RU2789993C1 - System for measuring solar spectra of the atmosphere - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of measuring technology and concerns a system for measuring the solar spectra of the atmosphere. The system includes a solar tracker tracking the sun, containing a two-coordinate turntable with built-in stepper motors, on which clockwork optics is located, including a lens transmitting radiation to a multimode quartz light guide, after which matching optics, including a lens and a light filter, directs radiation to the input slit of a diffraction spectrometer. A CCD ruler is used as a photo-reading device. In addition, the solar tracker contains a GPS-GLONASS signal reception system and a microprocessor-based turntable control system.

EFFECT: reducing the time of registration of the solar spectra of the atmosphere and ensuring that the system can work in the presence of clouds.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерению спектров пропускания атмосферой солнечного излучения.The invention relates to the measurement of transmission spectra of solar radiation by the atmosphere.

Известно техническое решение, состоящее в устройстве слежения за Солнцем, входящем в состав системы управления горизонтальным солнечным телескопом Саянской Солнечной обсерватории (BevzovA.N., KotovV.N.,LubkovA.A., LylovS.A.,PerebeynosS.V. Automated control system for horizontal solar telescope o Sayansk solar observatory. // Proceedings of the IASTED International Conferences on Automation, Control and InformationTechnology (ACIT 2010) (Novosibirsk, Russia, June 15-18, 2010), vol. "Control,DiagnosticsandAutomation", ActaPress, Calgary, 2010. P. 178-182). В блоке фотодатчиков этой подсистемы используется четыре пары фотоприемников, расположенных попарно по окружности, с центральным углом 90° между парами и ориентацией по осям X и Y. Такая конструкция блока фотодатчиков решает проблему виньетирования, но имеет недостаток - слежение осуществляется всего по двум точкам края изображения объекта, так что при изменении его углового размера, происходит медленное смещение центра изображения с цикличностью один год, и что бы избежать этого, оператор должен периодически в начале каждого наблюдения вручную симметрично смещать фотодатчики вдоль осей X и Y, чтобы компенсировать это изменение. Второй недостаток данного варианта - это отсутствие режима автоматического выбора при виньетировании любого из фотодатчиков и оператор должен выбирать не виньетированную пару фотодатчиков вручную. И, наконец, третий недостаток - отсутствие связи с компьютером для управления режимами работы и контроля состояния устройства слежения. Следствие третьего недостатка известного технического решения является невозможность работы в автоматическом режиме слеженияA technical solution is known, consisting in a tracking device for the Sun, which is part of the control system for the horizontal solar telescope of the Sayan Solar Observatory (BevzovA.N., KotovV.N., LubkovA.A., LylovS.A., PerebeynosS.V. Automated control system for horizontal solar telescope o Sayansk solar observatory // Proceedings of the IASTED International Conferences on Automation, Control and Information Technology (ACIT 2010) (Novosibirsk, Russia, June 15-18, 2010), vol. "Control, Diagnostics and Automation", ActaPress, Calgary, 2010. P. 178-182). The photosensor block of this subsystem uses four pairs of photodetectors arranged in pairs around the circumference, with a central angle of 90° between the pairs and orientation along the X and Y axes. This design of the photosensor block solves the problem of vignetting, but has the disadvantage that tracking is carried out only by two points of the image edge object, so that when its angular size changes, the center of the image slowly shifts with a cycle of one year, and in order to avoid this, the operator must periodically, at the beginning of each observation, manually symmetrically shift the photo sensors along the X and Y axes to compensate for this change. The second drawback of this option is the absence of an automatic selection mode when any of the photosensors is vignetted, and the operator must manually select a non-vignetted pair of photosensors. And, finally, the third drawback is the lack of communication with a computer to control the operating modes and monitor the state of the tracking device. A consequence of the third drawback of the known technical solution is the inability to work in automatic tracking mode.

