一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法与流程

本发明涉及太阳光辐照度测量的技术领域，具体涉及一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法。

背景技术：

太阳总辐照度(totalsolarirradiance，tsi)可以计算太阳常数，对太阳物理学和高层大气研究都具有重要意义。目前，太阳总辐照度主要采用太阳辐照度绝对辐射计进行测量。太阳辐照度绝对辐射计是一种电替代绝对辐射计，测量结果可直接溯源至国际基本单位制(si)中的电流。太阳辐照度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，使得腔温达到新的平衡状态。基于电替代的测量原理，利用电功率复现光功率产生的腔温变化，通过精确测量的等效电功率可获得未知的光功率。

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双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)进行监测太阳总辐照度(tsi)。

为标定各国的太阳绝对辐射计，世界气象组织在瑞士达沃斯设立了世界辐射中心。世界辐射中心采用七台太阳绝对辐射计组成世界标准辐射计组(wsg)，将世界标准辐射计组(wsg)的加权测量结果作为世界辐射基准(wrr)。为传递世界辐射基准(wrr)，世界辐射中心每五年在达沃斯举办一次国际日射强度计比对(ipc)。通过外场定标，获得各台仪器以及世界标准辐射计组(wsg)对地面太阳辐照度的同步测量结果，从而获得以世界辐射基准(wrr)为基准的矫正因子。受大气条件变化影响，地面太阳辐照度的稳定性比空间太阳辐照度的稳定性差，通过缩短测量周期可以提高太阳绝对辐射计的测量精度。为保证定标精度，外场定标要求各仪器采用相同的测量周期。由于受黑体腔的时间常数限制，最初的测量周期长达180s。随着测量方法的优化，测量周期从180s逐步缩短至90s，目前最短的测量周期可达60s。

中国采用自主研制的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量过程包括辐射观测阶段和电定标阶段，两个阶段都要求黑体腔达到稳定状态。双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量方法基于黑体腔的数学模型，根据开快门初期的腔温变化预测平衡温度，并通过调整补偿电功率使腔温快速恢复到平衡状态。理论上认为，在恒定的加热功率作用下，腔温响应具有单e指数形式。实际的测量过程中，即使补偿电功率与光功率之和与电定标功率相当，在开快门和关快门时刻，腔温还是会产生明显的脉冲，进而破坏了腔温的热平衡状态，从而增加了恢复平衡状态的时间，增加了测量周期。

因此，针对现有双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)所存在的问题，急需一种缩短双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量周期的方法。

技术实现要素：

针对现有现有双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)所存在的问题，本发明实施例提出一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法。本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法通过修正光功率和电功率共同作用下的腔温响应模型，引入修正时间补偿黑体腔的光电不等效性，解决了传统siar测量过程中的温度脉冲问题，进而缩短测量周期。

该基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法的具体方案如下：一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法，包括以下步骤：根据黑体腔的腔温动态响应模型和平衡温度，获取开快门时刻和关快门时刻的修正腔温响应模型；引入修正时间，获取所述修正腔温响应模型的单e指数形式；在辐射观测阶段，将电功率调整为补偿电功率，经过所述修正时间后，再开快门，采用初始时刻的腔温调整补偿电功率，直至腔温恢复热平衡状态，从而获得第一平衡温度和补偿电功率；在电定标阶段，将电功率调整为电定标功率，经过所述修正时间后，再关快门，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度和电定标功率。

优选地，黑体腔的腔温的热平衡方程如公式2所示：

公式2：

其中，t(t)是腔温，c是黑体腔的热容，k是黑体腔的热导率，pe为输入加热功率，ps是黑体腔接受的辐射功率。

优选地，求解公式2得到所述腔温动态响应模型，具体表达式如公式3所示：

公式3：

其中，t0是黑体腔的初始温度，τ＝c/k为黑体腔的时间常数。

优选地，当公式2中的t趋于无穷时，获得黑体腔的平衡温度，具体表达式如公式4所示：

公式4：

其中，t1为平衡温度，k是黑体腔的热导率，pe为输入加热功率，ps是黑体腔接受的辐射功率。

优选地，求所述开快门时刻和关快门时刻的修正腔温响应模型的具体公式如公式6所示：

公式6：

其中，te为与电功率对应的平衡温度，te0为黑体腔初始温度，to为与辐射功率对应的平衡温度，τe为电功率的时间常数，τo为辐射功率的时间常数。

优选地，所述修正腔温响应模型的单e指数形式的具体表达式如公式8所示：

公式8：

其中，τe＝τo+tc，tc为修正时间。

优选地，所述修正时间的获取包括如下步骤：分别测量黑体腔对同等辐射功率和电功率的响应曲线；分别计算辐射功率的时间常数和电功率的时间常数；将辐射功率的时间常数与电功率的时间常数之差作为所述修正时间。

优选地，根据所述方法获得的等效电功率的具体表达式如公式9所示：

公式9：p＝pe-poe-s(te-to)

其中，p为等效电功率，poe为所述补偿电功率，pe为所述电定标功率，to为所述第一平衡温度，te为所述第二平衡温度，s为黑体腔的灵敏度。

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基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法，该方法首先修正开快门和关快门时刻的腔温响应模型，再引入修正时间常数补偿黑体腔的光电不等效性，使黑体腔快速恢复至平衡状态，进而缩短测量周期。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图；

图3为现有的siar测量方法在开快门或关快门时的腔温仿真结果示意图；

图4为现有的siar测量方法对光功率和电功率的腔温响应曲线示意图；

图5为本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法和现有的siar测量方法的测量过程比较示意图。

