韋 博，林冠宇，段民征，李繼峰

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049;3.中國科學院大氣物理研究所，北京 100029)

1 引言

太陽輻射提供了地球上人類發(fā)展活動所需的大部分能量，對人類的生產生活和生存環(huán)境有著深刻的影響，太陽輻射的高精度監(jiān)測也符合可持續(xù)發(fā)展的需要，將有助于太陽能源的合理有效利用[1]。氣溶膠是大氣中一種固液態(tài)粒子組成的混合相體系，其可以通過對大氣外層太陽輻射和地面反射太陽輻射的吸收、反射和散射對全球能量收支產生影響[2]。

太陽輻射測量儀是一種基于地球表面測量太陽光譜特性的儀器，通過輻射數據反演計算出監(jiān)測指標的數值，如氣溶膠光學厚度、大氣水柱含量、臭氧含量等等。國外很早就開始了對太陽輻射研究，早在1837年法國人Pouillet就設計制造出了世界上第一臺測量太陽輻射的儀器。經過100多年的發(fā)展，國外已經發(fā)展出了多款功能齊全、性能優(yōu)異的測量太陽輻射的設備，如法國CIMEL公司生產的CE318系列太陽光度計，全球著名的AERONET監(jiān)測網就是采用該儀器進行測量，中國的SONET、CSHNET等監(jiān)測網也應用了該儀器。除此之外，日本PREDE公司的POM系列太陽光度計和美國Solar Light公司的MICROTOPSII型光度計也是商用很廣的兩款儀器。國內太陽光度計發(fā)展起步晚，自1980年以來，國內長春光機所、安徽光機所等科研院所陸續(xù)發(fā)展出了幾款測量太陽輻射的儀器，但是都沒有發(fā)展成為成熟的商用產品[3-5]。目前，國內該類型的產品都需要進口，除了費用高昂外，進口儀器在溫控方面也存在一些問題[6]。從中國最北的漠河到西北的吐魯番，儀器需要在-40℃-70℃范圍內正常工作。因此有必要研制出一款具有良好溫控能力的新型國產太陽輻射測量儀。

本文主要介紹了一款最新研制的具有溫控能力的新型太陽輻射測量儀的總體結構、探測器頭部結構設計和探測器頭部關鍵部位的熱力學仿真。通過軟件仿真為儀器的溫控設計提供必要的依據。

2 太陽輻射測量

2.1 測量原理

本文設計的太陽輻射測量儀是一種地基測量設備，主要用來反演大氣氣溶膠光學厚度、粒度譜和相函數等大氣氣溶膠光學特性，以及對大氣水汽含量和臭氧含量進行觀測，可以為研究環(huán)境污染和氣候變化提供必要的數據支持[7]。測量時，儀器將采集到的輻射信號通過光電探測器轉變成電信號，然后對電信號進行相應處理來對目標物理量進行觀測。該太陽輻射測量儀的觀測原理如圖1所示。

圖1 太陽輻射測量儀觀測原理示意圖

太陽輻射在到達地面之前，會受到大氣中各種氣體和粒子的吸收和散射，因此，作為一種地基測量設備，其測得的大氣光學厚度為總的光學厚度。根據Bouguer定律，在特定波長上測得的地面直射太陽輻射為：

Eλ=Eλ0R-2·exp(-mτ)Tg

(1)

其中

Eλ0日地平均距離上的大氣外界的太陽輻照度；

R測量時刻的日地距離；

m大氣質量數，與太陽高度角有關，τ=1/cosθ(θ為太陽天頂角)；

τ大氣總的垂直光學厚度；

Tg吸收氣體透過率。

光電探測器在將地面太陽輻射E轉換為電信號時，輸出電壓V與E成正比，則上式可改寫為

V=V0R-2·exp(-mτ)Tg

(2)

其中V0是儀器的定標常數。天氣晴朗時Tg為1，對上式取對數可得

lnV+lnR2=-mτ+lnV0

(3)

由上式可知，儀器輸出電壓V是關于m的函數，可將測得的數據畫成直線，則由直線的斜率可得到垂直光學厚度τ，直線的截距可求得V0。大氣總的垂直光學厚度是由分子散射、氣體(臭氧、水汽等)吸收消光和氣溶膠散射三部分組成，即