Известно следящее за Солнцем устройство «Фотоэлектрическое устройство для слежения за Солнцем», RU 160483 U1, в котором гидирование осуществляется по двум участкам изображения объекта, и фотоприемники расположены попарно на освещенных и не освещенных зонах изображения границы объекта на дуге с центральным углом 90° между парами с ориентацией по осям X и Y. Такая конструкция системы имеет тот же недостаток, что и предыдущая - при слежении только по двум участкам изображения объекта в случае виньетирования хотя бы одного из фотоприемников происходит потеря объекта слежения и добавляется еще один недостаток - при изменении размеров объекта слежения, например, Солнца, угловой размер которого изменяется на 3,27% в течение года, центр объекта будет смещаться на ту же величину, что недопустимо для системы гидирования телескопа и требует перенастройки положения датчиков оператором вручную.Known tracking the Sun device "Photoelectric device for tracking the Sun", EN 160483 U1, in which guiding is carried out in two areas of the image of the object, and photodetectors are located in pairs on the illuminated and unilluminated areas of the image of the boundary of the object on an arc with a central angle of 90 ° between the pairs with orientation along the X and Y axes. This design of the system has the same drawback as the previous one - when tracking only two areas of the object image, in the event of vignetting of at least one of the photodetectors, the tracking object is lost and another drawback is added - when the object is resized tracking, for example, the Sun, whose angular size changes by 3.27% during the year, the center of the object will shift by the same amount, which is unacceptable for the telescope's guiding system and requires the operator to manually reconfigure the position of the sensors.

Известно устройство слежения, входящее в подсистему гидирования солнечного телескопа (Зотов А.А., Котов В.Н., Лубков А.А., Лылов С.А., Автоматическое управление солнечным телескопом // Датчики и системы. 2008. №10. С. 8-10), содержащее фотоэлектрическую систему, состоящую из четырех фотодиодов, расположенных по окружности, диаметром равным проекции изображения Солнца, на противоположных концах двух взаимно перпендикулярных диаметров X, Y, совпадающих с осями α и δ управления главным зеркалом телескопа по азимуту и углу места. Сигналы рассогласования для управления приводами каждой оси (X, Y) формируются по формулеA tracking device is known, which is part of the subsystem for guiding a solar telescope (Zotov A.A., Kotov V.N., Lubkov A.A., Lylov S.A., Automatic control of a solar telescope // Sensors and systems. 2008. No. 10. pp. 8-10), containing a photovoltaic system consisting of four photodiodes located around a circle with a diameter equal to the projection of the image of the Sun, at opposite ends of two mutually perpendicular diameters X, Y, coinciding with the axes α and δ of controlling the main mirror of the telescope in azimuth and place corner. Mismatch signals for controlling the drives of each axis (X, Y) are formed according to the formula

ΔU=k lg(I₁/I₂),ΔU=k log(I ₁ /I ₂ ),

где k - коэффициент размерности равный 1,0 В;where k is the dimension factor equal to 1.0 V;

I₁, I₂ токи верхнего/нижнего и/или правого/левого фотодиода на входе усилителей, пропорциональные соответствующим яркостям.I ₁ , I ₂ currents of the upper/lower and/or right/left photodiode at the input of the amplifiers, proportional to the corresponding brightness.

Такая конструкция фотодатчиков допустима только в телескопах, в которых оптическая схема построена так, что виньетирование фотоприемников невозможно, т.к. имеется недостаток - при виньетировании хотя бы одного из фотоприемников происходит потеря объекта слежения по одной из координат, что делает невозможным процесс слежения за объектом.This design of photo sensors is admissible only in telescopes in which the optical scheme is constructed in such a way that photodetector vignetting is impossible, because there is a drawback - when at least one of the photodetectors is vignetted, the tracking object is lost along one of the coordinates, which makes it impossible to track the object.

