CN103175503B - 测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法 - Google Patents

Abstract

测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，涉及太阳辐照度测量领域，为了解决现有测量方法操作不便与误差的问题，技术方案：根据辐射计视场设计参数计算辐射计全视场角、半强度视场角和无遮拦视场，根据绝对辐射计对不同视场的功率响应变化规律，描出功率响应随入射角度变化的理论梯形曲线；将辐射计安装到太阳指向系统中，利用模拟太阳光源照射，首先由太阳指向系统测量光源入射角度，然后由辐射计测量在此角度下的辐射计功率响应值，测量辐射计在不同光源入射角度的功率响应值，得出实际测量的辐射计功率响应随入射角度变化的归一化梯形曲线；确定实际测量的归一化梯形曲线上底中点位置的垂线对应的角度与理论曲线对称轴对应角度的差值绝对值。

Description

测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法

技术领域

本发明涉及太阳辐照度测量领域，具体涉及到使用太阳跟踪方式测量太阳辐照度时太阳指向方向与辐射计光轴夹角的测量方法。 

背景技术

采用太阳跟踪方式测量太阳辐照度的方法，将腔型绝对辐射计放置在太阳跟踪系统上，跟踪系统调节辐射计方向使其实时指向太阳测量。跟踪系统由运动机构、反馈控制系统和角度输出单元（通常是太阳敏感器）组成。太阳敏感器采用小孔成像原理将在其视场中的太阳成像到面阵CCD上，通过计算太阳像偏离CCD原点的位置，计算出此刻的观测太阳方向，通过反馈控制系统驱动运动机构运动，调节太阳指向方向，直到太阳在CCD上的成像落在CCD原点上。至此太阳跟踪系统完成对日定向功能。太阳敏感器实时反馈太阳观测角度信息，控制太阳指向系统实时指向太阳。 

腔型绝对辐射计测量太阳辐照度，辐射计视场由视场光阑和主光阑共同确定，如图1所示。为了减小杂散光、背景辐射等误差项的影响，辐射计视场通常设计的很小（θ₃≤2°）。由于太阳的张角为0.5°，如果太阳光入射方向偏离辐射计光轴，不仅仅会引入过多的杂散光，还会造成测量不到完整的太阳辐射，产生不准确的测量结果。所以需要测量并且修正太阳指向方向与辐射计光轴的夹角，使太阳指向系统精确指向太阳时，太阳光能够沿着辐射计光轴入射。 

现有的测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，由图1可见，辐射计光轴方向为垂直于主光阑平面的方向，需要先将主光阑平面法线方向引出，由经纬仪测量主光阑法线方向，然后将太阳指向系统中的角度测量输出单元（通常是太阳敏感器）的光轴引出，用经纬仪测量其光轴方向，通过测量的这两个方向计算出太阳指向方向与辐射计光轴的夹角。在辐射计装配和安装完成后，从主光阑平面引出其法线方向变得很困难，需要经过多层转化，将此平面法线方向转化成易于测量的方向，转化过程带来了额外的误差，使测量结果不准确。 

发明内容

本发明为了解决现有测量太阳指向方向与腔型绝对辐射计光轴夹角的测量方法中将辐射计光轴引出时带来的不便与误差的问题，提出了一种测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，实现简单直接的测量。 

本发明的技术方案如下： 

测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，包括以下步骤： 

步骤一：根据辐射计视场设计参数计算辐射计全视场角2θ₁、半强度视场角2θ₂和无遮拦视场2θ₃，根据辐射计对不同视场的功率响应变化规律，描出功率响应随入射角度变化的理论梯形曲线； 

步骤二：将辐射计安装到太阳指向系统中，利用模拟太阳光源照射，首先由太阳指向系统测量光源入射角度θ，然后由辐射计测量在此角度下的辐射计功率响应值，连续改变光源入射角度θ，使其在-θ₁～θ₁之内变化，测量辐射计在不同光源入射角度的功率响应值，得出实际测量的辐射计功率响应随入射角度变化的归一化梯形曲线； 

步骤三：确定实际测量的归一化梯形曲线上底中点位置的垂线对应的角度与理论梯形曲线对称轴对应角度的差值，该差值为太阳指向方向与辐射计光轴夹角。 

本发明的有益效果：本发明所述的测量方法，是根据绝对辐射计对不同视场的功率响应变化规律，描出功率响应随入射角度变化的理论梯形曲线，进而确定理论曲线对称轴对应角度；通过实际测量射计在不同光源入射角度的功率响应值，得出实际测量的辐射计功率响应随入射角度变化的归一化曲线，进而确定实际测量梯形曲线上底中点对应的角度；计算实际测量梯形曲线上底中点对应的角度与理论曲线对称轴对应角度的差值绝对值，即为太阳指向方向与辐射计光轴夹角，这种方法操作简单，精度高，避免了现有测量方法中需要引出辐射计光轴和太阳指向方向，需要额外的测量角度的设备带来的误差和不便。 

附图说明

图1为辐射计视场示意图。 

图2为辐射计视场内功率响应变化示意图。 

图3为太阳指向方向与辐射计光轴夹角计算方法示意图。 

图中：1、理论梯形曲线，根据辐射计设计视场给出的辐射计功率响应随光源入射角度变化的曲线，2、归一化梯形曲线，实际测量的辐射计功率响应随太阳跟踪系统测量的光源入射角度变化的曲线，3、实际测量的归一化梯形曲线上底中点位置的垂线，4、理论梯形曲线对称轴。 

