專利名稱：一種測量太陽常數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)輻射度測量領(lǐng)域，涉及一種用于在地球或衛(wèi)星上測量太陽常數(shù)的方法。
本發(fā)明之前，太陽常數(shù)測量都采用跟蹤測量方法，如圖1所示，太陽常數(shù)監(jiān)測器由絕對輻射計1、太陽跟蹤器2、二軸轉(zhuǎn)平臺3、跟蹤驅(qū)動裝置4、測量控制裝置5構(gòu)成。由于攜帶儀器的衛(wèi)星在軌道上運動過程中，太陽矢量相對衛(wèi)星是變化的，為了使太陽光輻射始終沿儀器的光軸方向入射絕對輻射計，絕對輻射計與太陽跟蹤器平行安裝在二軸轉(zhuǎn)平臺上，由跟蹤驅(qū)動裝置控制，太陽跟蹤器隨時跟蹤太陽。測量方法是先打開絕對輻射計的快門，為其加光，即讓太陽光進(jìn)入絕對輻射計，在加光過程中絕對輻射計的光軸相對于太陽光矢量是始終不變的，絕對輻射計的接收器經(jīng)過一定的響應(yīng)時間，使絕對輻射計的溫度傳感器經(jīng)一定的溫度響應(yīng)曲線，最后使溫度響應(yīng)曲線達(dá)到一恒定的電壓輸出值，測量控制裝置記錄下這一輸出值；然后絕對輻射計的快門關(guān)閉，在加光的同樣位置上用電對絕對輻射計的接收器加熱，調(diào)整加電量的大小，在與加光相同的時間內(nèi)，使溫度傳感器的電壓輸出值與加光時的電壓輸出值相等，這時所加的電功率值就等效于加光時接收的未知光輻射功率值。
這種測量方法是使儀器跟蹤太陽，光線始終是沿絕對輻射計光軸(即垂直主光欄面)入射，絕對輻射計主腔接收到的輻射功率Po為Po＝E·A·α (1)式中E—太陽光在輻射計主光欄上的輻照度(Wcm-2)A—主光欄的面積(cm2)α—主腔的有效吸收率當(dāng)快門打開，絕對輻射計接收太陽光功率Po以后其主腔就升溫，其升溫(ΔT)的時間變化可根據(jù)絕對輻射計的熱力學(xué)微分方程的求解獲得
ΔT=PoK(1-e-1τ)---(3)]]>其中C—主腔的熱容量，K—主腔同熱沉及環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)，τ＝C/K定義為輻射計的時間常數(shù)。
這種測量方法的主要缺點是由于它需要太陽跟蹤器隨時跟蹤太陽，則需要跟蹤太陽的二軸轉(zhuǎn)平臺和驅(qū)動裝置，所以機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量重，且多一套跟蹤太陽驅(qū)動裝置，長期暴露在惡劣的空間環(huán)境中則易出故障。
本發(fā)明的目的在于用簡單的測量方法，克服二軸轉(zhuǎn)平臺和太陽跟蹤器使得機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量重；需要跟蹤太陽驅(qū)動裝置，它長期暴露在惡劣的空間環(huán)境中易出故障等問題。
本發(fā)明的測量方法是不需要太陽跟蹤裝置，絕對輻射計的視場足夠大，絕對輻射計固定在朝向太陽能經(jīng)常經(jīng)過的方向，首先絕對輻射計的快門打開進(jìn)行搜索太陽判斷是否有太陽光進(jìn)入絕對輻射計的視場，若有太陽光進(jìn)入，就開始進(jìn)行加光測量；加光測量過程中絕對輻射計的光軸相對于太陽光矢量是變化的，使太陽光矢量以一定的角速度掃描絕對輻射計的視場；在太陽光掃描絕對輻射計視場的這一段時間內(nèi)，絕對輻射計溫度傳感器的電壓輸出值為一曲線，記錄加光時電壓輸出曲線最高值；然后絕對輻射計快門關(guān)閉，在加光的同一位置上對絕對輻射計的接收器加電、加熱；調(diào)整加電量的大小，在與加光相同的時間內(nèi)，使溫度傳感器的電壓輸出值與加光時的電壓輸出最高值相等，使所加電的電功率值(絕對輻射計接收器上的加熱絲兩端電壓的平方除以加熱絲電阻)等效于加光時絕對輻射計接收的未知光輻射功率值。由這個光輻射功率值就可換算出太陽常數(shù)。太陽常數(shù)定義為在地球和太陽的平均距離上地球大氣層外單位面積內(nèi)接收的太陽光輻射功率值。