τ=τr+τg+τa

(4)

其中分子散射光學厚度τr可由地面氣壓值計算出來，本儀器的波段范圍集中在可見光和近紅外波段，在這個波長范圍內，氣體吸收消光主要是臭氧和水汽的吸收消光。在沒有氣體吸收消光τg可以忽略的通道，式(4)中的第二項可以消去，那么氣溶膠的光學厚度就可以計算出來。

2.2 工作模式

該太陽輻射測量儀主要有以下兩種工作模式。

1)太陽直接輻照度工作模式

在該工作模式下測量儀頭部通過太陽位置跟蹤模塊對準太陽，依靠濾光片輪的轉動切換帶通濾光片，依次測量各個通道的太陽直射輻照度。

2)天空輻亮度工作模式

在此工作模式下，太陽輻射測量儀有兩種觀測方式，一種是等太陽方位角觀測，如圖2，即測量時探測器方位角與太陽方位角保持一致，探測器以此時太陽位置為零點，儀器高度角在-6°～150°范圍內變化；一種是等太陽高度角觀測，如圖3，即測量時探測器高度角與太陽高度角保持一致，探測器以此時太陽位置為零點，探測器方位角在-180°～180°范圍內變化。

圖2 等太陽方位角測量

圖3 等太陽高度角測量

3 整機設計

該太陽輻射測量儀使用9通道帶通濾光片分光，硅光電探測器和銦鉀砷光電探測器分別接收可見和近紅外波段太陽輻射的方式進行測量，相對于類似儀器每個濾光片對應一個探測器的測量結構，該結構可以避免由探測器相互定標引起的誤差。儀器的主要性能參數如表1。高精度太陽輻射測量儀的整機結構主要由三部分組成，包括負責響應太陽直射輻照度和天空輻亮度的光機頭部部分、負責帶動光機頭部運動的二維轉臺部分以及負責通信、控制和供電的控制電箱部分，太陽輻射測量儀總體設計如圖4所示。測量開始前，首先控制電箱依據時間和儀器所處位置的經緯度數據計算出太陽理論位置，然后控制二維轉臺運動，使光機頭部運動至太陽理論位置，之后依靠手動調節(jié)和光電四象限儀反饋的數據使光機頭部找到準確的太陽位置。測量時，光經過由遮光筒、光學鏡片和濾光片組成的光學系統(tǒng)到達相應的光電探測器，探測器將采集到的光信號轉換為電信號傳輸到控制電箱，經由控制電箱對信號進行放大處理后經通信模塊將數據回傳，經由數據處理之后，獲得所需要的光學數據。圖5是太陽輻射測量儀的實物圖。

表1 太陽輻射測量儀主要性能參數

圖4 太陽輻射測量儀總體模塊圖

圖5 太陽輻射測量儀實物圖

3.1 光學頭部結構設計

太陽輻射測量儀的光學頭部主要由三部分組成：光學結構、機械結構、溫控結構。其中，光學結構和機械結構是探測器頭部的主體結構，兩者的設計制造水平影響儀器的基本性能；溫控結構是在以上兩個結構的基礎上進行的優(yōu)化設計，合理的溫控結構將提升儀器的測量性能。

太陽輻射測量儀的光學頭部結構如圖6，在光學結構的最前端是由石英鏡片組成的遮光筒，石英鏡片起到防護的作用，遮光筒是用來限制視場；石英鏡片依靠螺紋壓圈固定在遮光筒上，遮光筒和后端機械殼之間依靠螺紋固定，兩者之間有O型橡膠圈，起到密封防水的作用。遮光筒之后是由兩個光學鏡片和消雜光光闌組成的光學鏡筒，起到聚光的作用。在光學鏡筒之后是由9個不同波段的帶通濾光片沿圓周排布組成的濾光片輪，濾光片輪安裝在步進電機軸上，通過控制步進電機運動達到準確切換帶通濾光片的目的。在濾光片輪之后是快門組件，通過程序控制在其后的探測器的曝光時間，可以延長探測器的使用壽命，同時還可以通過測量每個通道的暗噪聲來提高儀器的測量性能。探測器分為可見光探測器和近紅外探測器，用于響應到達其像面上的太陽輻照度和天空輻亮度，將光信號轉換為電信號，傳輸給控制電箱進行數據處理。溫控結構位于探測器和濾光片所在的主光學室內，工作時對主光學室內的溫度進行調節(jié)。

