[發(fā)明專利]基于光電原理的太陽輻射觀測裝置及其實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410009888.5
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103728016A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬尚昌;張素娟;詹艷軍;楊筆鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 成都信息工程學(xué)院
• 主分類號: G01J1/42
• 分類號: G01J1/42;G01J1/44
• 代理公司: 成都頂峰專利事務(wù)所(普通合伙) 51224
• 代理人: 楊軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種太陽輻射觀測裝置，具體地說，是涉及一種基于光電原理的太陽輻射觀測裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

太陽輻射是指太陽向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流，氣象業(yè)務(wù)中觀測的輻射包括總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射，氣象業(yè)務(wù)中主要通過輻射表實(shí)現(xiàn)對輻射的觀測，因而，輻射表性能的好壞及性價(jià)比的高低為影響觀測效果的重要因素。

目前氣象業(yè)務(wù)中廣泛使用的輻射表主要存在以下缺陷：

1、每種輻射表只能實(shí)現(xiàn)一種特定的輻射觀測；

2、每種輻射表都基于光熱原理，反應(yīng)較慢；

3、每種輻射表均輸出與輻射強(qiáng)度成線性關(guān)系的毫伏信號，需配備嵌入了特定算法的數(shù)據(jù)采集器才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)輻射氣象要素的觀測，操作較為復(fù)雜；

4、隨著時(shí)間推移，輻射表因器件老化等原因?qū)a(chǎn)生零點(diǎn)漂移，會(huì)對觀測精度造成不利影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于光電原理的太陽輻射觀測裝置及其實(shí)現(xiàn)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的輻射表功能較為單一，只能實(shí)現(xiàn)某種特定輻射觀測，且反應(yīng)較慢，觀測精度不佳的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于光電原理的太陽輻射觀測裝置，包括微處理器，與微處理器相連的1~3路基于光電原理的信號檢測及處理電路，與微處理器雙向連接的補(bǔ)償電路、監(jiān)控電路、存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路和通信接口電路。

具體地說，所述信號檢測及處理電路包括光電檢測電路，輸入端與光電檢測電路相連的信號調(diào)理電路，輸入端與信號調(diào)理電路相連、輸出端與微處理器相連的A/D轉(zhuǎn)換電路。

為了提高使用精度，所述信號檢測及處理電路還包括輸入端與微處理器相連、輸出端與信號調(diào)理電路相連的自動(dòng)調(diào)零電路。

進(jìn)一步地，所述光電檢測電路包括對總輻射進(jìn)行接收的第一光電二極管，僅對直接輻射或散射輻射進(jìn)行接收的第二光電二極管和第三光電二極管，以及輸入端與第一光電二極管、第二光電二極管、第三光電二極管均相連、輸出端與信號調(diào)理電路相連的信號檢測電路。

作為優(yōu)選，所述微處理器為嵌入式低功耗微處理器。

基于上述器件電路，本發(fā)明提供了一種基于光電原理的太陽輻射觀測裝置的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

（1）用三只光電二極管感應(yīng)太陽輻射，其中一只用于感應(yīng)太陽總輻射，另外兩只用于感應(yīng)太陽散射輻射；

（2）光電檢測電路對總輻射進(jìn)行檢測，并將檢測到的信號依次傳遞至信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，之后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳遞至微處理器進(jìn)行分析計(jì)算；

（3）微處理器根據(jù)接收到的數(shù)字信號分析計(jì)算得到太陽總輻射、直接輻射和散射輻射實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)；

（4）微處理器將采集到的信號進(jìn)行處理，并根據(jù)經(jīng)緯度和北京時(shí)計(jì)算地方時(shí)，與計(jì)算到的數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)，并自動(dòng)根據(jù)時(shí)間判斷在新月時(shí)啟動(dòng)調(diào)零電路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零處理。

本發(fā)明中，所述微處理器連接有進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和輸出的通信接口電路，接收及響應(yīng)上位機(jī)通過串口發(fā)送的命令，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、校時(shí)、讀取及補(bǔ)調(diào)數(shù)據(jù)等。

所述步驟（3）中，直接輻射通過以下公式得出：

其中，為光照度到輻照度轉(zhuǎn)換線性比例修正系數(shù)；為第一支光電二極管光接收總輻射的光電強(qiáng)度；為直接輻射或散射輻射光電二極管光接收窗口系數(shù)；為第二支光電二極管光接收直接輻射或散射輻射的光電強(qiáng)度；為第三支光電二極管光接收直接輻射或散射輻射的光電強(qiáng)度；為光照度到輻照度轉(zhuǎn)換補(bǔ)償系數(shù)；

水平面直接輻射通過以下公式得出：

其中，為垂直于太陽入射光的直接輻射；為根據(jù)經(jīng)緯度和北京時(shí)間計(jì)算的太陽高度角；

????散射輻射通過以下公式得出：

???

其中，為太陽總輻射和散射輻射光電二極管接收窗口至天空2π立體角系數(shù)；

太陽總輻射通過以下公式得出：。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明針對現(xiàn)有輻射表的不足，通過特定的信號檢測及處理電路實(shí)現(xiàn)了對多種輻射的檢測，且擯棄了現(xiàn)有技術(shù)中慣用的光熱檢測原理，采用光電檢測原理進(jìn)行檢測，速度更快，功能更齊全，能充分滿足使用需求。

（2）本發(fā)明中設(shè)置有監(jiān)控電路、補(bǔ)償電路、時(shí)鐘電路，且它們均與微處理器相連，幾者相互配合后能實(shí)現(xiàn)輻射表的補(bǔ)償，有效提高輻射表的觀測精度，且設(shè)置了相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)零電路，從而進(jìn)一步提高了使用精度，設(shè)計(jì)十分巧妙，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。