本發(fā)明中，輻射計接收的太陽光輻射是以一定的角速度變化的，需要重新建立絕對輻射計的熱力學(xué)微分方程，求解絕對輻射計接收器的溫升變化量ΔT。
絕對輻射計上接收的輻射功率是隨太陽光入射角變化的，與入射角成余弦關(guān)系，我們可把入射光輻射函數(shù)簡寫為P(t)＝PoCosθ，假設(shè)B為絕對輻射計的半視場角，則θ=(ωt-B)|t=0t------(4)]]>這樣公式(2)應(yīng)改為
求解得ΔT=PoK11+(ωCK)2[Cos(ωt-B)+ωCKSin(ωt-B)-(CosB-ωCKSinB)e-1τ]--(6)]]>由于
為10-2量級，所以
以及
很小，可近似看作0，(6)式可寫成ΔT≈PoK[Cos(ωt-B)-CosB·e-1τ]-----(7)]]>當(dāng)θ＝0時，Cos(ωt-B)＝1，則(7)式為ΔT≈1K[1-CosB·e-1τ]-----(8)]]>(8)與(3)表達(dá)形式類似，只是e指數(shù)前差一個系數(shù)。令
，用微機模擬畫出(8)與(3)公式的曲線，如圖2所示。可以看出二曲線最高點基本重合，然后又逐漸分開。二曲線的最高點只相差0.004％，而太陽常數(shù)監(jiān)測器的測量精度為0.1％，這個很小的偏差在測量數(shù)據(jù)上很難反映出來。實際測量時只需記錄下測得曲線的最大值，然后跟蹤這個數(shù)值。測得的數(shù)據(jù)再用這個偏差量進(jìn)行修正。
以上討論的是理想情況，我們認(rèn)為太陽光掃描平面與絕對輻射計光軸的夾角(以β表示)為0°。但實際不可能總是絕對為0，當(dāng)β≠0°時，P(t)＝P0cos(ωt-B)·cosβ (9)方程(2)應(yīng)變成
對于任意β值，P0·cosβ＝常數(shù)，解方程(10)，得到ΔT=PO·K·cosβK2+(ωC)2[cos(ωt-B)+ωCKsin(ωt-B)-(cosB-ωBKsinB)e-1/τ]--(11)]]>比較方程(11)與(8)，我們可看出二方程極其相似，只是相差一個系數(shù)cosβ。這表明當(dāng)太陽光掃描平面與絕對輻射計光軸有一夾角β時，絕對輻射計溫度傳感器的響應(yīng)曲線相差一個系數(shù)cosβ。β角可通過軌道參數(shù)等計算出來，測量結(jié)束后再用這一系數(shù)進(jìn)行修正，就可得出與太陽跟蹤測量方法相同的太陽常數(shù)測量結(jié)果。
本發(fā)明的積極效果本發(fā)明的測量方法在測量過程中絕對輻射計的光軸與太陽光矢量夾角是時刻變化的，即在變化過程中可完成對太陽常數(shù)的測量。在常規(guī)觀念中，太陽光必須始終沿絕對輻射計光軸入射，所以需要一套復(fù)雜的太陽跟蹤系統(tǒng)，本發(fā)明則省去了二軸轉(zhuǎn)平臺、太陽跟蹤器、太陽跟蹤驅(qū)動裝置，使測量太陽常數(shù)的儀器機械結(jié)構(gòu)簡單、重量減輕，由于本發(fā)明不需跟蹤太陽，使測量簡化、功耗降低，解決了復(fù)雜的可轉(zhuǎn)動裝置長期暴露在惡劣的空間環(huán)境易出故障的問題，使可靠性提高。


圖1為已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是已有技術(shù)和本發(fā)明兩種跟蹤方式的溫度響應(yīng)曲線；圖3是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
