韦 博，林冠宇，段民征，李继峰

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049;3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029)

1 引言

太阳辐射提供了地球上人类发展活动所需的大部分能量，对人类的生产生活和生存环境有着深刻的影响，太阳辐射的高精度监测也符合可持续发展的需要，将有助于太阳能源的合理有效利用[1]。气溶胶是大气中一种固液态粒子组成的混合相体系，其可以通过对大气外层太阳辐射和地面反射太阳辐射的吸收、反射和散射对全球能量收支产生影响[2]。

太阳辐射测量仪是一种基于地球表面测量太阳光谱特性的仪器，通过辐射数据反演计算出监测指标的数值，如气溶胶光学厚度、大气水柱含量、臭氧含量等等。国外很早就开始了对太阳辐射研究，早在1837年法国人Pouillet就设计制造出了世界上第一台测量太阳辐射的仪器。经过100多年的发展，国外已经发展出了多款功能齐全、性能优异的测量太阳辐射的设备，如法国CIMEL公司生产的CE318系列太阳光度计，全球著名的AERONET监测网就是采用该仪器进行测量，中国的SONET、CSHNET等监测网也应用了该仪器。除此之外，日本PREDE公司的POM系列太阳光度计和美国Solar Light公司的MICROTOPSII型光度计也是商用很广的两款仪器。国内太阳光度计发展起步晚，自1980年以来，国内长春光机所、安徽光机所等科研院所陆续发展出了几款测量太阳辐射的仪器，但是都没有发展成为成熟的商用产品[3-5]。目前，国内该类型的产品都需要进口，除了费用高昂外，进口仪器在温控方面也存在一些问题[6]。从中国最北的漠河到西北的吐鲁番，仪器需要在-40℃-70℃范围内正常工作。因此有必要研制出一款具有良好温控能力的新型国产太阳辐射测量仪。

本文主要介绍了一款最新研制的具有温控能力的新型太阳辐射测量仪的总体结构、探测器头部结构设计和探测器头部关键部位的热力学仿真。通过软件仿真为仪器的温控设计提供必要的依据。

2 太阳辐射测量

2.1 测量原理

本文设计的太阳辐射测量仪是一种地基测量设备，主要用来反演大气气溶胶光学厚度、粒度谱和相函数等大气气溶胶光学特性，以及对大气水汽含量和臭氧含量进行观测，可以为研究环境污染和气候变化提供必要的数据支持[7]。测量时，仪器将采集到的辐射信号通过光电探测器转变成电信号，然后对电信号进行相应处理来对目标物理量进行观测。该太阳辐射测量仪的观测原理如图1所示。

图1 太阳辐射测量仪观测原理示意图

太阳辐射在到达地面之前，会受到大气中各种气体和粒子的吸收和散射，因此，作为一种地基测量设备，其测得的大气光学厚度为总的光学厚度。根据Bouguer定律，在特定波长上测得的地面直射太阳辐射为：

Eλ=Eλ0R-2·exp(-mτ)Tg

(1)

其中

Eλ0日地平均距离上的大气外界的太阳辐照度；

R测量时刻的日地距离；

m大气质量数，与太阳高度角有关，τ=1/cosθ(θ为太阳天顶角)；

τ大气总的垂直光学厚度；

Tg吸收气体透过率。

光电探测器在将地面太阳辐射E转换为电信号时，输出电压V与E成正比，则上式可改写为

V=V0R-2·exp(-mτ)Tg

(2)

其中V0是仪器的定标常数。天气晴朗时Tg为1，对上式取对数可得

lnV+lnR2=-mτ+lnV0

(3)

由上式可知，仪器输出电压V是关于m的函数，可将测得的数据画成直线，则由直线的斜率可得到垂直光学厚度τ，直线的截距可求得V0。大气总的垂直光学厚度是由分子散射、气体(臭氧、水汽等)吸收消光和气溶胶散射三部分组成，即

τ=τr+τg+τa

(4)

其中分子散射光学厚度τr可由地面气压值计算出来，本仪器的波段范围集中在可见光和近红外波段，在这个波长范围内，气体吸收消光主要是臭氧和水汽的吸收消光。在没有气体吸收消光τg可以忽略的通道，式(4)中的第二项可以消去，那么气溶胶的光学厚度就可以计算出来。

2.2 工作模式

该太阳辐射测量仪主要有以下两种工作模式。

1)太阳直接辐照度工作模式

在该工作模式下测量仪头部通过太阳位置跟踪模块对准太阳，依靠滤光片轮的转动切换带通滤光片，依次测量各个通道的太阳直射辐照度。

2)天空辐亮度工作模式

在此工作模式下，太阳辐射测量仪有两种观测方式，一种是等太阳方位角观测，如图2，即测量时探测器方位角与太阳方位角保持一致，探测器以此时太阳位置为零点，仪器高度角在-6°～150°范围内变化；一种是等太阳高度角观测，如图3，即测量时探测器高度角与太阳高度角保持一致，探测器以此时太阳位置为零点，探测器方位角在-180°～180°范围内变化。