Известен солнечный спектрометр (M. Gisi, F. Hase, S. Dohe, andT. Blumenstock // Camtracker: a new camera controlled high precision solar tracker system for FTIR-spectrometers (Atoms.Meas. Tech., 4, 47-54, 2011)), использующий 20-футовый контейнер для размещения Фурье-спектрометра высокого разрешения IFS 125HR с максимальным оптическим путем 257 см. Трекер смонтирован поверх контейнера.Known solar spectrometer (M. Gisi, F. Hase, S. Dohe, and T. Blumenstock // Camtracker: a new camera controlled high precision solar tracker system for FTIR-spectrometers (Atoms. Meas. Tech., 4, 47-54, 2011)) using a 20-foot container to house an IFS 125HR high-resolution Fourier spectrometer with a maximum optical path of 257 cm. The tracker is mounted on top of the container.

Солнечный свет отражается в контейнер двумя плоскими эллипсовидными зеркалами, имеющими диаметр 12 см. Первое зеркало построено на системе вращения RV80PP, чтобы можно было получить доступ к различным высотам. Вся установка с обоими зеркалами смонтирована на ступени вращения Newport RV160PP. Этот двигатель способен перемещать значительный вес, а также несет крышку трекера, так что отверстие ориентировано в направлении наблюдения. RV160PP имеет диаметр оси 11 см, через который свет падает вертикально вниз в контейнер, где он направляется на входное окно Фурье-спектрометра.Sunlight is reflected into the container by two flat elliptical mirrors having a diameter of 12 cm. The first mirror is built on an RV80PP rotation system to allow access to different heights. The entire setup with both mirrors is mounted on a Newport RV160PP rotation stage. This motor is capable of moving considerable weight and also carries the tracker's cover so that the opening is oriented in the direction of observation. The RV160PP has an axis diameter of 11 cm through which light falls vertically downwards into a container where it is directed to the entrance window of the Fourier spectrometer.

Оптический путь от второго следящего зеркала до входного окна спектрометра составляет около 2,5 м. Грубая настройка трекера на Солнце осуществляется привязкой к широте и долготе места расположения и к гринвическому времени. Для контроля и тонким управлением трекером используется USB-камера (VRmagic VRM C-9 PRO BW с 1280 x 1024 пикселями) в качестве оптической обратной связи, которая регистрирует излучение, рассеянное обратно от освещенной стороны входного отверстия спектрометра. Камера оснащена стандартным объективом и соответствующими оптическими фильтрами для регулировки уровня освещенности. Благодаря зависящей от длины волны рефракции воздуха, необходимо оснащать камеру инфракрасным фильтром, который пропускает излучение свыше 750 нм. Солнечный диск имеет диаметр около 240 пикселей на записанных картинках, диаметры остановки поля охватывают диапазон около 30 до 160 пикселей. Изображения оцениваются на стандартном ПК в режиме реального времени программой с использованием соответствующих алгоритмов обработки изображений, чтобы определить фактическую точность отслеживания и вычислить требуемые корректировки для астрономической дорожки с зеркальными углами. Затем программа посылает команды отслеживания в двигатель-контроллер (Newport XPS) через IP-соединение. После прохождения входного окна солнечный свет параллелизуется с помощью коллиматора, а затем поступает в интерферометр и, наконец, подается на детекторы. Система позволяет регистрировать колебательно-вращательные спектры поглощения атмосферы с высоким спектральным разрешением (0.01см-1) за период времени 15-20 мин.The optical path from the second tracking mirror to the entrance window of the spectrometer is about 2.5 m. Rough adjustment of the tracker to the Sun is carried out by reference to the latitude and longitude of the location and to GMT. For control and fine control of the tracker, a USB camera (VRmagic VRM C-9 PRO BW with 1280 x 1024 pixels) is used as optical feedback, which registers the radiation scattered back from the illuminated side of the spectrometer inlet. The camera is equipped with a standard lens and appropriate optical filters to adjust the light level. Due to the wavelength-dependent refraction of the air, it is necessary to equip the camera with an infrared filter that passes radiation above 750 nm. The solar disk has a diameter of about 240 pixels in the recorded images, the stop field diameters cover a range of about 30 to 160 pixels. The images are evaluated on a standard PC in real time by the program using appropriate image processing algorithms to determine the actual tracking accuracy and calculate the required corrections for the mirror angle astro track. The program then sends tracking commands to the engine controller (Newport XPS) over an IP connection. After passing through the entrance window, the sunlight is parallelized by a collimator and then enters the interferometer and finally is fed to the detectors. The system makes it possible to record the vibrational-rotational absorption spectra of the atmosphere with a high spectral resolution (0.01cm-1) over a period of 15-20 min.

