一种黑体腔吸收比的测量方法与流程
本发明涉及太阳光辐照度测量的技术领域，具体涉及一种黑体腔吸收比的测量方法。
背景技术：
太阳总辐照度(Total Solar Irradiance，TSI)是地球外部能源的主要来源。太阳绝对辐射计是观测太阳总辐照度的主要手段。太阳绝对辐射计基于电功率复现光功率产生的腔温变化的原理，通过精确测量的等效电功率可以获得未知的光功率。
目前，各国都在进行太阳总辐照度(TSI)的测量。比利时将太阳辐照度绝对辐射计搭载在航天器上长期监测太阳总辐照度(TSI)；美国采用TIM监测太阳总辐照度(TSI)；瑞士采用PMOD6监测太阳总辐照度(TSI)；中国采用自主研制的太阳总辐照度监测仪(TISM)进行监测太阳总辐照度(TSI)。
太阳绝对辐射计的核心探测器是黑体腔，光功率在黑体腔内经过多次反射和吸收，转化为温升，从而使得腔温达到新的平衡状态。黑体腔的吸收比是测量太阳总辐照度的重要修正量，在使用太阳绝对辐射计前，需要在实验室测量黑体腔的吸收比。目前，为了保证光源的稳定性，测量黑体腔吸收比的方法通常采用激光作为光源。然而，在实际应用过程中，太阳绝对辐射计的光源是太阳。相比于太阳，激光的光源半径较小，不能照亮黑体腔的底面，而太阳辐射经过主光阑是可以照亮黑体腔的整个底面，黑体腔的实际吸收比应该是整个黑体腔地面吸收比的平均值。因此，传统方法测量的黑体腔吸收比与实际上的黑体腔的吸收比存在系统误差。
因此，针对现有测量黑体腔吸收比所存在的问题，急需一种能够避免或减少系统误差的测量黑体腔吸收比的方法。
技术实现要素：
针对现有黑体腔吸收比的测量方法所存在的系统误差问题，本发明实施例提出一种采用二维扫描方式的测量黑体腔吸收比的方法。本发明实施例所提供的黑体腔吸收比的测量方法采用二维扫描方式，使得激光的单点光源也可以照亮黑体腔的整个底面，避免了现有测量方式由于激光单点光源所引起的系统误差，并采用平均吸收比表征黑体腔对太阳辐射的实际吸收比，有效地提高了测量精度和准确性。
该黑体腔吸收比的测量方法的具体方案如下：一种黑体腔吸收比的测量方法，包括以下步骤：将黑体腔吸收比的测量装置中的第一积分球安装于二维平台上；在黑体腔入光孔所在的平面内建立二维坐标系，将信号光的光斑中心位置作为坐标点；所述二维平台带动所述第一积分球以预设的步距在所述坐标系内移动；穿过所述第一积分球的信号光分别扫描黑体腔、标准白板和背景，从而获得相应的信号光电压矩阵和参考光电压矩阵；根据所获得的信号光电压矩阵和参考光电压矩阵，计算黑体腔吸收比矩阵。
优选地，所述相应的信号光电压矩阵和参考光电压矩阵包括黑体腔的信号光电压矩阵和黑体腔的参考光电压矩阵，标准白板的信号光电压矩阵和标准白板的参考光电压矩阵，背景的信号光电压矩阵和背景的参考光电压矩阵。
优选地，所述黑体腔的光电压矩阵和黑体腔的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式1和公式2所示：
公式1：
公式2：
其中，Vdc(x,y)为黑体腔的信号光电压矩阵，Vfc(x,y)为黑体腔的参考光电压矩阵。
优选地，所述标准白板的信号光电压矩阵和标准白板的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式3和公式4所示：
公式3：
公式4：
其中，Vdw(x,y)为标准白板的信号光电压矩阵，为标准白板的参考光电压矩阵。
优选地，所述背景的信号光电压矩阵和背景的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式5和公式6所示：
公式5：
公式6：
其中，Vdb(x,y)为背景的信号光电压矩阵，Vfb(x,y)为背景的参考光电压矩阵。
优选地，所述计算黑体腔吸收比矩阵的具体公式如公式7所示：
公式7：αc(x,y)＝E-ρw[μc(x,y)-μb(x,y)]./[μb(x,y)-μb(x,y)]
其中，αc(x,y)为黑体腔吸收比矩阵，μc(x,y)为黑体腔的信号矩阵，μw(x,y)为标准白板的信号矩阵，μb(x,y)为背景的信号矩阵，ρw为标准白板的反射率，E是元素全部为1的矩阵，E的维数与信号光电压矩阵相同。
优选地，求取黑体腔吸收比矩阵的平均值，获得黑体腔的平均吸收比，具体的计算表达式如公式8所示：
公式8：αc＝mean(mean(αc(x,y)))
其中，αc为黑体腔的平均吸收比，αc(x,y)为黑体腔吸收比矩阵。