具体实施方法 

下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步详细说明。 

本发明给出了一种太阳辐照度的跟踪式测量模式中测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法。具体步骤如下： 

步骤一：根据辐射计视场设计参数计算辐射计全视场角2θ₁、半强度视场角2θ₂和无遮拦视场2θ₃，根据绝对辐射计对不同视场的功率响应变化规律，描出功率响应随入射角度变化的理论梯形曲线。 

由图1可见，辐射计视场由视场光阑和主光阑共同确定，根据视场设计参数即光阑直径D和主光阑孔径d以及二者间距L，计算辐射计视场角，分别为： 

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{D+d}{2L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{D}{2L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_3={\tan }^{-1}\left(\frac{D-d}{2L}\right)$

则2θ₁为辐射计全视场角，即太阳光斑在此角度入射时刚刚开始进入接收腔； 

2θ₂为半强度视场角，即太阳光斑在此角度入射时被遮挡一半； 

2θ₃为无遮拦视场角，即太阳光斑在此角度之内入射都会全部进入到接收腔。计算得到辐射计3个视场角后，功率为P₀的光源在以上三种不同角度入射到绝对辐射计，辐射计功率响应随光线入射角度θ变化的规律可以表示为图2所示的梯形。 

如图3所示，对于具体的辐射计视场设计参数：d=8mm、D=13.3mm、L=100mm，计算出辐射计的视场为：θ₁=6.08°、θ₂=3.80°、θ₃=1.52°，当单位功率的光源入射时，由图2所示的规律能够得到辐射计功率响应随光线入射角度变化的归一化的理论梯形曲线1，为了清楚表达见图3，横坐标区间选择-3.5°～4°。 由于辐射计视场是轴对称的，对称轴为光轴，所以理论梯形曲线1的是以角度为0°的直线作为对称轴4。 

步骤二：将辐射计安装到太阳指向系统中，利用模拟太阳光源照射，首先由太阳指向系统测量光源入射角度θ，然后由辐射计测量此角度下的辐射计功率响应值，连续改变光源入射角度θ，使其在-θ₁～θ₁之内变化，测量辐射计在不同光源入射角度的功率响应值，实际测量的数据见表l，根据实际测量数据给出辐射计功率响应随光源入射角度变化的归一化梯形曲线2，如图3所示。 

表1实际测量的辐射计功率响应随光源入射角度变化的数据： 

光源入射角度	归一化的辐射计功率响应
		3.30	0.64526
3.13	0.69225
		2.95	0.74744
2.70	0.80334
		2.52	0.85255
2.33	0.90174
		2.11	0.95948
1.93	0.98364
		1.71	0.99167
1.49	1.00383
		1.31	1.00356
1.09	0.9997
		0.91	1.01711
0.70	0.99995
		0.51	1.01489
0.23	0.99957
		0.12	0.9961
-0.12	0.99648
		-0.31	0.99527
-0.51	1.00201
		-0.71	0.98073
-0.89	0.99338
		-1.09	1.00576
-1.32	0.99325
		-1.49	0.94528
-1.71	0.91532
		-1.91	0.87017
-2.09	0.79629
		-2.30	0.75204
-2.51	0.69042
		-2.70	0.61755

步骤三、确定实际测量的归一化梯形曲线2上底中点位置的垂线3对应的角度，对于表1中的实际测量数据，判断归一化梯形曲线2上底的两个端点分别为1.71°和-1.32°，其中点为对应的角度为（1.71°+（-1.32°））/2=0.195°，此角度0.195°与理论梯形曲线2对称轴4对应角度0°的差值的绝对值，即为太阳指向方向与辐射计光轴夹角0.195°。 

Claims (3)

1.测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据辐射计视场设计参数计算辐射计全视场角2θ₁、半强度视场角2θ₂和无遮拦视场2θ₃，根据辐射计对不同视场的功率响应变化规律，描出功率响应随入射角度变化的理论梯形曲线(1)；

其特征是，步骤二：将辐射计安装到太阳指向系统中，利用模拟太阳光源照射，首先由太阳指向系统测量光源入射角度θ，然后由辐射计测量在此角度下的辐射计功率响应值，连续改变光源入射角度θ，使其在-θ₁～θ₁之内变化，测量辐射计在不同光源入射角度的功率响应值，得出实际测量的辐射计功率响应随入射角度变化的归一化梯形曲线(2)；

步骤三：确定实际测量的归一化梯形曲线(2)上底中点位置的垂线(3)对应的角度与理论梯形曲线(1)对称轴(4)对应角度的差值，该差值为太阳指向方向与辐射计光轴夹角。

2.根据权利要求1所述的测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，其特征在于，步骤一中所述计算辐射计视场的方法是，根据视场光阑直径D、主光阑孔径d和二者之间的距离L，计算辐射计视场为：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{D+d}{2L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{D}{2L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_3={\tan }^{-1}\left(\frac{D-d}{2L}\right)$

则2θ₁为辐射计全视场；2θ₂为半强度视场；2θ₃为无遮拦视场。

3.根据权利要求1所述的测量太阳指向方向与辐射计光轴夹角的方法，其特征在于，理论梯形曲线(1)对称轴(4)对应的光源入射角θ＝0°。