最佳實施例1本發(fā)明的測量方法最好是用于太陽同步衛(wèi)星上。一臺半視場大于5°小于10°的絕對輻射計朝向太陽方向安裝。衛(wèi)星沿軌道運行的每一圈都有一次測量機會。絕對輻射計的快門打開進(jìn)行搜索太陽判斷是否有太陽光進(jìn)入絕對輻射計的視場，一旦有太陽光進(jìn)入，就開始進(jìn)行加光測量；加光測量過程中絕對輻射計的光軸相對于太陽光矢量是變化的，使太陽光矢量以一定的角速度掃描絕對輻射計的視場，在太陽光掃描絕對輻射計視場的這一段時間內(nèi)，絕對輻射計溫度傳感器的電壓輸出值為一曲線，記錄下加光時電壓輸出曲線最高點值；然后絕對輻射計快門關(guān)閉，在加光的同一位置上用電對絕對輻射計的接收器加熱；調(diào)整加電量的大小，在與加光相同的時間內(nèi)，使溫度傳感器的電壓輸出值與加光時的輸出最高值相等，這時所加的電功率值就等效于加光時絕對輻射計接收的未知光輻射功率值。
最佳實施例2用于極軌道太陽同步衛(wèi)星上的太陽常數(shù)監(jiān)測器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，太陽常數(shù)監(jiān)測器由三臺半視場角θ＝7.5°的絕對輻射計構(gòu)成，三臺絕對輻射計在同一平面內(nèi)呈扇型排布，中間輻射計軸線同另兩個輻射計的軸線成±15°。極軌道太陽同步衛(wèi)星的軌道平面和太陽時圈平面之間的夾角是固定不變的。在太陽同步衛(wèi)星上把太陽常數(shù)監(jiān)測器的三臺絕對輻射計所在平面平行太陽時圈向外傾斜安裝。衛(wèi)星在軌道上運動時總有時刻太陽光是按其角速度分別越過三臺絕對輻射計的視場，三臺絕對輻射計的快門都打開，搜索太陽，以判斷是否有太陽光進(jìn)入哪臺絕對輻射計的視場，一旦有太陽光進(jìn)入哪臺絕對輻射計的視場，就開始對那臺絕對輻射計的視場進(jìn)行加光測量。衛(wèi)星在軌運行的每一圈，三臺絕對輻射計依次對太陽常數(shù)進(jìn)行測量。這種結(jié)構(gòu)可增加測量機會，三臺測得的數(shù)據(jù)可相互驗證，提高測量精度。也可以作為冗余設(shè)計，一臺備用，用兩臺進(jìn)行測量。
權(quán)利要求
1.一種測量太陽常數(shù)的方法，其特征在于其測量步驟如下首先絕對輻射計固定在朝向太陽能經(jīng)常經(jīng)過的方向；(1)絕對輻射計的快門打開進(jìn)行搜索太陽判斷是否有太陽光進(jìn)入絕對輻射計的視場，若有太陽光進(jìn)入，就開始進(jìn)行加光測量；(2)加光測量過程中絕對輻射計的光軸相對于太陽光矢量是變化的，使太陽光矢量以一定的角速度掃描絕對輻射計的視場；(3)在太陽光掃描絕對輻射計視場的這一段時間內(nèi)，絕對輻射計溫度傳感器的電壓輸出值為一曲線，記錄加光時電壓輸出曲線最高值；(4)絕對輻射計快門關(guān)閉，在加光的同一位置上對絕對輻射計的接收器加電加熱；(5)調(diào)整加電量的大小，在與加光相同的時間內(nèi)，使溫度傳感器的電壓輸出值與加光時的電壓輸出最高值相等，使所加電的電功率值等效于加光時絕對輻射計接收的未知光輻射功率值。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)輻射度測量領(lǐng)域,涉及一種用于在地球或衛(wèi)星上的測量太陽常數(shù)的方法。該方法不需要太陽跟蹤裝置,而是將絕對輻射計朝向太陽安裝,測量過程中絕對輻射計的光軸與太陽光矢量夾角是時刻變化的,即在變化過程中可完成對太陽常數(shù)的測量。本發(fā)明則省去了二軸轉(zhuǎn)平臺、太陽跟蹤器、太陽跟蹤驅(qū)動裝置,使機械結(jié)構(gòu)簡單、重量減輕,測量簡化、功耗降低,可靠性提高。
文檔編號G01S1/16GK1247320SQ9811895
公開日2000年3月15日 申請日期1998年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月10日
發(fā)明者禹秉熙, 方偉 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所