圖6 光學頭部結構示意圖

3.2 太陽位置跟蹤設計

太陽輻射測量儀的測量精度要求設備能夠準確找到太陽位置，本設備依靠程序和四象限儀形成太陽位置對準反饋閉環(huán)，通過這種閉環(huán)設計不斷提高對準太陽的精度。圖7是其反饋閉環(huán)流程圖。

圖7 太陽輻射計跟蹤太陽流程圖

設備通過GPS和網絡獲得所在位置的地理和時間信息，通過這些數據計算出太陽理論位置，控制電箱通過采集到的轉臺位置計算出光學頭部當前位置相對太陽的角度差，若大于光電四象限儀的接收范圍，手動調整探測器光學頭部對準太陽；反之，光電四象限儀開始工作，依據太陽光斑在光電四象限儀像面的位置可以不斷修正光學頭部的位置，直至對準太陽。通過這種設計，能夠控制定位誤差在±0.1°之內。

4 溫控結構設計和熱-力耦合有限元仿真

4.1 溫控結構設計

太陽輻射測量儀作為比較精密的測量儀器，環(huán)境溫度對其測量精度的影響主要體現在以下方面：①濾光片中心波長會隨溫度變化產生偏移，探測器響應度會隨溫度的變化而變化(如圖8所示)，會增加儀器的系統(tǒng)誤差[8]；②儀器的關鍵部件變形，如固定探測器像面的探測器殼、安裝九通道濾光片的濾光片輪等。因此需要合理的溫控結構保證儀器的測量精度。溫控結構應滿足探測器的性能要求，將控制溫度設置在25℃，控制誤差不超過±1℃。

圖8 銦鉀砷紅外探測器響應度變化曲線

依據以上要求，儀器溫控結構主要有安裝九通道濾光片的濾光片輪、探測器、減少熱對流的隔熱腔、隔熱海綿、熱電制冷片、聚酰亞胺加熱膜以及實時記錄內部溫度變化的溫度傳感器。其中，熱電制冷片是一種P-N結器件，其依據熱釋電效應一面制冷，另一面散熱，使用時將散熱的一面用導熱硅脂貼在主光學室的導熱安裝板上，其平面尺寸是邊長為20mm的正方形，厚度為2mm，功率初步選用10W。聚酰亞胺加熱膜是將金屬絲熱合入聚酰亞胺薄膜中的絕緣電熱薄片，其具有絕緣性好、發(fā)熱均勻、熱轉換效率高的優(yōu)點，且一面自帶背膠，可直接粘在被加熱物體上，使用方便，尺寸為40mm×30mm，厚度可忽略不計，功率初步選用10W。

熱電制冷片和聚酰亞胺加熱膜均貼合在主光學腔內的導熱安裝板上，導熱安裝板和儀器外殼一體，起到熱傳導的散熱作用，其材料采用航空級的2A12鋁合金，具有良好的導熱性和較高的強度。除了主光學室，其余空間均用隔熱保溫棉填充，起到隔熱的作用。探測器工作時，溫度傳感器實時監(jiān)測主光學腔體內的溫度，若溫度過高，則控制電箱控制熱電制冷片工作，起到降低溫度的效果，熱量通過與之貼合的導熱安裝板傳至探測器外殼，探測器外殼通過空氣對流散熱；若溫度過低，則聚酰亞胺加熱膜工作，產生熱量使主光學腔內溫度升高。通過以上設計，形成主光學室-熱電制冷片/聚酰亞胺加熱膜-導熱安裝板-探測器外殼-空氣這一單一傳熱途徑，使主光學室內的溫度保持在可控范圍內。

圖9 溫控結構模型圖

圖10 熱電制冷片圖11 聚酰亞胺加熱膜

4.2 主光學室熱-力耦合有限元仿真

為了驗證熱控結構的是否滿足設計要求，本文采用ANSYS Workbench熱分析模塊對熱控結構模型進行熱力學仿真。ANSYS Workbench是一款功能強大，操作簡便的協同仿真平臺，其上集成的Thermal-Stress模塊可以很好的滿足主光學室需要的導熱和結構應力之間的熱-結構耦合分析的要求，而且使用NX軟件構建的模型可以很方便的導入到ANSYS Workbench軟件中。本文分析流程如圖12所示。