优选地，所述方法还包括步骤：采用所述参考光电压矩阵修正所述信号光矩阵。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的黑体腔吸收比的测量方法通过二维平台带动通过信号光的第一积分球沿垂直于所述信号光的平面上移动，通过扫描的方式使得信号光可以照亮黑体腔的整个底面，避免了现有测量方式由于激光单点光源所引起的系统误差，并采用平均吸收比表征黑体腔对太阳辐射的实际吸收比，有效地提高了测量精度和准确性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种黑体腔吸收比的测量装置的示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种黑体腔吸收比测量方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中提供的建立坐标系的示意图；
图4为根据本发明实施例所提供方法测的的黑体腔吸收比的散点图。
附图标记说明：
100、测量装置 10、激光 20、功率稳定器
30、分光镜 40、第二积分球 50、第一积分球
60、二维平台 70、第二光电转换器 80、第一光电转换器
91、黑体腔 93、标准白板 52、入光孔
54、出光孔 A、参考光路 B、信号光路
101、信号光光斑 911、黑体腔入光口
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种黑体腔吸收比的测量装置的示意图。测量装置100包括用于作为光源的激光10，用于将激光10发出的光分成参考光和信号光的分光镜30，用于接收所述信号光的第一积分球50，连接第一积分球50且用于将信号光转换为信号光电压的第一光电转换器80，用于接收参考光的第二积分球40，连接第二积分球40且用于将参考光转换为参考光电压的第二光电转换器70。其中，第一积分球40安装于二维平台60上，第一积分球40能够在垂直于信号光的平面上移动。
由于激光相比于其他光源具有较强的光稳定性，因此，测量装置100采用激光作为光源。在一优选实施例中，测量装置100还包括功率稳定器20，用于提高激光10的光源稳定性。功率稳定器20位于激光10和分光镜30之间，进一步提高光源的稳定性。
在该实施例中，分光镜30采用半透半反镜。激光所发出的光经过半透半反镜，一部分光透过半透半反镜成为参考光，沿着参考光路A进入第二积分球40；另一部分光经过半透半反镜反射成为信号光，沿着信号光路B进入第一积分球50。分光镜30的主要功能是将激光10发出的光分成两束光，一束为参考光、另一束为信号光。分光镜30也可采用直角三棱镜或偏振镜等其他实现分光功能的光学器件。
在该实施例中，二维平台60具有动力源(图中未示出)，在动力源的驱动下，二维平台60能够沿垂直于所述信号光的平面移动，进而带动连接在二维平台60上的第一积分球50沿垂直于所述信号光的平面移动。当然，二维平台60也可通过人工手动进行移动。
在该实施例中，测量装置100还包括位于第一积分球50的出光孔54前方的样品，样品用于反射穿过第一积分球50的信号光。在该实施例中，样品包括黑体腔91、标准白板93和背景(图中未示出)。第一积分球50沿垂直于所述信号光的平面移动，使得穿过第一积分球50的信号光能够分别扫描样品区的黑体腔91、标准白板93和背景(图中未示出)。
参考光进入第二积分球40后，再通过第二光电转换器70转换成参考光电压，用于监测光源的变化。信号光进入第一积分球50后，被样品区的黑体腔91、标准白板93和背景分别反射，并通过第一光电转换器80转换成相应的信号光电压。第一光电转换器80和第二光电转换器70的主要功能是将光信号转换成电信号。在该实施例中，第一光电转换器80和第二光电转换器70都采用光电二极管进行光电转换。
在该实施例中，测量装置100的第一积分球50安装于二维平台60上，二维平台60能够沿垂直于所述信号光的平面移动，进而带动连接在二维平台60上的第一积分球50沿垂直于所述信号光的平面移动。穿过第一积分球50的信号光能够以预设的步距扫描黑体腔，从而实现照亮黑体腔整个底面，避免了现有测量方式由于激光单点光源所引起的系统误差，并采用平均吸收比表征黑体腔对太阳辐射的实际吸收比，有效地提高了测量精度和准确性。
如图2所示，本发明实施例中还提供的一种黑体腔吸收比测量方法。本发明实施例提供的黑体腔吸收比的测量方法采用上文所述的测量装置100进行测量，具体包括五个步骤。
