半球形天空亮度测量仪器

摘要

本发明公开了一种用于白天的可见及近红外波段半球形天空亮度测量仪器。在半球体上安装七个探测器，将各方向的天空照度值转化为电信号，利用探测器接收面处亮度与照度成正比的关系，通过辐亮度计的定标，得到天空亮度的空间分布。由于采用将7个探测器按照高度角、方位角固定在半球体支架上的方法，可同时、快速得到不同方向上的天空亮度值，这样既可以实时监测某一方向的天空亮度，也可以同时监测多方向，便于研究天空亮度的时间、空间分布。该仪器弥补了传统天空亮度测量仪器在测量波段、实时性、便携性等方面的不足，更好的满足了实际的科研需求。

说明书

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体是一种测量白天可见及近红外波段天空亮度时间和空间分布的仪器。

背景技术

使用地基设备对空中目标进行探测时，大气是不可忽略的。它将部分太阳辐射能量重新分配，形成了大气层内散射光亮度的空间分布，即“天空亮度”的概念。随着探测手段的进步，这个概念也早已由最初的特指可见光推广至红外甚至远红外波段。一方面，为了获取空中或空间目标的辐射信息，必须扣除大气的影响。而在观察物体时，物体和背景的亮度差异起决定作用。因此，了解天空亮度分布是识别空间目标的第一步。另一方面，天空亮度主要是由空气分子和大气气溶胶颗粒散射太阳辐射所导致的结果，它包含了大量大气组分和状态的信息。对这一物理量的研究将有助于更进一步了解大气及其与辐射传输的相互作用。

传统的天空亮度测量仪器大多仅工作于可见光波段。按照工作方式的不同，大体可分为两类：一类是对特定天空进行图像拍摄，如美国Yankee公司TSI(Total Sky Imager)和California University研制的WSI(Whole SkyImager)，它们用半球镜将全天空的图像反射到带鱼眼镜头的CCD上，通过分析图片的灰度信息来测定天空的亮度分布，此类仪器能同时获得天空各个方向的亮度值，但测量亮度的手段较为间接，且实时性不高(获得一张全天空图像需1分钟以上的时间)；另一类是用一个或多个辐射接收装置扫描天空以获得亮度分布，如意大利的WASBAM(Wide-Angle Sky Brightness Automatic Mapper)以及照明工程中使用的设备，此类仪器对天空离散采样，且结构较为复杂，有些需要机械转动，导致测量周期较长。

然而在实际应用中，往往希望能够实时监测天空亮度的变化，将探测波段扩展至更广的范围，同时实现仪器的小型化和结构的简单化。因此，有必要研制一种新的测量天空亮度的仪器，以弥补传统仪器在测量波段、实时性等方面的不足，更好的满足实际的科研需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种半球形天空亮度测量仪器，通过分布在半球形支架上的多个探测器实现天空亮度的时间、空间分布测量。

本发明专利的技术方案如下：

半球形天空亮度测量仪器，其特征在于：包括有半球体的探测器支架，在半球体上设置七个槽，每个槽内安装一个探测器，构成七个测量通道，探测器按半球体的径向设置，探测面指向天空，其位置坐标为通道0(55°，198°)、通道1(30°，162°)、通道2(30°，54°)、通道3(55°，342°)、通道4天顶、通道5(30°，270°)和通道6(55°，126°)，括号中第一个量为高度角，从地平线起，向上为正；第二个量为方位角，从南起，沿顺时针，向西为正；各探测器引脚接屏蔽线从所述槽上的开孔引出，接到数据存储与处理设备。

所述的半球形天空亮度测量仪器，其特征在于：所述的探测器采用光电二极管，响应320nm-1000nm的入射光，线性工作区间为10^-6-10⁵lx。

所述的半球形天空亮度测量仪器测量天空亮度的方法，其特征在于：将探测器支架水平放置，保证周围高度角30°以上无障碍物遮挡，探测器将天空某一方向的照度转换为电信号；在天顶方向，认为辐亮度计的测量值为天空亮度的真实值，以此标定该方向上的探测器，得到该探测器对天空亮度的响应函数，即求得天空亮度值与探测器电压值之间的关系；在所有探测器性能接近的情况下，认为它们具有相同的响应函数，便可由各方向探测到的电压值得到天空亮度值。