图2 等太阳方位角测量

图3 等太阳高度角测量

3 整机设计

该太阳辐射测量仪使用9通道带通滤光片分光，硅光电探测器和铟钾砷光电探测器分别接收可见和近红外波段太阳辐射的方式进行测量，相对于类似仪器每个滤光片对应一个探测器的测量结构，该结构可以避免由探测器相互定标引起的误差。仪器的主要性能参数如表1。高精度太阳辐射测量仪的整机结构主要由三部分组成，包括负责响应太阳直射辐照度和天空辐亮度的光机头部部分、负责带动光机头部运动的二维转台部分以及负责通信、控制和供电的控制电箱部分，太阳辐射测量仪总体设计如图4所示。测量开始前，首先控制电箱依据时间和仪器所处位置的经纬度数据计算出太阳理论位置，然后控制二维转台运动，使光机头部运动至太阳理论位置，之后依靠手动调节和光电四象限仪反馈的数据使光机头部找到准确的太阳位置。测量时，光经过由遮光筒、光学镜片和滤光片组成的光学系统到达相应的光电探测器，探测器将采集到的光信号转换为电信号传输到控制电箱，经由控制电箱对信号进行放大处理后经通信模块将数据回传，经由数据处理之后，获得所需要的光学数据。图5是太阳辐射测量仪的实物图。

表1 太阳辐射测量仪主要性能参数

图4 太阳辐射测量仪总体模块图

图5 太阳辐射测量仪实物图

3.1 光学头部结构设计

太阳辐射测量仪的光学头部主要由三部分组成：光学结构、机械结构、温控结构。其中，光学结构和机械结构是探测器头部的主体结构，两者的设计制造水平影响仪器的基本性能；温控结构是在以上两个结构的基础上进行的优化设计，合理的温控结构将提升仪器的测量性能。

太阳辐射测量仪的光学头部结构如图6，在光学结构的最前端是由石英镜片组成的遮光筒，石英镜片起到防护的作用，遮光筒是用来限制视场；石英镜片依靠螺纹压圈固定在遮光筒上，遮光筒和后端机械壳之间依靠螺纹固定，两者之间有O型橡胶圈，起到密封防水的作用。遮光筒之后是由两个光学镜片和消杂光光阑组成的光学镜筒，起到聚光的作用。在光学镜筒之后是由9个不同波段的带通滤光片沿圆周排布组成的滤光片轮，滤光片轮安装在步进电机轴上，通过控制步进电机运动达到准确切换带通滤光片的目的。在滤光片轮之后是快门组件，通过程序控制在其后的探测器的曝光时间，可以延长探测器的使用寿命，同时还可以通过测量每个通道的暗噪声来提高仪器的测量性能。探测器分为可见光探测器和近红外探测器，用于响应到达其像面上的太阳辐照度和天空辐亮度，将光信号转换为电信号，传输给控制电箱进行数据处理。温控结构位于探测器和滤光片所在的主光学室内，工作时对主光学室内的温度进行调节。

图6 光学头部结构示意图

3.2 太阳位置跟踪设计

太阳辐射测量仪的测量精度要求设备能够准确找到太阳位置，本设备依靠程序和四象限仪形成太阳位置对准反馈闭环，通过这种闭环设计不断提高对准太阳的精度。图7是其反馈闭环流程图。

图7 太阳辐射计跟踪太阳流程图

设备通过GPS和网络获得所在位置的地理和时间信息，通过这些数据计算出太阳理论位置，控制电箱通过采集到的转台位置计算出光学头部当前位置相对太阳的角度差，若大于光电四象限仪的接收范围，手动调整探测器光学头部对准太阳；反之，光电四象限仪开始工作，依据太阳光斑在光电四象限仪像面的位置可以不断修正光学头部的位置，直至对准太阳。通过这种设计，能够控制定位误差在±0.1°之内。

4 温控结构设计和热-力耦合有限元仿真

4.1 温控结构设计

太阳辐射测量仪作为比较精密的测量仪器，环境温度对其测量精度的影响主要体现在以下方面：①滤光片中心波长会随温度变化产生偏移，探测器响应度会随温度的变化而变化(如图8所示)，会增加仪器的系统误差[8]；②仪器的关键部件变形，如固定探测器像面的探测器壳、安装九通道滤光片的滤光片轮等。因此需要合理的温控结构保证仪器的测量精度。温控结构应满足探测器的性能要求，将控制温度设置在25℃，控制误差不超过±1℃。

图8 铟钾砷红外探测器响应度变化曲线

依据以上要求，仪器温控结构主要有安装九通道滤光片的滤光片轮、探测器、减少热对流的隔热腔、隔热海绵、热电制冷片、聚酰亚胺加热膜以及实时记录内部温度变化的温度传感器。其中，热电制冷片是一种P-N结器件，其依据热释电效应一面制冷，另一面散热，使用时将散热的一面用导热硅脂贴在主光学室的导热安装板上，其平面尺寸是边长为20mm的正方形，厚度为2mm，功率初步选用10W。聚酰亚胺加热膜是将金属丝热合入聚酰亚胺薄膜中的绝缘电热薄片，其具有绝缘性好、发热均匀、热转换效率高的优点，且一面自带背胶，可直接粘在被加热物体上，使用方便，尺寸为40mm×30mm，厚度可忽略不计，功率初步选用10W。

