專利名稱：大氣紫外輻射通量測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)輻射能量計量技術(shù)，具體講為一種紫外波段輻射通量的測量裝置及 測量方法，主要用于監(jiān)測太陽輻射中紫外線的輻射強度。
二背景技術(shù)：
大氣中的紫外輻射主要來自太陽輻射，對其監(jiān)測的重要性越來越受到廣泛的關(guān)切，通過 測量大氣中的紫外輻射來評價大氣環(huán)境變化及其污染的程度。國內(nèi)外已有多種紫外輻射測量 方法，歐美國家還先后建立了監(jiān)測網(wǎng)，獲得了豐富的數(shù)據(jù)。我國對大氣紫外輻射的測量仍處 于起步階段，主要的儀器設(shè)備也是國外進口。太陽輻射的紫外輻射只有280 400nm光譜范圍 內(nèi)的一部分能夠到達地面， 一般把它分成UV-B(280 320nm)和UV-A(320 400nm)。由于對紫外 輻射的全譜測量意義不大，因此，利用紫外輻射的熱效應(yīng)來測量紫外輻射的方法已基本不使 用，而是利用紫外光電離效應(yīng)、光電效應(yīng)和攝影感光效應(yīng)來實現(xiàn)對紫外輻射的測量。目前使 用廣泛的儀器主要有Robertson-Berger紫外輻射儀和Eppley近紫外輻射表。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種長期可靠性高、能準確測量大氣紫外輻射通量或強度的裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供大氣紫外輻射通量或強度的測量方法，該方法測量簡便，測量
結(jié)果信息豐富，更有利于評價大氣環(huán)境變化及其污染的程度。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)案實現(xiàn)的
一種紫外輻射通量測量裝置，它包括大氣輻射接收探頭，該裝置還包括 第一凸透鏡、光纖束、第二凸透鏡、光譜儀、光電探測器、數(shù)據(jù)采集和控制模塊和微計 算機系統(tǒng)；其中第一凸透鏡安放在鏡桶內(nèi)，光纖束前端裝配在鏡桶底部中央位置，光纖束后 端面后方放置第二凸透鏡，第二凸透鏡后方置光譜儀；所述光纖束的前端面光纖呈圓形分布， 后端面光纖呈直線分布；光纖束前端面位于第一凸透鏡的焦點處，光纖束后端面位于第二凸 透鏡的物平面，第±凸透鏡的像平面位于光譜儀入射狹縫面上，對應(yīng)光譜儀的出射面設(shè)置有 光電探測器，該光電探測器與數(shù)據(jù)采集和控制模塊連接，數(shù)據(jù)采集和控制模塊與微計算機系 統(tǒng)相連。第一、第二凸透鏡最好采用熔石英凸透鏡，它具有耐潮濕、耐腐蝕的特點。光電探測器
為CCD器件或光電倍增管。CCD器件采用線陣CCD。光電探測器為一光電倍增管，相應(yīng)地光譜
儀設(shè)有控制光柵轉(zhuǎn)動的掃描控制器，掃描控制器的控制端與微計算機系統(tǒng)相連。
本發(fā)明的光纖束兩端面的設(shè)計比較巧妙，其前端面呈圓形分布，后端面呈直線分布，經(jīng)
及第一凸透鏡和第二凸透鏡位置的設(shè)置。前端面保證了通過第一凸透鏡的光信號的光斑落在
光纖束的接收范圍內(nèi)，后端面保證了光纖束送出的光信號經(jīng)第二凸透鏡后全部送入檢波器的
入射狹縫面。從而保證了光信號的有效傳輸。
一種紫外輻射通量測量方法，其特征是，測量過程如下
通過接收探頭上的第一凸透鏡接收來自大氣的輻射，接收的輻射匯集在光纖呈圓形分布的光纖束前端面，經(jīng)光纖束傳輸后，在光纖束另一頭的光纖呈直線型分布的后端面輸出，經(jīng)第二凸透鏡，送入光譜儀的入射狹縫面，再經(jīng)光譜儀按波長展開輸出由線陣CCD或光電倍增管探測，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集和控制模塊處理將每一像元的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入微計算機系統(tǒng)進行處理。