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基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图。该测量方法总共包括4个步骤，具体流程如下所述。

步骤s1：根据黑体腔的腔温动态响应模型和平衡温度，获取开快门时刻和关快门时刻的修正腔温响应模型。在现有的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量方法中，黑体腔的腔温采用热电堆进行模拟获得。热电堆的高端连接黑体腔，热电堆的低端连接热沉，热电堆的输出即是黑体腔与热沉之间的温差。采用热电堆的输出，表征双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的腔温t(t)，具体的表达式如公式1所示：

t(t)＝tc(t)-th(公式1)

其中，tc(t)是黑体腔温度，th是热沉温度。

腔温t(t)满足如公式2所示的热平衡方程：

其中，c是黑体腔的热容，k是黑体腔的热导率，pe为输入加热功率，ps是黑体腔接受的辐射功率。

对公式2进行求解，可得到腔温的动态响应方程，具体如公式3所示：

其中t0是初始温度，τ＝c/k为黑体腔的时间常数。当时间t→∞时，黑体腔达到平衡状态，平衡温度t1的表达式如公式4所示：

在现有的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量方法中，根据公式3预测黑体腔的平衡温度t1，预测公式如公式5所示：

在现有的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)的测量方法中，由于在开快门阶段和关快门阶段，黑体腔能够同时接受辐射功率和电功率。辐射功率在黑体腔内多次反射吸收，使得黑体腔温度升高；电功率通过电加热丝，使得黑体腔温度升高。辐射加热和电加热的方式差异导致黑体腔存在光电不等效性。在辐射功率和电功率作用下，黑体腔具有不同的时间常数。因此，根据黑体腔的腔温动态响应模型(即公式3)和平衡温度(即公式4)，获取开快门和关快门时刻的修正腔温响应模型。修正腔温响应模型的具体表达式如公式6所示：

其中，te为与电功率对应的平衡温度，te0为黑体腔初始温度，to为与辐射功率对应的平衡温度，τe为电功率的时间常数，τo为辐射功率的时间常数。分析公式6可知，由于辐射功率的时间常数与电功率的时间常数存在差异，因此，腔温响应模型也存在偏差，从而导致在开快门时刻和关快门时刻，黑体腔会产生温度脉冲。

步骤s2：引入修正时间，获取所述修正腔温响应模型的单e指数形式。在该实施例中，在调整电功率和光功率的时刻之间引入一个修正时间(tc)，从而修正时间常数的差异性。修正时间(tc)具体的引入方式如下公式7所示：

τe＝τo+tc(公式7)

其中，τe为电功率的时间常数，τo为辐射功率的时间常数，tc为修正时间。

引入修正时间(tc)后，修正腔温响应模型的单e指数形式的具体表达式如公式8所示：

在该实施例中，修正时间tc的获取，可通过如下步骤获取：

步骤s21：分别测量黑体腔对同等辐射功率和电功率的响应曲线。

步骤s22：分别计算辐射功率的时间常数和电功率的时间常数。在该实施例中，计算辐射功率的时间常数和电功率的时间常数可采用origin软件进行计算。

步骤s23：将辐射功率的时间常数与电功率的时间常数之差作为所述修正时间(tc)。

步骤s3：在辐射观测阶段，将电功率调整为补偿电功率poe，经过所述修正时间后，再开快门，采用初始时刻的腔温调整补偿电功率poe，直至腔温恢复热平衡状态，从而获得第一平衡温度to和补偿电功率poe。

步骤s4：在电定标阶段，将电功率调整为电定标功率pe，经过所述修正时间后，再关快门，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度te和电标定功率pe。

根据上述方法获得的等效电功率p的具体表达式如公式9所示：

p＝pe-poe-s(te-to)(公式9)

其中，p为等效电功率，poe为所述补偿电功率，pe为所述电定标功率，to为所述第一平衡温度，te为所述第二平衡温度，s为黑体腔的灵敏度。

本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法，首先修正了开快门和关快门时刻的腔温响应模型，再引入修正时间常数补偿黑体腔的光电不等效性，使黑体腔快速恢复至平衡状态，进而缩短测量周期。

如图2所示，为本发明实施例中提供的一种基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图。腔温在辐射观测阶段和电定标阶段交接处会发生温度脉冲，相应地，电功率和光功率(即辐射功率)在辐射观测阶段和电定标阶段的交接处也发生突变。

根据本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法，进行模拟实验验证。实验中，在labview软件平台上建立双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)腔温仿真模型，光功率与电功率的时间常数差设为tx。如图3所示，为现有的siar测量方法在开关快门时的腔温仿真结果示意图。根据图3中曲线的分析可知，由于光功率与电功率的时间常数存在差异，因此，导致开快门时刻和关快门时刻，腔温存在温度脉冲，并温度脉冲随时间常数tx的增加而增大。在一具体实施例中，分别测量双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)对光功率和电功率的腔温响应曲线，再用origin拟合得到光功率的时间常数是10.31s，电功率时间常数为10.37s，两者时间常数相差60ms。具体的光功率时间常数测量曲线和电功率时间常数测量曲线如图4所示。在采用本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法中，将修正时间tc设为60ms。再分别用本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法以及现有的双锥腔补偿型电校准辐射计太阳辐照度绝对辐射计(siar)测量方法对卤钨灯光源进行测量。两种方法的测量过程比较示意图如图5所示。从图5分析可知，本发明实施例所提供的基于光电不等效修正的太阳绝对辐射计的测量方法减小了温度脉冲，显著改善了恢复平衡的时间，从而缩短了测量周期。

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。