热电制冷片和聚酰亚胺加热膜均贴合在主光学腔内的导热安装板上，导热安装板和仪器外壳一体，起到热传导的散热作用，其材料采用航空级的2A12铝合金，具有良好的导热性和较高的强度。除了主光学室，其余空间均用隔热保温棉填充，起到隔热的作用。探测器工作时，温度传感器实时监测主光学腔体内的温度，若温度过高，则控制电箱控制热电制冷片工作，起到降低温度的效果，热量通过与之贴合的导热安装板传至探测器外壳，探测器外壳通过空气对流散热；若温度过低，则聚酰亚胺加热膜工作，产生热量使主光学腔内温度升高。通过以上设计，形成主光学室-热电制冷片/聚酰亚胺加热膜-导热安装板-探测器外壳-空气这一单一传热途径，使主光学室内的温度保持在可控范围内。

图9 温控结构模型图

图10 热电制冷片图11 聚酰亚胺加热膜

4.2 主光学室热-力耦合有限元仿真

为了验证热控结构的是否满足设计要求，本文采用ANSYS Workbench热分析模块对热控结构模型进行热力学仿真。ANSYS Workbench是一款功能强大，操作简便的协同仿真平台，其上集成的Thermal-Stress模块可以很好的满足主光学室需要的导热和结构应力之间的热-结构耦合分析的要求，而且使用NX软件构建的模型可以很方便的导入到ANSYS Workbench软件中。本文分析流程如图12所示。

图12 热-力耦合分析流程图

太阳测量仪的光学头部在进行野外测量时，需要具有在-40℃～70℃这两个极端温度范围内稳定工作的能力，虽然主光学室的温控设计可以保证主要光学和测量器件的工作温度稳定在25℃，但是在将主光学室内的温度由两个极端温度向工作温度调节的过程由于热胀冷缩会产生一定的变形，在主光学室中光电探测器接收到的光学信息对光学器件的相对位置变化比较敏感，因此需要对主光学室内关键部件因温度变化而引起的变形进行定量分析。

主光学室内主要分布着安装9通道滤光片的滤光片轮、快门、光电探测器等光学和机械构件，其中安装9通道滤光片的滤光片轮和安装光电探测器的导热安装板的热变形对仪器测量能力影响比较大，因此主要对这两个结构进行热力学分析。滤光片轮和导热安装板的材料均为铝合金2A12，其材料性能如表2。

表2 铝合金2A12材料属性

表2(续) 铝合金2A12材料属性

使用Thermal-Stress模块对这两个构件进行热力学分析时要先进行材料属性设置，主要是材料的密度、热膨胀系数和热导率，然后进行网格划分、添加温度载荷和添加边界条件的操作，温度载荷的添加要模拟构件温度由两个极端温度稳定到25℃的情况。

图13 导热安装板-40℃～25℃热变形仿真图

图14 导热安装板70℃～25℃热变形仿真图

图15 滤光片轮-40℃～25℃热变形仿真图

图16 滤光片轮70℃～25℃热变形仿真图

图13是极端温度从-40℃升至25℃时导热安装板的热变形图；图14是极端温度从70℃降至25℃时导热安装板的热变形图；图15是极端温度从-40℃升至25℃时滤光片轮的热变形图；图16是极端温度从70℃降至25℃时滤光片轮的热变形图。由上图分析结果可知，主光学腔在两个极端温度变化过程中最大变形量小于0.0036756mm，滤光片轮在两个极端温度变化过程中最大变形量小于0.0013079mm，而主光学腔中安装探测器的导热安装板和安装9通道滤光片的滤光片轮均有±0.1mm的设计余量，最大变形量小于设计余量，该结构满足热控设计的结构要求。

4.3 外场温度测试

为了验证温控设计的合理性，对太阳辐射测量仪在实际工作的温控能力进行了初步验证。本次验证选取吉林省长春市2019年9月25日9：00-16：00的实测环境的温度数据与实测温控系统的温度数据进行比对，图17是环境温度和温控温度的变化趋势，从中可以看出，当天测量时间段内环境温度温差约8℃，太阳辐射测量仪的温控温度始终在25±1℃这一设计要求内，由以上初步测量可知，本测量仪的温控系统工作稳定，满足设计和使用要求。图18为室外实验图。

图17 环境温度和温控温度

图18 室外实测实验

5 结论

本文对一款新型多波段太阳辐射测量仪的观测原理、工作模式、结构设计进行了阐述，对该太阳辐射测量仪的温控结构设计进行了介绍，并对关键部位进行了热力学仿真。太阳辐射测量仪的研制主要包括光机头部设计和太阳跟踪方式设计，除了上述设计，该太阳辐射测量仪创新的对探测器关键部位进行温控设计来提高其观测精度，克服了传统此类仪器测量精度容易受到温度影响的缺点。通过使用ANSYS Workbench对温控模型进行热力学仿真和对仪器进行初步的室外实测实验，可知该新型太阳辐射测量仪的温控系统工作稳定，满足设计、使用要求。