Недостатком данной системы является длительное время регистрации солнечных спектров атмосферы, получаемых с помощью Фурье-спектрометра и необходимость иметь дополнительную систему обратной связи для точного наведения на Солнце.The disadvantage of this system is the long time of recording the solar spectra of the atmosphere obtained using the Fourier spectrometer and the need to have an additional feedback system for accurate pointing at the Sun.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является солнечный спектрометр на основе дифракционного спектрометра, оснащенного скоростной системой регистрации на основе ПЗС-линейки (Махмудов Ф.А. "Разработка системы для регистрации солнечного спектра", Магистерская диссертация, Национальный исследовательский томский политехнический университет, 2020 г.; стр. 24 - 26, 55, 57; рис. 7, 8). Разработанное устройство включает трекер слежения за Солнцем, заводную оптику для ввода излучения в световод, согласующую оптику для направления излучения в спектрометр и быстродействующий дифракционный спектрометр для регистрации спектра.Closest to the proposed invention is a solar spectrometer based on a diffraction spectrometer equipped with a high-speed registration system based on a CCD line (Makhmudov F.A. "Development of a system for recording the solar spectrum", Master's thesis, National Research Tomsk Polytechnic University, 2020; pp. 24 - 26, 55, 57; Fig. 7, 8). The developed device includes a solar tracking tracker, winding optics for inputting radiation into a light guide, matching optics for directing radiation into a spectrometer, and a high-speed diffraction spectrometer for recording the spectrum.

Ориентация системы на не закрытое облаками Солнце в процессе его движения производится с помощью специального оптико-электронного устройства (трекера), установленного на двухкоординатном (азимут/зенит) поворотном столе. В состав оптико-электронного устройства входят 4 фотодиода грубого наведения и 4-секторный фотодиод ФД-142 точного слежения. Четырехсекторный фотодиод установлен в фокусе линзы, а фотодиоды грубого наведения развернуты друг относительно друга для увеличения общего поля обзора. Оптические оси двух систем совмещены таким образом, что после работы схемы грубого наведения Солнце оказывается в поле зрения линзы системы точного слежения. Управление шаговыми электроприводами поворотного стола осуществляется с помощью электронных схем разностных сигналов, поступающих от датчиков грубого и точного наведения. В случае закрывания прямого солнечного излучения облаком управление шаговыми двигателями нарушается.The orientation of the system to the Sun not covered by clouds during its movement is performed using a special optoelectronic device (tracker) installed on a two-coordinate (azimuth/zenith) turntable. The optical-electronic device includes 4 coarse-guided photodiodes and a 4-sector fine-tracking photodiode FD-142. A four-sector photodiode is mounted at the focus of the lens, and the coarse-guided photodiodes are rotated relative to each other to increase the overall field of view. The optical axes of the two systems are aligned in such a way that after the operation of the coarse guidance scheme, the Sun is in the field of view of the lens of the fine tracking system. The rotary table stepping electric drives are controlled by electronic circuits of differential signals coming from coarse and fine pointing sensors. If direct solar radiation is covered by a cloud, the control of stepper motors is disrupted.

