外長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行，不需要任何人為參與，自動(dòng)跟蹤太陽并通過CAN總線設(shè)備發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，用戶足不出戶就可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和儀器工作狀態(tài)。

如圖1、2、3所示，分別為可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀的主視圖、俯視圖和左視圖，包括有三角底座水平調(diào)整螺絲1，三角底座2，軸承座4，由四周側(cè)板5、6、10、15圍成的儀器外殼5（左、右側(cè)板未畫出），積分球9，儀器把手13，擋光球17，由每側(cè)第一連桿8、第二連桿21、第三連桿20、第四連桿19構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)，風(fēng)道23，太陽跟蹤器，液晶顯示屏32，固定液晶顯示屏32的儀器面板的轉(zhuǎn)動(dòng)活頁33，二維轉(zhuǎn)臺(tái)電控部分24，二維轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)部分25，三個(gè)分光探測(cè)單元26、27、28。積分球9固定在儀器頂部側(cè)板10上，配合圓周上采用硅橡膠密封墊密封，并涂有透明密封膠。儀器前后側(cè)板6、15與儀器主體的密封，采用白色發(fā)泡硅橡膠密封條。在前后面板的儀器內(nèi)側(cè)，均固定有放置干燥劑的干燥劑盒。儀器的整體密封性能良好，可以有效防止沙塵、雨水和水汽的進(jìn)入，保證儀器內(nèi)部光學(xué)和電子學(xué)部件的可靠性。第一連桿8和平衡重物7固定在轉(zhuǎn)軸29端面的圓盤30上，第二連桿21固定在儀器底板上。在二維轉(zhuǎn)臺(tái)和四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，以擋光球17的球心、積分球9入光口中心、連桿20和連桿21的轉(zhuǎn)動(dòng)連接點(diǎn)、連桿19和連桿20的轉(zhuǎn)動(dòng)連接點(diǎn)這四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的四邊形始終為平行四邊形（圖1中粗線所示），可以保證儀器測(cè)量太陽漫射輻照度時(shí)擋光球17的太陽光陰影始終能覆蓋積分球入光孔。儀器通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和四連桿機(jī)構(gòu)精密跟蹤太陽，實(shí)現(xiàn)天空總照度和漫射照度的自動(dòng)測(cè)量。散熱風(fēng)道23固定在儀器底板5上，風(fēng)道內(nèi)有兩個(gè)防水散熱風(fēng)扇，風(fēng)道上方儀器內(nèi)部為儀器的三個(gè)分光探測(cè)單元26、27、28。三個(gè)分光探測(cè)單元和積分球9通過導(dǎo)光光纖12連接，入射光經(jīng)導(dǎo)光光纖導(dǎo)光進(jìn)入光譜模塊。該方案簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于模塊單元的位置布設(shè)，可顯著減小儀器的整體體積和重量。

第一個(gè)分光探測(cè)單元27采用線陣硅光電二極管探測(cè)400-1000nm的可見-近紅外光，其直接固定在儀器外殼底部側(cè)板5上，第二個(gè)分光探測(cè)單元26采用InGaAs陣列探測(cè)器探測(cè)900-1700nm的短波紅外光，第三個(gè)分光探測(cè)器單元28采用擴(kuò)展InGaAs陣列探測(cè)器探測(cè)1600～2500nm的短波紅外光。第二個(gè)分光探測(cè)單元26和第三個(gè)分光探測(cè)器單元28（在圖1中統(tǒng)一表示為14）的下方分別為探測(cè)器制冷模塊16，分光探測(cè)單元26、28與各自的探測(cè)器制冷模塊16通過螺釘聯(lián)結(jié)，兩者之間的接觸面有密封圈密封，保證內(nèi)部光學(xué)和電子學(xué)部件的可靠性。兩個(gè)探測(cè)器制冷模塊16的下部為深溝狀的散熱片，分布于風(fēng)道23的兩側(cè)，風(fēng)道23的兩端為帶細(xì)孔的防沙塵紗窗22，可以有效防止儀器在野外長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)沙塵進(jìn)入風(fēng)道，影響風(fēng)道內(nèi)風(fēng)流的暢通，從而保證第二個(gè)分光探測(cè)單元26和第三個(gè)分光探測(cè)器單元28的探測(cè)器的有效散熱。

如圖6所示，可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀的電子學(xué)系統(tǒng)由探測(cè)器模塊、環(huán)境與電源管理模塊、控制通信模塊以及太陽跟蹤模塊四個(gè)部分組成。其中探測(cè)器前放模塊分為三個(gè)單元，即可見-近紅外單元前放、第一短波紅外單元前放和第二短波紅外單元前放，實(shí)現(xiàn)三個(gè)波段入射光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換及模擬信號(hào)預(yù)處理，其中第二個(gè)分光探測(cè)單元26和第三個(gè)分光探測(cè)器單元28的制冷模塊采用TEC制冷片以及溫度控制反饋電路實(shí)現(xiàn)溫度控制；太陽跟蹤模塊負(fù)責(zé)太陽的自動(dòng)跟蹤，通過對(duì)四象限傳感器和雙軸跟蹤器的控制實(shí)現(xiàn)反饋工作，完成總照度和漫射照度的測(cè)量；環(huán)境與電源管理模塊則通過連接外部雨雪傳 感器，完成環(huán)境信息的采集判斷，并自動(dòng)控制儀器的開關(guān)機(jī)時(shí)間和工作狀態(tài)；控制通信模塊負(fù)責(zé)各個(gè)模塊之間的通信，完成漫射照度和總照度的自動(dòng)測(cè)量，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳至數(shù)據(jù)中心。

可用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)的可見-短波紅外超光譜輻照度儀的電纜連接計(jì)算機(jī)，水平放置，儀器開機(jī)預(yù)熱10分鐘，開始測(cè)量。首先測(cè)量總照度，計(jì)算機(jī)設(shè)置測(cè)量時(shí)間、經(jīng)緯度等參數(shù)，擋光球完全移開，保證不遮擋太陽直射入射，由積分球9對(duì)入射光進(jìn)行勻光，進(jìn)入三個(gè)分光探測(cè)單元分光，完成天空光總照度的細(xì)分光譜測(cè)量，測(cè)得的總照度數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，如圖4(總輻照度觀測(cè)圖)所示；之后，儀器啟動(dòng)自動(dòng)跟蹤太陽功能，擋光球17轉(zhuǎn)動(dòng)直至完全遮擋住積分球上入光孔阻擋太陽直射入射，僅天空漫射光進(jìn)入積分球9，進(jìn)入三個(gè)分光探測(cè)單元分光，完成天空漫射光的分光測(cè)量，測(cè)得的漫射照度數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)完成接收采集數(shù)據(jù)并顯示，如圖5(漫射照度觀測(cè)圖)所示。