步骤S1：将黑体腔吸收比的测量装置100中的第一积分球50安装于二维平台60上。二维平台60能够沿垂直于所述信号光的平面移动，进而带动连接在二维平台60上的第一积分球50沿垂直于所述信号光的平面移动，实现对黑体腔91的扫描。测量装置100的具体介绍如上文所述，此处不再赘述。
步骤S2：在黑体腔入光孔911所在的平面内建立二维坐标系，将信号光的光斑101中心位置作为坐标点。如图3所示，本发明实施例中提供的建立坐标系的示意图。信号光光斑101的中心位置(x,y)作为直角坐标系的坐标点。
步骤S3：二维平台60带动所述第一积分球50以预设的步距在所述坐标系内移动。预设的步距大小可根据测量的精度及黑体腔的大小而确定，此处不再举例具体数值。在一次测量过程中，预设步距一旦设定，则不会在测量过程中变动。
步骤S4：穿过所述第一积分球的信号光分别扫描黑体腔91、标准白板93和背景，从而获得相应的信号光电压矩阵和参考光电压矩阵。
将黑体腔91安装在第一积分球50的出光孔54处(即样品区)，从坐标系的原点开始，以预设步距扫描黑体腔91，获得黑体腔的信号光电压矩阵和黑体腔的参考光电压矩阵。黑体腔的光电压矩阵和黑体腔的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式1和公式2所示：
其中，Vdc(x,y)为黑体腔的信号光电压矩阵，Vfc(x,y)为黑体腔的参考光电压矩阵。
将标准白板93安装在第一积分球50的样品区，从坐标系的原点开始，以如上的预设步距扫描标准白板93，获得标准白板的信号光电压矩阵和标准白板的参考光电压矩阵。标准白板的信号光电压矩阵和标准白板的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式3和公式4所示：
其中，Vdw(x,y)为标准白板的信号光电压矩阵，为标准白板的参考光电压矩阵。
去掉第一积分球50的样品的标准白板93，从坐标系的原点开始，以如上的预设步距扫描白板(即背景)，获得背景的信号光电压矩阵和背景的参考光电压矩阵。背景的信号光电压矩阵和背景的参考光电压矩阵的具体表达式，如公式5和公式6所示：
其中，Vdb(x,y)为背景的信号光电压矩阵，Vfb(x,y)为背景的参考光电压矩阵。
由于各个电压矩阵是分时获得的，为消除由于光源漂移而引入的系统误差，在一优选实施例中，测量方法还包括步骤S41：采用参考光电压矩阵修正信号光矩阵。具体的修正公式如下所示：
μc(x,y)＝Vdc(x,y)./Vfc(x,y)
μw(x,y)＝Vdw(x,y)./Vfw(x,y)
μb(x,y)＝Vdb(x,y)./Vfb(x,y)
其中，μc(x,y)为黑体腔的信号矩阵，μw(x,y)为标准白板的信号矩阵，μb(x,y)为背景的信号矩阵。
步骤S5：根据所获得的信号光电压矩阵和参考光电压矩阵，计算黑体腔吸收比矩阵。计算黑体腔吸收比矩阵的具体公式如公式7所示：
αc(x,y)＝E-ρw[μc(x,y)-μb(x,y)]./[μb(x,y)-μb(x,y)] (公式7)
其中，αc(x,y)为黑体腔吸收比矩阵，μc(x,y)为黑体腔的信号矩阵，μw(x,y)为标准白板的信号矩阵，μb(x,y)为背景的信号矩阵，ρw为标准白板的反射率，E是元素全部为1的矩阵，E的维数与信号光电压矩阵相同。
通过求取黑体腔吸收比矩阵的平均值，获得黑体腔的平均吸收比，具体的计算表达式如公式8所示：
αc＝mean(mean(αc(x,y))) (公式8)
其中，αc为黑体腔的平均吸收比，αc(x,y)为黑体腔吸收比矩阵。
在该发明实施例中，测量方法采用二维扫描方式，可以检测黑体腔吸收比的均匀性，并采用平均吸收比表征黑体腔对太阳辐射的实际吸收比，提高了绝对测量精度，避免了现有技术中采用激光作为光源，只能获得黑体腔内单点吸收比，而与实际吸收比存在系统偏差的问题。
如图4所示，根据本发明实施例所提供方法测的的黑体腔吸收比的散点图。在该实验测试中，采用锥腔作为黑体腔，采用本发明实施例所提供的测量方法测量锥腔的吸收比。测量装置100的二维平台60的预设步距为0.2mm，分别扫描锥腔、标准白板和背景，获得信号电压矩阵。再根据公式7计算锥腔的吸收比矩阵，再利用公式8计算获得锥腔的平均吸收比为0.997164。图4为根据吸收比矩阵所作的吸收比的散点图。从图4中可看出，锥腔吸收比分布不均匀，且中心位置的吸收比较低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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