Система заводной оптики не имеет жесткой системы заводки солнечного излучения в спектрометр, а включает линзу, передающую излучение на многомодовый кварцевый световод. Излучение со световода направляется с помощью линзы и светофильтра на входную щель дифракционного спектрометра. В качестве фотосчитывающего устройства дифракционного спектрометра используется ПЗС - линейка, которая имеет 2048 ячеек со временем регистрации 20-300 мс. Это позволяет проводить регистрацию солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек.The winding optics system does not have a rigid system for winding solar radiation into the spectrometer, but includes a lens that transmits radiation to a multimode quartz light guide. The radiation from the light guide is directed by means of a lens and a light filter to the entrance slit of the diffraction spectrometer. As a photoreader of the diffraction spectrometer, a CCD is used - a ruler, which has 2048 cells with a registration time of 20-300 ms. This makes it possible to record the solar spectra of the atmosphere for a time interval of less than 1 s.

Недостатком устройства является невозможность слежения за Солнцем при наличии облачности и отсутствие автоматизации процесса слежения за Солнцем.The disadvantage of the device is the impossibility of tracking the Sun in the presence of clouds and the lack of automation of the process of tracking the Sun.

Цель изобретения - создание системы для регистрации солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек, оснащенного трекером наведения на Солнце с помощью сигналов GPS-ГЛОНАСС, что обеспечивает работу при наличии облачности.The purpose of the invention is to create a system for recording the solar spectra of the atmosphere for a period of time less than 1 second, equipped with a tracker pointing at the Sun using GPS-GLONASS signals, which ensures operation in the presence of clouds.

Техническим результатом заявляемого изобретения является регистрация солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек, с помощью трекера наведения на Солнце, использующего сигналы GPS- ГЛОНАСС.The technical result of the claimed invention is the registration of the solar spectra of the atmosphere for a period of time less than 1 second, using a tracker pointing at the Sun using GPS-GLONASS signals.

Указанная цель достигается тем, что трекер наведения спектрометра на Солнце, в отличие от прототипа, не настраивается с помощью датчиков на видимый диск Солнца, а использует микропроцессорную систему, входными данными у которой являются время, дата и координаты, полученные от преемника сигналов GPS.This goal is achieved by the fact that the tracker pointing the spectrometer at the Sun, unlike the prototype, is not tuned with sensors to the visible disk of the Sun, but uses a microprocessor system, the input data of which are the time, date and coordinates received from the receiver of the GPS signals.

Технический результатом заявляемого изобретения достигается за счет использования трекера наведения на Солнце, включающего систему приема сигналов GPS- ГЛОНАСС и микопроцессорную систему управления поворотным столом с помощью шаговых двигателей.The technical result of the claimed invention is achieved through the use of a sun pointing tracker, including a GPS-GLONASS signal reception system and a microprocessor turntable control system using stepper motors.

Трекер включает (фиг. 1) двухкоординатный поворотный (азимут/зенит) стол (2), на котором располагается заводная оптика, содержащая линзу (3), после которой солнечное излучение заводится в световод (6). Настройка поворотного стола на Солнце осуществляется шаговыми двигателями, сигнал на которые поступает с микропроцессорной системы (4), связанной с приемником сигналов GPS- ГЛОНАСС (5). Излучение со световода направляется с помощью согласующей оптики (линзы и светофильтра) (7) на входную щель дифракционного спектрометра ДФС-452 (8). В спектрометре использована отражательная дифракционная решетка 600 штр./мм. В качестве фотосчитывающего устройства применена ПЗС - линейка Sony 1LX511 (9), которая имеет 2048 ячеек и длину ≈28 мм со временем регистрации 20-300 мс.The tracker includes (Fig. 1) a two-coordinate rotary (azimuth/zenith) table (2), on which winding optics is located, containing a lens (3), after which the solar radiation enters the light guide (6). The adjustment of the turntable to the Sun is carried out by stepper motors, the signal to which comes from a microprocessor system (4) connected to a GPS-GLONASS signal receiver (5). The radiation from the fiber is directed by matching optics (lens and light filter) (7) to the entrance slit of the DFS-452 diffraction spectrometer (8). The spectrometer uses a reflective diffraction grating of 600 lines/mm. As a photoreader, a Sony 1LX511 (9) CCD was used, which has 2048 cells and a length of ≈28 mm with a registration time of 20–300 ms.

