CN114061753A - 基于移动非稳定平台的太阳光度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于移动非稳定平台的太阳光度计，包括陀螺稳定平台、设置在陀螺稳定平台上的二维转台、单臂探头、大视场鱼眼成像***、下位机控制***、工控机；所述单臂探头前端安装两个平行光筒，分别为测量光筒和成像光筒；所述成像光筒为小视场精跟踪成像***，所述测量光筒用于太阳光的数据采集，将采集数据传输给下位机控制***；所述大视场鱼眼成像***用于捕获太阳的方位信息，并将太阳方位信息传给工控机；所述工控机作为集成操作平台，协调控制各器件的运行，由下位机控制***控制二维转台旋转实现太阳的自动跟踪与信号测量。本发明能够在移动非稳定平台下进行同时观测400～1100nm多个分立波段的太阳光谱。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种基于移动非稳定平台的太阳光度计。
背景技术
太阳光度计又称太阳辐射计，主要用来测量太阳直接辐射光谱特性的仪器，通过测量不同波长的太阳直接辐射随太阳高度角的变化来得到水汽和大气气溶胶，因此它是大气光学、气象研究和空气污染监测的良好设备。但是由于它的传统跟踪方式是天文视日轨迹跟踪法和四象限法相结合的粗、精跟踪技术，该种方法是基于稳定平台、南北方位可定位的情况下，只能在固定平台上进行测量。并且四象限法是利用四象限探测器的四个象限光强分布来跟踪太阳，该方法跟踪视场角太小,且只能跟踪慢速变化的目标。
因此亟需提供一种可用于移动非稳定平台上测量水汽和气溶胶的太阳光度计来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于移动非稳定平台的太阳光度计，能够在移动非稳定平台下进行同时观测400～1100nm多个分立波段的太阳光谱。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于移动非稳定平台的太阳光度计，包括陀螺稳定平台、设置在陀螺稳定平台上的二维转台、安装在二维转台一侧的单臂探头、安装在二维转台顶面的大视场鱼眼成像***、下位机控制***、工控机；
所述单臂探头前端安装两个平行光筒，分别为测量光筒和成像光筒；所述成像光筒为小视场精跟踪成像***，用于设置跟踪区间，通过精跟踪成像将太阳与跟踪区间的坐标差传给工控机；所述测量光筒用于太阳光的数据采集，将采集数据传输给下位机控制***；
所述大视场鱼眼成像***用于捕获太阳的方位信息，并将太阳方位信息传给工控机；所述工控机作为集成操作平台，协调控制各器件的运行，将获取的太阳方位的像素间距转换成二维转台的电机驱动步数，通过串口通信发送给下位机控制***，由下位机控制***控制二维转台旋转实现太阳的自动跟踪与信号测量。
在本发明一个较佳实施例中，所述二维转台包括底座箱、转动部件、减速器、步进电机、零位定位装置；
所述转动部件包括垂直安装于底座箱的水平转动箱体，单臂探头平行于底座箱、安装在水平转动箱体的侧面；
所述减速器和步进电机设置于水平转动箱体内，用于直接驱动单臂探头在水平和俯仰方位转动；
所述零位定位装置设置于水平转动箱体内，用于定位水平转动箱体的零位。
在本发明一个较佳实施例中，所述大视场鱼眼成像***包括球型衰减镜、鱼眼镜头和第一数字CCD图像传感器。
进一步的，所述鱼眼镜头的视场角大于180°。
在本发明一个较佳实施例中，所述成像光筒包括衰减滤光片、第一透镜和第二数字CCD图像传感器，通过透镜成像将小视场内的太阳光斑成像于第二数字CCD图像传感器。
进一步的，所述成像光筒的内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片，内部含有第一透镜，后端开孔且带有外螺纹，第二数字CCD图像传感器位于单臂探头内部，带有内螺纹的镜头圈，与成像光筒后端的外螺纹连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述测量光筒包括防尘窗口镜、视场光阑组、透镜，太阳辐射通过防尘窗口镜后，消杂散光的视场光阑以及透镜，用于消除杂散光。
在本发明一个较佳实施例中，所述单臂探头内还包括滤轮、滤轮电机、光电探测器，滤轮上安装有若干不同波段的滤光片；
在测量时通过滤轮电机旋转，使不同波段的滤光片对准探测光路，由光电探测器获得400～1100nm分立波段的太阳光谱，光电探测器将辐射信号由下位机控制***传送至工控机。
