太陽輻射通量垂直廓線探測儀的制作方法
本發明涉及一種探測儀，尤其是一種太陽輻射通量垂直廓線探測儀，具體地說是用于測量太陽輻射的垂直分布探測設備，屬于太陽輻射測量的技術領域。
背景技術：
太陽輻射是自然界中各種物理過程的主要能量來源，是驅動天氣、氣候形成及其演變的基本動力，是維持地球氣候系統和生態系統能量平衡的重要因子。地面太陽輻射變化已引起國內外科學家廣泛關注，對其變化趨勢開展了大量研究。太陽輻射經過大氣層時，由于受到云、水汽、大氣中的二氧化碳和臭氧等氣體成分以及氣溶膠粒子的吸收、反射和散射作用，在不同大氣高度層內的變化趨勢存在差異。由于觀測手段限制，探測儀器多被安裝在地面，測量到達地球表面的太陽輻射。
目前，尚缺乏有效的探測儀器來系統獲取太陽輻射在不同大氣高度層內的垂直分布特征。高時間、高空間分辨率的太陽輻射垂直觀測是氣候變化研究的重要基礎和手段，亟需開展相關觀測技術研究，研發相應觀測儀器將有助于揭示一些包含重要意義的科學事實。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種太陽輻射通量垂直廓線探測儀，其結構簡單緊湊，能有效探測地面至大氣邊界高度范圍內不同波段太陽輻射通量垂直廓線，抗干擾能力強，測量精度高，適應范圍廣，安全可靠。
按照本發明提供的技術方案，所述太陽輻射通量垂直廓線探測儀，包括探測儀架體，在所述探測儀架體的上表面形成朝上輻射探測感應面，在探測儀架體的下表面形成朝下輻射探測感應面，所述朝下輻射探測感應面與朝上輻射探測感應面呈相互平行的水平狀態，在朝上輻射探測感應面上設置用于測量天空向下輻射的下行太陽輻射探測傳感器，在朝下輻射探測感應面上設置用于測量地面向上輻射的上行太陽輻射探測傳感器。
在所述探測儀架體內設置旋轉平衡機構以及數據采集器，通過牽拉旋轉平衡機構能使得探測儀架體升空，且旋轉平衡機構能使得處于懸空狀態探測儀架體的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面處于水平狀態，數據采集器能采集下行輻射探測傳感器對應的下行輻射探測值以及上行輻射探測傳感器對應的上行輻射探測值。
所述探測儀架體呈盒狀，探測儀架體對應的側面上設置鏤空孔，所述探測儀架體的重量為1.5kg～2kg。
所述旋轉平衡機構包括橫軸以及與所述橫軸連接的豎軸，所述橫軸的長度方向與朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面相互平行，豎直的長度方向與橫軸的長度方向相互垂直，橫軸的兩端通過軸承安裝于探測儀架體內；橫軸、豎軸利用軸承能在探測儀架體內轉動，以使得探測儀架體的重心與探測儀架體的中心保持一致。
所述探測儀架體的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面上均設有豎軸擺動孔，豎軸的兩端分別能從對應的豎軸擺動孔穿出探測儀架體外，且豎軸的端部能在豎軸擺動孔內擺動。
所述豎軸擺動孔呈橢圓形，豎軸的端部設置牽拉連接孔。
所述下行輻射探測傳感器包括朝上紫外輻射傳感器、朝上光合有效輻射傳感器、朝上長波輻射傳感器以及朝上短波輻射傳感器，所述上行輻射探測傳感器包括朝下短波輻射傳感器、朝下長波輻射傳感器以及朝下光合有效輻射傳感器。
在所述探測儀架體內還設有用于采集探測儀架體在空中狀態的姿態信息采集器，所述姿態信息采集器與數據采集器連接，數據采集器能采集姿態信息采集器的姿態信息。
所述姿態信息采集器采集的姿態信息包括儀器航向、磁場狀態、垂直方向和/或水平方位；所述姿態信息采集器包括數字羅盤、磁阻傳感器以及傾斜傳感器。
數據采集器采集下行輻射探測傳感器、上行輻射探測傳感器的數據包括原始輻射數據以及分鐘平均數據。
在所述探測儀架體的旋轉平衡機構上設置牽拉線；探測儀架體跟隨系留氣艇升空時，探測儀架體通過牽拉線懸掛于系留氣艇下方50米。