所述光譜儀在微計算機系統(tǒng)的控制下，控制光譜儀光柵旋轉(zhuǎn)，光電倍增管對輸出光束進
行掃描，并將掃描的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送入數(shù)據(jù)采集和控制模塊。所述第一、第二凸透鏡均采用熔石英凸透鏡。
本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明中接收探頭上的第一凸透鏡將接收到的來自大氣的輻射，接收過程中可以采用太陽輻射角跟蹤裝置跟蹤太陽高度角，接收的輻射匯集在圓形分布的光纖束端面上，光纖束將光輻射傳送到另一直線分布端呈一字型輸出，經(jīng)第二凸透鏡成像在光譜儀的入射狹縫面上，光譜儀將入射光束按波長展開并輸出至線陣CCD上，CCD線陣不同位置的像元素接收到的光
波長不同。每一像元上的電荷^p與投射到該像元上光強度/(;i)成正比，經(jīng)過檢測電路將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號t/(;i)，可以將某一像元上的光強與電壓的關(guān)系表達為-
/(義)=K(;i)t/(;i) (i)
將各像元接收到的光強相加即得CCD線陣接收到的總紫外輻射強度/ 。
400臓 320mn 400 加
/=藝M)=藝藝/(為)
A-280wn A=280wn A=320m/m (^)
^=280肺 氺=320腳
考慮到不同波長的紫外輻射通過接收探頭、會聚透鏡(第一凸透鏡)、光纖和成像透鏡(第二凸透鏡)和光譜儀系統(tǒng)入射到線陣ccD像元表面的透過率r(;g不同，待測總紫外輻射強度^為
柳wm 1 320mw i 400柳 i
心=2 "y^")"d藝^7T"，W+ ￡ (3)
用計算機讀取數(shù)據(jù)采集和控制模塊獲得的各像元對應(yīng)的電壓信號值，按(3)式計算得到待測 總紫外輻射強度及UV-B和UV-A波段的紫外輻射強度。
當用光電倍增管接收光譜儀輸出的分光輻射時，光譜儀的光柵在計算機的控制下旋轉(zhuǎn)光
柵，光電倍增管接收的光信號即是光譜掃描的結(jié)果，光電倍增管輸出的電流強度z'(;i)與光電
倍增管接收到的光譜強度成正比，可以表達為
/(義)=;;(;i)/(/1) (4)
或 /(義)=;r'(;i)/(;i) (5)
待測紫外輻射強度為所考慮的波長區(qū)域內(nèi)光譜輻射對波長的積分。同樣考慮光路透過率 影響，待測總紫外輻射強度可表達為
400柳， 320肺i 400卿 i
/r= J ;/c'( _[ J (6)
通過計算機讀取數(shù)據(jù)采集和控制模塊獲得的各波長對應(yīng)的電流信號值，按(6)式計算得到待 測總紫外輻射強度及UV-B和UV-A波段的紫外輻射強度。 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點
本發(fā)明的大氣紫外輻射通量測量裝置采用光柵分光原理、利用光電倍增管或線陣CCD實 現(xiàn)對紫外輻射的測量?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)利用熱效應(yīng)測量紫外輻射的不足，本發(fā)明不但可以給 出UV-B和UV-A各波段的紫外輻射通量，還可以給出這兩個波段內(nèi)紫外輻射的波長分布和 紫外輻射的全譜測量結(jié)果。與濾光片方式比較，本發(fā)明的測量結(jié)果提供了豐富的信息，更有 利于評價大氣環(huán)境變化及其污染的程度。
本發(fā)明的光纖束的前、后端面的設(shè)計，有利于或保證了光信號的有效傳輸。
本發(fā)明使用了光纖傳導(dǎo)光束，從而可將整個測量裝置中的輻射接收探頭部分置于室外， 裝置的其它部分置于有空調(diào)的室內(nèi)，因此，環(huán)境溫度的變化對測量的影響可以不計。
四