进一步的，所述滤轮上均匀分布有若干个滤光片和一个用于背景测量的黑色不透光块，由滤轮电机驱动，通过程序自动控制转盘上滤光片的定位和切换，滤轮转盘转动一圈完成各波段的光谱测量。
在本发明一个较佳实施例中，该太阳光度计还包括GPS模块，用于获取太阳光度计移动时的实时经纬度信息，辅助数据跟踪和数据的反演。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有高精度、移动平台测量、宽观测范围、恶劣环境工作以及集成化控制的优势，能根据直接辐射数据反演出大气透过率以及水汽含量等大气参量；
(2)本发明采用大视场鱼眼成像***和成像光筒的双CCD两段式粗、精跟踪技术，可在移动非稳定平台下完成对太阳的全天候全自动移动跟踪，且跟踪精度高于1角分；
(3)本发明采用透镜和鱼眼镜头成像，将天文视日轨迹跟踪方法和图像处理技术相结合达到更大的跟踪视场和较高的跟踪精度，在满足太阳光度计用于移动非稳定平台条件下的移动测量的同时，也可应用于其它对移动状态下太阳跟踪精度要求较高的场合。
附图说明
图1是本发明基于移动非稳定平台的太阳光度计的立体结构示意图；
图2是所述单臂探头的结构示意图；
图3是本发明的光学平台示意图；
图4是本发明所述海上透过率的测量图。
附图中各部件的标记如下：1、陀螺稳定平台，2、二维转台，21、底座箱，22、水平转动箱体，3、单臂探头，31、测量光筒，311、防尘窗口镜，312、视场光阑组，3121、孔径光阑，313、第二透镜，32、成像光筒，321、衰减滤光片，322、第一透镜，323、第二数字CCD图像传感器，33、滤轮，331、滤光片，34、滤轮电机，35、光电探测器，4、大视场鱼眼成像***，5、下位机控制***，6、工控机，7、GPS模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种基于移动非稳定平台的太阳光度计，包括陀螺稳定平台1、设置在陀螺稳定平台1上的二维转台2、安装在二维转台2一侧的单臂探头3、安装在二维转台2顶面的大视场鱼眼成像***4、下位机控制***5、工控机6和GPS模块7。单臂探头3在二维转台2的驱动下可以在水平轴和俯仰轴的两个正交维度上旋转，实现对全空域内目标平稳精确的跟踪。该太阳光度计不仅可以在海上移动平台下进行移动测量，对海上水汽和气溶胶进行测量，也可以适用于车载平台测量使用。
结合图2，所述单臂探头3前端安装两个平行光筒，分别为测量光筒31和成像光筒32；所述成像光筒32为小视场精跟踪成像***，用于设置跟踪区间，通过精跟踪成像将太阳与跟踪区间的坐标差传给工控机；所述测量光筒31用于太阳光的数据采集，将采集数据传输给下位机控制***5；所述大视场鱼眼成像***4用于捕获太阳的方位信息，并将太阳方位信息传给工控机6；所述工控机6作为集成操作平台，协调控制各器件的运行，将获取的太阳方位的像素间距转换成二维转台2的电机驱动步数，通过串口通信发送给下位机控制***，由下位机控制***5控制二维转台2旋转实现太阳的自动跟踪与信号测量。
具体的，所述二维转台2包括底座箱21、转动部件、减速器、步进电机、零位定位装置，实现平台的水平俯仰转动跟踪太阳并由分光信号测量***进行数据采集。所述转动部件包括垂直安装于底座箱的水平转动箱体22，单臂探头3平行于底座箱21、安装在水平转动箱体22的侧面；所述减速器和步进电机包括水平和俯仰方位的两套设备，设置于水平转动箱体22内，用于直接驱动单臂探头3在水平和俯仰方位转动；所述零位定位装置也设置于水平转动箱体22内，用于定位水平转动箱体22的零位。所述陀螺稳定平台1安装在底座箱21下部过滤移动平台下的高频震动，为防止海浪颠簸造成测量误差，通过陀螺稳定平台1对海浪颠簸进行校正，保证海上晃动平台上设备的平稳。为保证其探测精度，其用于海测时的海况等级不要超过4级海况。
所述二维转台2由步进电机与减速器组成的中空旋转平台减速比为1：18，配合驱动器理论上电机***角度分辨率可以达到11.25角秒。
在水平转动箱22的顶部安装有大视场鱼眼成像***4，包括球型衰减镜、鱼眼镜头和第一数字CCD图像传感器。优选的，所述鱼眼镜头的视场角大于180°，保证太阳在天空中一定可以被鱼眼镜头捕捉。在本示例中，所述大视场鱼眼成像***CCD靶面尺寸宽为8.8mm，高为6.6mm，鱼眼镜头视场角为280°。
结合图3，所述成像光筒32包括衰减滤光片321、第一透镜322和第二数字CCD图像传感器323，通过透镜成像将小视场内的太阳光斑成像于第二数字CCD图像传感器323，设置跟踪区间，将太阳与跟踪区间的坐标差传给工控机6。