在所述探測儀架體內設置用于供電的電源。
本發明的優點：在探測儀架體的朝上輻射探測感應面上設置下行輻射探測傳感器，在朝下輻射探測感應面上設置上行輻射探測感應器，利用旋轉平衡機構能自動調整使得朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面處于水平狀態，確保得到太陽輻射通量垂直廓線的精度，探測儀架體由系留氣艇攜帶升空，能有效測地面至大氣邊界高度范圍內不同波段太陽輻射通量垂直廓線，抗干擾能力強，安全可靠。
附圖說明
圖1為本發明的立體圖。
圖2為本發明一種傾斜狀態下的立體圖。
圖3為本發明另一種傾斜狀態的立體圖。
附圖標記說明：1-探測儀架體、2-橫軸、3-軸承、4-豎軸、5-朝上紫外輻射傳感器、6-朝上光合有效輻射傳感器、7-朝上長波輻射傳感器、8-朝上短波輻射傳感器、9-朝下短波輻射傳感器、10-朝下長波輻射傳感器、11-朝下光合有效輻射傳感器、12-數據采集器、13-電子羅盤、14-電源、15-牽拉連接孔、16-鏤空孔以及17-豎軸擺動孔。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1、圖2和圖3所示：為了能有效探測地面至大氣邊界高度范圍內不同波段太陽輻射通量垂直廓線，本發明包括探測儀架體1，在所述探測儀架體1的上表面形成朝上輻射探測感應面，在探測儀架體1的下表面形成朝下輻射探測感應面，所述朝下輻射探測感應面與朝上輻射探測感應面呈相互平行的水平狀態，在朝上輻射探測感應面上設置用于測量天空向下輻射的下行太陽輻射探測傳感器，在朝下輻射探測感應面上設置用于測量地面向上輻射的上行太陽輻射探測傳感器；
在所述探測儀架體1內設置旋轉平衡機構以及數據采集器12，通過牽拉旋轉平衡機構能使得探測儀架體1升空，且旋轉平衡機構能使得處于懸空狀態探測儀架體1的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面處于水平狀態，數據采集器12能采集下行輻射探測傳感器對應的下行輻射探測值以及上行輻射探測傳感器對應的上行輻射探測值。
具體地，所述探測儀架體1呈盒狀，探測儀架體1呈長方體或正方體；朝上輻射探測感應面位于探測儀架體1的上表面，朝下輻射探測感應面位于探測儀架體1的下表面。下行輻射探測傳感器在朝上輻射探測感應面上向上，以測量下行太陽輻射(所述下行太陽輻射是指自天空向下的太陽輻射)，上行輻射探測傳感器在朝下輻射探測感應面上向下，以測量上行太陽輻射(所述上行太陽輻射是指自地面向上的太陽輻射)。
探測儀架體1采用輕質材料制成，在保證強度的前提下，探測儀架體1的側面設有鏤空孔16，所述鏤空孔16呈對稱分布，鏤空孔16貫通探測儀架體1對應的側面，對稱分布的鏤空孔16不會影響探測儀架體1的重心分布，而利用鏤空孔16能有效減少自身載荷，可以減少探測儀架體1在大氣中的風阻，進而減少探測儀架體1因風吹而轉動的可能性。根據觀測需要，探測儀架體1的重量在1.5-2kg范圍內。
進一步地，所述旋轉平衡機構包括橫軸2以及與所述橫軸2連接的豎軸4，所述橫軸2的長度方向與朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面相互平行，豎直4的長度方向與橫軸2的長度方向相互垂直，橫軸2的兩端通過軸承3安裝于探測儀架體1內；橫軸2、豎軸4利用軸承3能在探測儀架體1內轉動，以使得探測儀架體1的重心與探測儀架體1的中心保持一致。
本發明實施例中，橫軸2以及豎軸4均位于探測儀架體1內，橫軸2位于朝上輻射探測感應面與朝下輻射探測感應面之間，橫軸2的長度方向與朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面相互平行，橫軸2的兩端利用軸承3安裝于探測儀架體1對應的側面上，橫軸2利用軸承3能在探測儀架體1內轉動，豎軸4與橫軸2呈垂直連接，當橫軸2轉動時，豎軸4能跟隨橫軸2的轉動。