圖l為實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為光纖束前后端面光纖的分布形態(tài)示意圖。
5圖3為實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)-大氣輻射；2-接收探頭；3-第一熔石英凸透鏡；4-光纖束；5-—字型光纖輸出端； 6-第二熔石英凸透鏡；7-輸入狹縫；8-光譜儀；9-CCD器件或光電倍增管；10-數(shù)據(jù)采集和控 制模塊；ll-微計算機系統(tǒng)；12-光纖束前端面，13-光纖束后端面；14-高壓電源；15-掃描控 制器。
五、具體實施例 實施例一
數(shù)據(jù)采集和控制模塊與CCD器件的讀出電路或光電倍增管的信號處理電路相連。
如圖l所示，本發(fā)明的紫外輻射通量測量裝置由接收探頭2、第一熔石英凸透鏡3、光纖 束4、第二熔石英凸透鏡6、光譜儀8、 CCD器件9、數(shù)據(jù)采集和控制模塊IO、微型計算機系 統(tǒng)11組成。第一、第二熔石英凸透鏡6由熔融石英制成，CCD器件9采用線陣CCD。接收探 頭2由金屬鏡筒和光纖束4定位底座構(gòu)成，第一熔融石英凸透鏡3安裝在金屬鏡筒內(nèi)。光纖 束4的前端面光纖呈圓形分布，后端面光纖呈直線型一字分布，(光纖束前、后端面光纖的分 布形態(tài)如圖2所示，前、后端面即指光纖束的兩端部)圓形分布端被固定在接收探頭3的定 位底座中央位置。光纖束4前端面位于第一凸透鏡3的焦點處，保證光束透過第一熔石英凸 透鏡3后匯聚光斑落在圓形光纖束入射端面12內(nèi)。光纖束后端面13置于第二熔融石英凸透 鏡6的物平面上，光束呈由一字型光纖輸出端5輸出，它將光纖束4輸出的光束成像在光譜 儀8輸入狹縫7處，因為第二熔石英凸透鏡6的像平面該入射狹縫面上。光譜儀8的光路為 C-T形態(tài)，采用光柵分光，，光譜儀8的輸出口 (輸出狹縫處)置一個線陣CCD，經(jīng)過光柵分光 后的譜帶被成像在線陣CCD上，線陣CCD設(shè)有驅(qū)動電路，數(shù)據(jù)采集和控制模塊10讀取相應(yīng)信 號，按照(3)式經(jīng)微計算機系統(tǒng)ll處理獲得測試結(jié)果。
實施例二
如圖3所示，本發(fā)明的紫外輻射通量測量裝置由接收探頭2、光纖束4、第一熔石英凸透 鏡3、光纖束4、第二熔石英凸透鏡6、光譜儀8、光電倍增管9、數(shù)據(jù)采集和控制模塊IO、 微型計算機系統(tǒng)11組成。接收探頭2由金屬鏡筒和光纖束4定位底座構(gòu)成，第一熔石英凸透 鏡3安裝在金屬筒內(nèi)；光纖束4前端光纖面呈圓形分布，后端面光纖呈直線型一字分布，圓 形分布端被固定在接收探頭2上，光纖束前端面12置于第一熔石英凸透鏡3的焦平面上，保 證了光束透過透鏡3后的匯聚光斑在圓形光纖端面12內(nèi)。
光纖束后端面14 一字型端輸出光束，經(jīng)第二熔石英凸透鏡6輸出光束，成像在光譜儀8輸入狹縫7處；光譜儀8的光路為C-T形態(tài)，釆用光柵分光，光譜儀8的輸出狹縫處置一個 光電倍增管9，光電倍增管9由高壓電源14提供工作電壓，經(jīng)過光柵分光后的光信號經(jīng)過輸 出狹縫透射到光電倍增管9的接收窗口，并由掃描控制器15控制光柵旋轉(zhuǎn)，對輸出光束進行 掃描，光電倍增管9的信號處理電路對光信號進行處理，由數(shù)據(jù)采集和控制模塊10的讀取相 應(yīng)信號并送入微計算機系統(tǒng)11。其中光電倍增管9由高壓電源14供電；光譜儀8由掃描控 制器15控制光柵轉(zhuǎn)動，掃描控制器15的工作狀態(tài)由微型計算機系統(tǒng)11進行控制。微計算機 系統(tǒng)ll按照(6)式處理獲得測試結(jié)果。
以上實例一、實例二都要用標準紫外光源分光測定由接收探頭到光譜儀輸出處光譜輻射
的傳輸系數(shù)，即輻射透過率譜分布系數(shù)r(;i)。
權(quán)利要求