本发明采用光电二极管作为探测器，将多个探测器按照高度角、方位角放置在半球形支架上，同时测量不同方向的天空亮度，响应波段为320nm-1000nm。

本发明的优点：

(1)、将探测器波谱范围从可见光扩展至近红外波段，更加符合太阳光能量分布的真实范围，也更符合大气光学研究的实际。

(2)、可在很短的时间内(0.4秒)获得天空亮度的分布，有利于研究天空亮度分布的瞬时变化。

(3)、既可监测某一固定方向的天空亮度，也可同时监测多个方向，方便了实际中的应用。

(4)、可得到辐射的绝对值，同时也为拍照型天空亮度测量仪器提供了一种新的定标手段。

(5)、结构简单，携带方便。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明半球形支架的示意图。

图3是本发明探测器分布示意图。

图4是本发明探测器放置示意图

图5是本发明测得的天空亮度分布的时间变化图

具体实施方式

请参见附图1。光电二极管将天空某一方向的照度转换为电流，经高精度运算放大器转换电压，并用反馈电阻将电压调整到所需的幅值。信号采集系统由7个通道组成。未饱和时，探测面的照度值与其所探测方向的亮度值成正比，所以系统所得到的电压值可反映天空亮度的强弱。通过辐亮度计的定标得到探测器对亮度的响应函数，在所有探测器性能接近的情况下，便可由各方向探测到的电压值得到天空亮度值。

一、探测器的选择主要考虑光谱响应范围和信号线性响应范围两方面的要求。太阳光的波谱范围很宽，在300～3000nm的波长范围内均有能量分布。但由于没有响应谱带如此宽的光探测器，所以世界气象组织将集中绝大部分太阳光能量的400nm～1100nm波段称为总辐射范围，而这正是本仪器应具有的光谱响应范围。另外，仪器是用来测量非恶劣天气条件下白天天空亮度，从而要求探测器应能够对强度为10～10⁵lx的光产生线性的响应。因此，选择HAMAMATSU公司的S1787-12型光电二极管，它能响应320nm-1000nm的入射光，线性工作区间为10^-6-10⁵lx。

二、探测器的支架为半球体，见附图2，内径94mm，外径110mm。考虑到硬度和绝缘性，采用聚四氟乙烯材料。其上有7个槽1，以放置探测器2。选取7个在4个天区(东南西北)和3个高度角(30°，55°，90°)上分布较为均匀，能够代表全天空亮度分布的观测方位放置探测器，按照天文学的习惯，用地平坐标表示为通道0(55°，198°)、通道1(30°，162°)、通道2(30°，54°)、通道3(55°，342°)、通道4天顶、通道5(30°，270°)和通道6(55°，126°)，如图3所示，括号中第一个量为高度角，从地平线起，向上为正；第二个量为方位角，从南起，沿顺时针，向西为正。

三、探测器2的放置如图4所示。在半球体表面开出七个槽1，将探测器的探测面朝上，平躺的放入其中，在两引脚下方各打一通孔，将屏蔽线分别插入孔内，连接引脚与后续电路。探测器属于精密仪器，为保证其性能的完好，不能将导线焊在引脚上，而是应该缠在引脚上，并用热塑管固定。

四、采集卡的最大采样频率很高，合理的设置采样频率可以减轻系统负荷，减小后续的数据处理量。在实际的工作环境中，天空亮度的变化主要是由自然因素，在不考虑大气光学湍流的影响下，主要是由太阳在天空中的方位和风、云的变化引起的。对于这样的低频信号来说，每通道2.5Hz的采样频率是足够的。

在上位机中，通过在VC++中添加图像显示控件，可将7路信号同时显示在屏幕上，使操作者对信号的变化有了直观的了解。

五、仪器由于涉及到方位角、高度角，所以在使用前需要指南针、水平仪校准仪器的放置。在仪器附近以半球球心为原点的高度角30°内不能有物体遮挡。为确定测量的可信度，在使用前需将探测器遮盖，以测量背景噪声。

六、测量原理及方法：

亮度是描述发光面光度学特性的物理量。它的物理意义是，在某一观测方向θ上，从单位投影面积s在单位立体角Ω内发出的辐射通量Φ，亮度B用公式表示为

$B=\frac{\mathrm{d\Phi }}{\mathrm{d\Omega }\mathrm{ds}\cos \theta }$(1)

对于光电二极管，在一定入射光水平的范围内，输出电流I与入射光照度E成线性关系：

I＝c₁E+c₂    (2)

通过由放大器组成的电流-电压转换电路后，测量到的电压V：

V＝c₃I+c₄    (3)

考虑到在光电二极管的几何参量和位置确定的情况下，其探测方向的天空亮度和探测面所接收到的照度成正比，即

B∝E    (4)

综合(2)-(4)，可知系统探测到的电压V与天空亮度B成一简单的线性关系：

B＝aV+b(5)

通过测量天空各个方向上系统的电压值便可得到该方向上的天空亮度，而系统响应参量a、b，可通过某一方向辐亮度计的定标得到。

七、典型实验结果：

2007年11月6日，天气晴间多云，微风，测量天空亮度结果如图5所示。