Работа системы осуществляется следующим образом:The system works as follows:

Излучение Солнца (1) с помощью заводной оптики (3) с фокусным расстоянием F=70 мм, расположенной на поворотном столе (2), заводится в многомодовый кварцевый световод (6) диаметром 1 мм. Поворот 2-х координатого поворотного стола в горизонтальном и вертикальном направлениях осуществляется двумя шаговыми двигателями, сигнал на которые подаются микропроцессорной системой (4), входными данными у которой являются время, дата и координаты, полученные от приемника сигналов GPS- ГЛОНАСС (5). Расчет углов места и азимута солнца осуществляется по алгоритму предложенному Paul Schlyter, Stockholm, Sweden. Излучение со световода направляется с помощью согласующей оптики (линзы и светофильтра) (7) с фокусным расстоянием F=70 мм на входную щель дифракционного спектрометра ДФС-452 (8). В спектрометре использована отражательная дифракционная решетка 600 штр./мм. В качестве фотосчитывающего устройства применена ПЗС - линейка Sony 1LX511 (9), которая имеет 2048 ячеек и длину ≈28 мм со временем регистрации нужного участка спектра 20-300 мс. Управление работой системы (включение, выключение, поворот трекера), регистрация и обработка данных, полученных на ПЗС-линейке, производится в реальном времени интернет сервером, выполненном на однокристальном микроконтроллере W7500P (10) кампании WIZnet.Solar radiation (1) with the help of clockwork optics (3) with a focal length F=70 mm, located on the turntable (2), is fed into a multimode quartz fiber (6) with a diameter of 1 mm. Rotation of a 2-coordinate turntable in the horizontal and vertical directions is carried out by two stepper motors, the signal to which is supplied by a microprocessor system (4), the input data of which are the time, date and coordinates received from the GPS-GLONASS signal receiver (5). The calculation of elevation angles and azimuth of the sun is carried out according to the algorithm proposed by Paul Schlyter, Stockholm, Sweden. The radiation from the fiber is directed by matching optics (lens and light filter) (7) with a focal length F=70 mm to the entrance slit of the DFS-452 diffraction spectrometer (8). The spectrometer uses a reflective diffraction grating of 600 lines/mm. As a photoreader, a Sony 1LX511 (9) CCD was used, which has 2048 cells and a length of ≈28 mm with a recording time of the desired part of the spectrum of 20-300 ms. System operation control (switching on, switching off, turning the tracker), registration and processing of data obtained on the CCD-line, is performed in real time by an Internet server based on a W7500P (10) single-chip microcontroller of the WIZnet campaign.

На фиг. 2. приведен солнечный спектр атмосферы в области 0,8 мкм, зарегистрированный с помощью системы за интервал времени 300 мс.In FIG. 2. shows the solar spectrum of the atmosphere in the region of 0.8 μm, recorded using the system for a time interval of 300 ms.

Claims (1)

Система для измерения солнечных спектров атмосферы, включающая солнечный трекер слежения за солнцем, содержащий двухкоординатный поворотный стол со встроенными шаговыми двигателями, на котором располагается заводная оптика, включающая линзу, передающую излучение на многомодовый кварцевый световод, после которого согласующая оптика, включающая линзу и светофильтр, направляет излучение на входную щель дифракционного спектрометра, в качестве фотосчитывающего устройства используется ПЗС-линейка, отличающаяся тем, что солнечный трекер, включает систему приема сигналов GPS-ГЛОНАСС и микропроцессорную систему управления поворотным столом.A system for measuring the solar spectra of the atmosphere, including a solar tracker for tracking the sun, containing a two-coordinate turntable with built-in stepper motors, on which is located winding optics, including a lens that transmits radiation to a multimode quartz light guide, after which matching optics, including a lens and a light filter, directs radiation to the entrance slit of the diffraction spectrometer, a CCD ruler is used as a photoreader, which is characterized in that the solar tracker includes a GPS-GLONASS signal reception system and a microprocessor control system for the turntable.

Images