1、一種紫外輻射通量測量裝置，它包括大氣輻射接收探頭，其特征是該裝置還包括第一凸透鏡、光纖束、第二凸透鏡、光譜儀、光電探測器、數(shù)據(jù)采集和控制模塊和微計算機系統(tǒng)；其中第一凸透鏡安放在鏡桶內(nèi)，光纖束前端裝配在鏡桶底部中央位置，光纖束后端面后方放置第二凸透鏡，第二凸透鏡后方置光譜儀；所述光纖束的前端面光纖呈圓形分布，后端面光纖呈直線分布；光纖束前端面位于第一凸透鏡的焦點處，光纖束后端面位于第二凸透鏡的物平面上，第二凸透鏡的像平面位于光譜儀入射狹縫面上，對應(yīng)光譜儀的出射面設(shè)置有光電探測器，該光電探測器與數(shù)據(jù)采集和控制模塊連接，數(shù)據(jù)采集和控制模塊與微計算機系統(tǒng)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外輻射通量測量裝置，其特征是所述第一、第二凸透鏡均 采用熔石英凸透鏡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外輻射通量測量裝置，其特征是所述的光電探測器為CCD 器件或光電倍增管。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外輻射通量測量裝置，其特征是所述CCD器件采用線陣CCD。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外輻射通量測量裝置，其特征是所述光電探測器為一光電倍增管，相應(yīng)地光譜儀設(shè)有控制光柵轉(zhuǎn)動的掃描控制器，掃描控制器的控制端與微計算機系 統(tǒng)相連。
6、 一種紫外輻射通量測量方法，其特征是，測量過程如下通過接收探頭上的第一凸透鏡接收來自大氣的輻射，接收的輻射匯集在光纖呈圓形分布 的光纖束前端面，經(jīng)光纖束傳輸后，在光纖束另一頭的光纖呈直線型分布的后端面輸出，經(jīng)第二凸透鏡，送入光譜儀的入射狹縫面，再經(jīng)光譜儀按波長展開輸出由線陣CCD或光電倍增管探測，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集和控制模塊處理將每一像元的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入微計算機系 統(tǒng)進行處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的紫外輻射通量測量方法，其特征是所述光譜儀在微計算機系統(tǒng)的控制下，控制光譜儀光柵旋轉(zhuǎn)，光電倍增管對輸出光束進行掃描，并將掃描的光信號轉(zhuǎn) 換為電信號，送入數(shù)據(jù)采集和控制模塊。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的紫外輻射通量測量方法，其特征是所述第一、第二凸透鏡均采用熔石英凸透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)輻射能量計量技術(shù)，具體為一種大氣紫外輻射通量測量裝置及其測量方法。該裝置由輻射接收探頭、兩個凸透鏡、光纖束、光譜儀、光電探測器、數(shù)據(jù)采集和控制模塊和微計算機系統(tǒng)等組成。本發(fā)明大氣紫外測量裝置采用光柵分光原理、利用光電倍增管或線陣CCD實現(xiàn)對紫外輻射的測量。本發(fā)明克服了利用熱效應(yīng)測量紫外輻射的不足，不但可以給出UV-B和UV-A各波段的紫外輻射通量，還可以給出這兩個波段內(nèi)紫外輻射的波長分布和紫外輻射的全譜測量結(jié)果。本發(fā)明使用了光纖傳光束，僅有輻射接收探頭部分在室外，測量裝置可置于有空調(diào)的室內(nèi)，因此，環(huán)境溫度的變化對測量的影響可以不計。
文檔編號G01J3/18GK101504314SQ20091003025
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者肖韶榮 申請人:南京信息工程大學(xué)