[發明專利]一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法

有效

• 申請號: 202111521370.6
• 申請日: 2021-12-15
• 公開（公告）號: CN114200670B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 張健;崇偉;張國玉;呂文華;孫高飛;賀曉雷;劉石;邊澤強;蘇拾;徐達;楊松州;孟遙;任太陽;楊曉彤;運志坤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學;中國氣象局氣象探測中心
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/10;G01J1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法。屬于非成像光學技術領域。本發明根據測量角度要求設置自由曲面反射鏡的具體光路結構，根據反射定律和全球太陽直接輻射角度變化規律，設計出滿足預定測量要求的自由曲面反射鏡，實現全球太陽直接輻射光線經過自由曲面反射鏡反射后在傳感器中心被接收，得到太陽直接輻射數據，完成太陽直接輻射測量。該自由曲面通過曲面有限元劃分得到的。本發明結構緊湊、簡單；為后續太陽輻射測量領域新產品和新應用提供理論基礎和技術支持。

技術領域

本發明涉及非成像光學技術領域，尤其涉及一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法

背景技術

太陽輻射是地球最重要的能量來源，其變化影響著地球的氣候與環境。太陽輻射主要分為直接輻射和散射輻射兩類，其中直接輻射與太陽自身狀態緊密相關，對其光譜輻照度和總輻照度測量有助于長期監測太陽活動變化，反演云量以及大氣氣溶膠光學特性，對太陽能資源開發、大氣環境與污染監測、氣候變化、極端天氣災害預警以及保證農業生產等具有重要意義。

目前地面測量太陽直接輻射光譜輻照度的儀器主要分為光譜式和通道式兩種，均利用太陽跟蹤裝置實現太陽直接輻射的采集。其中，2016年鄭茹等設計了一種基于余弦校正器的光譜型太陽輻射觀測儀，利用余弦器外露配合擋光環實現了入射角小于±80°、300-1000nm范圍內的太陽光譜輻照度測量；2019年Grobner?J等采用平場凹面光柵作為色散與會聚元件，實現了350nm-1000nm范圍內太陽光譜輻照度室外觀測；2020年李建玉等設計了一種多波段激光大氣透過率測量的太陽輻射計，得到1.064,1.315和1.54μm的大氣透過率。

現有的太陽直接輻射總輻照度測量方法主要為總輻射法和直接輻射測量法兩類。其中，荷蘭KippZonen公司基于總輻射測量方法，利用多個硅光電二極管設計了CSD系列日照時數傳感器。江蘇無線電科學研究所也基于此方法，設計了一種采用多分天穹的遮光方案的WUSH-RZ2日照傳感器，此類方法存在難以修正的原理性誤差。德國Logotronic公司的SD系列日照傳感器和錦州陽光氣象科技公司的TBS系列直接輻射表基于直接輻射測量方法，利用二維跟蹤機構實現對太陽直接輻射總輻照度的測量，其跟蹤精度受算法與天氣影響，跟蹤范圍小。日本EKO公司研制的MS系列日照時數測量系統，利用磨砂反射鏡，實現了±58°的地球緯度區間內無需自動太陽跟蹤裝置的日照時數測量，由于其反射鏡經過磨砂處理，難以控制全年太陽直接輻射測量的均勻性且儀器一致性難以保證。

發明內容

本發明的目的在于為了克服背景技術的不足，提供了一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法。

本發明所采用的技術方案是：

(1)設置自由曲面反射鏡的光路結構，待測光線位于所述自由曲面反射鏡上方接收角范圍之內，接收面位于所述自由曲面反射鏡右側，所述待測光線為太陽直接輻射光線，當待測光線經過自由曲面反射鏡時都能反射在傳感器中心被接收；根據初始設計對自由曲面反射鏡進行自由曲面設計；

(2)以自由曲面反射鏡的光軸O'O的方向為x軸正方向建立直角坐標系xyz，根據太陽直接輻射光線不同角度對步驟(1)所確定的自由曲面反射鏡的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太陽直接輻射光線與自由曲面反射鏡面型的映射關系，將夏至日正午太陽直接輻射光線、冬至日正午太陽直接輻射光線以及與二分日正午太陽直接輻射光線在自由曲面反射鏡的入射點用S、W、O表示，其對應的自由曲面反射鏡面型坡度為γ_S、γ_W、γ_O，其公式為：

其中β_S為夏至日正午太陽直接輻射光接收視場、β_W為冬至日正午太陽直接輻射光接收視場、α_S為夏至日正午太陽直接輻射光線入射角度、α_W為冬至日正午太陽直接輻射光線入射角度；