圖12 熱-力耦合分析流程圖

太陽測量儀的光學頭部在進行野外測量時，需要具有在-40℃～70℃這兩個極端溫度范圍內穩(wěn)定工作的能力，雖然主光學室的溫控設計可以保證主要光學和測量器件的工作溫度穩(wěn)定在25℃，但是在將主光學室內的溫度由兩個極端溫度向工作溫度調節(jié)的過程由于熱脹冷縮會產生一定的變形，在主光學室中光電探測器接收到的光學信息對光學器件的相對位置變化比較敏感，因此需要對主光學室內關鍵部件因溫度變化而引起的變形進行定量分析。

主光學室內主要分布著安裝9通道濾光片的濾光片輪、快門、光電探測器等光學和機械構件，其中安裝9通道濾光片的濾光片輪和安裝光電探測器的導熱安裝板的熱變形對儀器測量能力影響比較大，因此主要對這兩個結構進行熱力學分析。濾光片輪和導熱安裝板的材料均為鋁合金2A12，其材料性能如表2。

表2 鋁合金2A12材料屬性

表2(續(xù)) 鋁合金2A12材料屬性

使用Thermal-Stress模塊對這兩個構件進行熱力學分析時要先進行材料屬性設置，主要是材料的密度、熱膨脹系數和熱導率，然后進行網格劃分、添加溫度載荷和添加邊界條件的操作，溫度載荷的添加要模擬構件溫度由兩個極端溫度穩(wěn)定到25℃的情況。

圖13 導熱安裝板-40℃～25℃熱變形仿真圖

圖14 導熱安裝板70℃～25℃熱變形仿真圖

圖15 濾光片輪-40℃～25℃熱變形仿真圖

圖16 濾光片輪70℃～25℃熱變形仿真圖

圖13是極端溫度從-40℃升至25℃時導熱安裝板的熱變形圖；圖14是極端溫度從70℃降至25℃時導熱安裝板的熱變形圖；圖15是極端溫度從-40℃升至25℃時濾光片輪的熱變形圖；圖16是極端溫度從70℃降至25℃時濾光片輪的熱變形圖。由上圖分析結果可知，主光學腔在兩個極端溫度變化過程中最大變形量小于0.0036756mm，濾光片輪在兩個極端溫度變化過程中最大變形量小于0.0013079mm，而主光學腔中安裝探測器的導熱安裝板和安裝9通道濾光片的濾光片輪均有±0.1mm的設計余量，最大變形量小于設計余量，該結構滿足熱控設計的結構要求。

4.3 外場溫度測試

為了驗證溫控設計的合理性，對太陽輻射測量儀在實際工作的溫控能力進行了初步驗證。本次驗證選取吉林省長春市2019年9月25日9：00-16：00的實測環(huán)境的溫度數據與實測溫控系統(tǒng)的溫度數據進行比對，圖17是環(huán)境溫度和溫控溫度的變化趨勢，從中可以看出，當天測量時間段內環(huán)境溫度溫差約8℃，太陽輻射測量儀的溫控溫度始終在25±1℃這一設計要求內，由以上初步測量可知，本測量儀的溫控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設計和使用要求。圖18為室外實驗圖。

圖17 環(huán)境溫度和溫控溫度

圖18 室外實測實驗

5 結論

本文對一款新型多波段太陽輻射測量儀的觀測原理、工作模式、結構設計進行了闡述，對該太陽輻射測量儀的溫控結構設計進行了介紹，并對關鍵部位進行了熱力學仿真。太陽輻射測量儀的研制主要包括光機頭部設計和太陽跟蹤方式設計，除了上述設計，該太陽輻射測量儀創(chuàng)新的對探測器關鍵部位進行溫控設計來提高其觀測精度，克服了傳統(tǒng)此類儀器測量精度容易受到溫度影響的缺點。通過使用ANSYS Workbench對溫控模型進行熱力學仿真和對儀器進行初步的室外實測實驗，可知該新型太陽輻射測量儀的溫控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設計、使用要求。