进一步的，所述成像光筒32的内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片321，内部含有第一透镜322，后端开孔且带有外螺纹，第二数字CCD图像传感器323位于单臂探头3内部，带有内螺纹的镜头圈，与成像光筒32后端的外螺纹连接。优选的，所述成像光筒32的第二数字CCD图像传感器323靶面尺寸宽为8.5mm，高为7.1mm，通过小孔成像其视场角为12.86°；成像光筒32的通光孔径为28mm，透镜焦距为26mm。
所述分光信号测量***包括防尘窗口镜311、视场光阑组312、第二透镜313、安装在滤轮33序列上的不同波段的滤光片331、滤轮电机34、光电探测器35。其中，防尘窗口镜311、视场光阑组312、第二透镜313位于测量光筒31内，滤轮33、滤轮电机34、光电探测器35位于单臂探头3内部。所述单臂探头3设有防尘窗口镜311，太阳辐射通过防尘窗口镜311后，消杂散光的视场光阑312以及第二透镜313，能够有效地消除杂散光。优选的，测量光路焦距设计为68.7mm，光电探测感光面直径大小为3.6mm，由感光面前端的孔径光阑3121限定接收视场为3°。在光路中加入安装在滤轮33序列上的不同波段的滤光片331对入射的太阳光进行选择，在测量时通过滤轮电机34旋转，使不同波段的滤光片331对准探测光路，由光电探测器35获得400～1100nm分立波段的太阳光谱。经过RS422通信传输控制协议将测得的太阳辐射信号由下位机控制***5传送至工控机6，工控机6读取GPS模块7获取经纬度信息再进行计算、显示、存储。
结合图4，在本示例中，根据船载太阳光度计集成观测的需求，选择带宽为10nm的400nm、440nm、500nm、532nm、610nm、670nm、780nm、870nm、940nm、1050nm、1064nm等11种滤光片331，可以根据应用需求，定制测量波段。设计了滤轮33上均匀对称分布着11块滤光片和1个用于背景测量的黑色不透光块，由混合式步进电机(即滤轮电机34)驱动，通过程序自动控制转盘上滤光片331的定位和切换，转盘转动一圈可完成各波段的光谱测量。
为了尽可能减小杂散光对测量数据的影响，测量光筒31内部以及多级视场光阑312都经过发黑处理，保证视场角外的漫射杂散光不能进入光路。光电探测器35同时观测400～1100nm11个分立波段的太阳光谱，通过RS422传输协议将辐射信号传送至工控机6。工控机6作为太阳光度计的集成操作平台，协调控制各器件的运行，实时存储并显示大气测量数据。
所述下位机控制***5以AVR采集控制模块为核心，通过它可完成太阳光度计的自动控温、数据采集、通讯等各项功能。要达到足够高的测量精度，采用高性能的光伏探测元件(光电探测器35)，并能控制其工作温度，采用变增益放大器以达到较大的动态范围。下位机控制***5能够实现对测量组件的分布式控制。
所述太阳光度计的工作原理为：
太阳光通过大视场鱼眼成像***4获取鱼眼图像，采用黑白棋盘进行角点检测的方式对镜头的畸变系数进行计算，将获取的镜头畸变系数输入到鱼眼镜头模型当中，进行图像校正，计算太阳方位角。读取工控机6内的时间和GPS模块7的实时经纬度信息，根据天文视日轨迹法计算太阳高度角。将太阳高度角、方位角转换成俯仰电机和水平电机的驱动步数，电机驱动水平转动箱体21和单臂探头3转动使得成像光筒32对着太阳大致方位，之后太阳光通过衰减滤光片321后，通过焦距为26mm的第一透镜322后，将太阳光成像于第二CCD图像传感器323的靶面上。成像光筒32的通光孔径为28mm,第二CCD图像传感器323靶面大小宽为8.5mm，高为7.1mm。
下位机控制***5通过串口通讯协议实现电机的位移控制和速度调节，移动非稳定平台太阳跟踪***可以控制搭载测量光筒31等载荷在水平轴和俯仰轴的两个正交维度上旋转，将其稳定在设定的惯性空间，从而可以完成对目标平稳精确的跟踪。同时俯仰和水平两路电机直接驱动单臂探头3，不需要中间传动机构，消除了中间传动链引入的误差，使二维转台2具有优于27角秒跟踪角分辨率。
本发明使移动非稳定平台下的太阳跟踪技术在国内首次被用于大气科学领域的太阳直接辐射强度测量仪器中，采用大视场鱼眼成像***和成像光筒的双CCD两段式粗、精跟踪技术，可实现在移动非稳定平台下的全天候全自动跟踪，跟踪精度高于1角分。
所述太阳光度计的技术指标是：