所述探測儀架體1的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面上均設有豎軸擺動孔17，豎軸4的兩端別能從對應的豎軸擺動孔17穿出探測儀架體1外，且豎軸4的端部能在豎軸擺動孔17內擺動。
具體實施時，所述豎軸擺動孔17呈橢圓形，豎軸4的端部設置牽拉連接孔15，豎軸4端部的牽拉連接孔15分別位于對應的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面外。朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面上的豎軸擺動孔17呈相互平行，豎軸擺動孔17的長度方向與橫軸2的長度方向垂直。
在進行太陽輻射通量垂直廓線探測時，需要將探測儀架體1升空，具體地，在豎軸4上端部的牽拉連接孔15上設置牽拉線，利用牽拉線與系留氣艇連接，從而系留氣艇能將探測儀架體1牽拉升空，由于豎軸4位于探測儀架體1的中心位置，可以最大限度的減少牽拉線的陰影對太陽輻射觀測數據的影響。在探測儀架體1升空時，探測儀架體1懸掛于系留氣艇下方50米處，探測儀架體1跟隨系留氣艇從地面開始緩慢升空至大氣邊界層高度，觀測不同高度處的太陽輻射通量垂直廓線。
在系留氣艇上加載不同波段太陽輻射傳感器進行測量時，太陽輻射傳感器的水平狀態是獲取高質量觀測數據的基礎，即需要保證朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面的水平狀態。但是，系留氣艇升空過程中會受到大氣氣流的影響，探測儀架體1可能會失去平衡姿態。此時，朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面會以系留氣艇為中心擺動。由于擺動臂較長(50米)，擺動頻率較低，朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面會較長時間處于(準)水平狀態，有助于取得高質量的太陽輻射觀測數據。
綜上，旋轉平衡機構設計只需保證探測儀架體1的中心與重心一致，以保證朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面不傾斜即可。為實現朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面的自動調平，橫軸2由鋼材制成，較好的抗彎強度可以防止承受重力或拉力后彎曲變形，橫軸2兩端安裝軸承3，橫軸2兩側出現傾斜時，會自動調整平衡。橫軸2轉動范圍較大，可以保證在系留牽拉線最大45°傾斜的情況下，探測儀架體1的朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面仍能自動調整平衡。當橫軸2兩端出現傾斜時，會自動轉動至水平，可以減少因繩索扭矩造成的平臺轉動。由于平臺上安裝的器件質量各異，具體實施時，可以在探測儀架體1底面設置兩個方向垂直、可以滑動的滑塊，以便裝配完成后調整重心，保證重心保持在豎軸4所在的鉛垂線中心線上。
所述下行輻射探測傳感器包括朝上紫外輻射傳感器5、朝上光合有效輻射傳感器6、朝上長波輻射傳感器7以及朝上短波輻射傳感器8，所述上行輻射探測傳感器包括朝下短波輻射傳感器9、朝下長波輻射傳感器10以及朝下光合有效輻射傳感器11。
本發明實施例中，朝上短波輻射傳感器8、朝下短波輻射傳感器9的探測波長范圍為300～2800nm；朝上長波輻射傳感器7、朝下長波輻射傳感器10的探測波長范圍為4500～50000nm；朝上光合有效輻射傳感器6、朝下光合有效輻射傳感器11的探測波長范圍均為400～700nm；朝上紫外輻射傳感器5的探測波長范圍為275～400nm。
對于下行輻射探測傳感器，利用各個傳感器頸部的平面，從探測儀架體1的內側朝上安裝。對于上行輻射探測傳感器，利用各個傳感器底部的平面，在探測儀架體1的底部外側朝下安裝。這主要是考慮盡可能降低系統重心，增加系統阻尼，提高系統整體的穩定性。下行輻射探測傳感器對應的探測面向上，上行輻射探測傳感器對應的探測面向下。下行輻射探測傳感器、上行輻射探測傳感器相對應的感應面高度一致，各輻射探測傳感器的中心距離盡可能大，各輻射探測傳感器觀測窗口防護罩形成的遮擋角小于5°。
利用朝上短波輻射傳感器8、朝下短波輻射傳感器9探測短波輻射時，短波輻射值為：
利用朝上光合有效輻射傳感器6以及朝下光合有效輻射傳感器11探測光合有效輻射時，光合有效輻射值為：rp＝vp×xp。其中，rp為光合有效輻射值，單位為μmol/s/m2；vp為測量電壓值，單位為v；xp為光合有效輻射傳感器靈敏度，單位為μmol/s/m2/v。
利用朝上紫外輻射傳感器5探測紫外輻射時，紫外輻射值為：ru＝vu×xu。其中，ru為紫外輻射值，單位為w/m2；vu為測量電壓值，單位為v；xu為輻射傳感器靈敏度，單位為w/m2/v。
利用朝上長波輻射傳感器7以及朝下長波輻射傳感器10進行長波輻射探測時，太陽長波輻射值計算公式為：
進一步地，在所述探測儀架體1內還設有用于采集探測儀架體1在空中狀態的姿態信息采集器，所述姿態信息采集器與數據采集器12連接，數據采集器12能采集姿態信息采集器的姿態信息。
本發明實施例中，利用數據采集器12能采集上述下行輻射探測傳感器、上行輻射探測傳感器對應的探測數據，數據采集器12可以采用現有常用的數據采集形式，具體為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。
具體實施時，太陽輻射通量垂直廓線探測儀提供兩類觀測數據：原始采樣數據和分鐘平均數據。其中，原始采樣數據時間分辨率為1s，包括所有輻射傳感器的原始輻射數據和姿態信息采集器的姿態信息。分鐘平均數據每1分鐘一條，包括所有輻射傳感器在每分鐘內的平均值、最大值和最小值等。兩類觀測數據均存儲于采集器內部的存儲卡中，可通過rs232串口與計算機建立通信，進行原始采樣數據和分鐘平均數據下載。
姿態控制傳感器包含數字羅盤模塊13、磁阻傳感器和兩軸傾斜傳感器來提供精準的儀器姿態信息，數字羅盤13使用串口線連接于數據采集器12，姿態數據包括儀器航向、磁場狀態、垂直方向和水平方位，可在開始探測之前進行設置。具體實施時，在探測儀架體1升空過程中，如出現傾斜角度過大的情況，可以將該位置裝態下的輻射數據剔除，也可以對該輻射測量值進行誤差修正來得到準確的輻射值，在進行誤差修正時，可以采用本技術領域常用的方式，具體可以根據需要進行選擇，為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。
此外，在探測儀架體1還設置電源14，電源14采用可充電電源，由于本發明的功耗較小，一次充電可保證整套儀器單次測量。
本發明實施例中，數據采集器12、電子羅盤13和電池14等位于探測儀架體1內，以防止被雨水打淋。
本發明在探測儀架體1的朝上輻射探測感應面上設置下行輻射探測傳感器，在朝下輻射探測感應面上設置上行輻射探測感應器，利用旋轉平衡機構能自動調整使得朝上輻射探測感應面、朝下輻射探測感應面處于水平狀態，確保得到太陽輻射通量垂直廓線的精度，探測儀架體1由系留氣艇攜帶升空，能有效測地面至大氣邊界高度范圍內不同波段太陽輻射通量垂直廓線，抗干擾能力強，安全可靠。
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