驱动方式：步进电机驱动***(角分辨率11.25角秒，2轴向)；
鱼眼成像***视场角：280°；
海况承受等级：≤4；
测量波段：400～1100nm分立波段；
接收视场角：3°。
所述太阳光度计的优势在于移动平台测量、宽观测范围、恶劣环境工作以及集成化控制，能根据直接辐射数据反演出大气透过率以及水汽含量等大气参量，同时解决了有不均匀云时，利用四象限光强的分布来跟踪太阳会不准的局限性问题。太阳光度计能够同时观测400～1100nm多个分立波段的太阳光谱，同时克服传统太阳光度计基于固定平台的局限，可以在船舶航行途中完成对太阳的实时跟踪与数据测量。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，包括陀螺稳定平台、设置在陀螺稳定平台上的二维转台、安装在二维转台一侧的单臂探头、安装在二维转台顶面的大视场鱼眼成像***、下位机控制***、工控机；
所述单臂探头前端安装两个平行光筒，分别为测量光筒和成像光筒；所述成像光筒为小视场精跟踪成像***，用于设置跟踪区间，通过精跟踪成像将太阳与跟踪区间的坐标差传给工控机；所述测量光筒用于太阳光的数据采集，将采集数据传输给下位机控制***；
所述大视场鱼眼成像***用于捕获太阳的方位信息，并将太阳方位信息传给工控机；所述工控机作为集成操作平台，协调控制各器件的运行，将获取的太阳方位的像素间距转换成二维转台的电机驱动步数，通过串口通信发送给下位机控制***，由下位机控制***控制二维转台旋转实现太阳的自动跟踪与信号测量。
2.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述二维转台包括底座箱、转动部件、减速器、步进电机、零位定位装置；
所述转动部件包括垂直安装于底座箱的水平转动箱体，单臂探头平行于底座箱、安装在水平转动箱体的侧面；
所述减速器和步进电机设置于水平转动箱体内，用于直接驱动单臂探头在水平和俯仰方位转动；
所述零位定位装置设置于水平转动箱体内，用于定位水平转动箱体的零位。
3.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述大视场鱼眼成像***包括球型衰减镜、鱼眼镜头和第一数字CCD图像传感器。
4.根据权利要求3所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述鱼眼镜头的视场角大于180°。
5.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述成像光筒包括衰减滤光片、第一透镜和第二数字CCD图像传感器，通过透镜成像将小视场内的太阳光斑成像于第二数字CCD图像传感器。
6.根据权利要求5所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述成像光筒的内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片，内部含有第一透镜，后端开孔且带有外螺纹，第二数字CCD图像传感器位于单臂探头内部，带有内螺纹的镜头圈，与成像光筒后端的外螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述测量光筒包括防尘窗口镜、视场光阑组、透镜，太阳辐射通过防尘窗口镜后，消杂散光的视场光阑以及透镜，用于消除杂散光。
8.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述单臂探头内还包括滤轮、滤轮电机、光电探测器，滤轮上安装有若干不同波段的滤光片；
在测量时通过滤轮电机旋转，使不同波段的滤光片对准探测光路，由光电探测器获得400～1100nm分立波段的太阳光谱，光电探测器将辐射信号由下位机控制***传送至工控机。
9.根据权利要求8所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，所述滤轮上均匀分布有若干个滤光片和一个用于背景测量的黑色不透光块，由滤轮电机驱动，通过程序自动控制转盘上滤光片的定位和切换，滤轮转盘转动一圈完成各波段的光谱测量。
10.根据权利要求1所述的基于移动非稳定平台的太阳光度计，其特征在于，还包括GPS模块，用于获取太阳光度计移动时的实时经纬度信息，辅助数据跟踪和数据的反演。
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