大气紫外辐射通量测量装置及其测量方法

摘要

本发明涉及一种光学辐射能量计量技术，具体为一种大气紫外辐射通量测量装置及其测量方法。该装置由辐射接收探头、两个凸透镜、光纤束、光谱仪、光电探测器、数据采集和控制模块和微计算机系统等组成。本发明大气紫外测量装置采用光栅分光原理、利用光电倍增管或线阵CCD实现对紫外辐射的测量。本发明克服了利用热效应测量紫外辐射的不足，不但可以给出UV－B和UV－A各波段的紫外辐射通量，还可以给出这两个波段内紫外辐射的波长分布和紫外辐射的全谱测量结果。本发明使用了光纤传光束，仅有辐射接收探头部分在室外，测量装置可置于有空调的室内，因此，环境温度的变化对测量的影响可以不计。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种光学辐射能量计量技术，具体讲为一种紫外波段辐射通量的测量装置及测量方法，主要用于监测太阳辐射中紫外线的辐射强度。

二、背景技术

大气中的紫外辐射主要来自太阳辐射，对其监测的重要性越来越受到广泛的关切，通过测量大气中的紫外辐射来评价大气环境变化及其污染的程度。国内外已有多种紫外辐射测量方法，欧美国家还先后建立了监测网，获得了丰富的数据。我国对大气紫外辐射的测量仍处于起步阶段，主要的仪器设备也是国外进口。太阳辐射的紫外辐射只有280～400nm光谱范围内的一部分能够到达地面，一般把它分成UV-B(280～320nm)和UV-A(320～400nm)。由于对紫外辐射的全谱测量意义不大，因此，利用紫外辐射的热效应来测量紫外辐射的方法已基本不使用，而是利用紫外光电离效应、光电效应和摄影感光效应来实现对紫外辐射的测量。目前使用广泛的仪器主要有：Robertson-Berger紫外辐射仪和Eppley近紫外辐射表。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种长期可靠性高、能准确测量大气紫外辐射通量或强度的装置。

本发明的另一目的是提供大气紫外辐射通量或强度的测量方法，该方法测量简便，测量结果信息丰富，更有利于评价大气环境变化及其污染的程度。

本发明的目的是通过以下技术案实现的：

一种紫外辐射通量测量装置，它包括大气辐射接收探头，该装置还包括：

第一凸透镜、光纤束、第二凸透镜、光谱仪、光电探测器、数据采集和控制模块和微计算机系统；其中第一凸透镜安放在镜桶内，光纤束前端装配在镜桶底部中央位置，光纤束后端面后方放置第二凸透镜，第二凸透镜后方置光谱仪；所述光纤束的前端面光纤呈圆形分布，后端面光纤呈直线分布；光纤束前端面位于第一凸透镜的焦点处，光纤束后端面位于第二凸透镜的物平面，第二凸透镜的像平面位于光谱仪入射狭缝面上，对应光谱仪的出射面设置有光电探测器，该光电探测器与数据采集和控制模块连接，数据采集和控制模块与微计算机系统相连。

第一、第二凸透镜最好采用熔石英凸透镜，它具有耐潮湿、耐腐蚀的特点。光电探测器为CCD器件或光电倍增管。CCD器件采用线阵CCD。光电探测器为一光电倍增管，相应地光谱仪设有控制光栅转动的扫描控制器，扫描控制器的控制端与微计算机系统相连。

本发明的光纤束两端面的设计比较巧妙，其前端面呈圆形分布，后端面呈直线分布，经及第一凸透镜和第二凸透镜位置的设置。前端面保证了通过第一凸透镜的光信号的光斑落在光纤束的接收范围内，后端面保证了光纤束送出的光信号经第二凸透镜后全部送入检波器的入射狭缝面。从而保证了光信号的有效传输。

一种紫外辐射通量测量方法，其特征是，测量过程如下：

通过接收探头上的第一凸透镜接收来自大气的辐射，接收的辐射汇集在光纤呈圆形分布的光纤束前端面，经光纤束传输后，在光纤束另一头的光纤呈直线型分布的后端面输出，经第二凸透镜，送入光谱仪的入射狭缝面，再经光谱仪按波长展开输出由线阵CCD或光电倍增管探测，再经数据采集和控制模块处理将每一像元的电荷转换为电压信号，送入微计算机系统进行处理。

所述光谱仪在微计算机系统的控制下，控制光谱仪光栅旋转，光电倍增管对输出光束进行扫描，并将扫描的光信号转换为电信号，送入数据采集和控制模块。

所述第一、第二凸透镜均采用熔石英凸透镜。

本发明的工作原理：

本发明中接收探头上的第一凸透镜将接收到的来自大气的辐射，接收过程中可以采用太阳辐射角跟踪装置跟踪太阳高度角，接收的辐射汇集在圆形分布的光纤束端面上，光纤束将光辐射传送到另一直线分布端呈一字型输出，经第二凸透镜成像在光谱仪的入射狭缝面上，光谱仪将入射光束按波长展开并输出至线阵CCD上，CCD线阵不同位置的像元素接收到的光波长不同。每一像元上的电荷QP与投射到该像元上光强度I(λ)成正比，经过检测电路将电荷信号转换为电压信号U(λ)，可以将某一像元上的光强与电压的关系表达为：

I(λ)＝κ(λ)U(λ)                    (1)

将各像元接收到的光强相加即得CCD线阵接收到的总紫外辐射强度I。

$I=\underset{{\lambda }_i=280\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\Sigma }}I\left({\lambda }_i\right)=\underset{{\lambda }_i=280\mathrm{nm}}{\overset{320\mathrm{nm}}{\Sigma }}I\left({\lambda }_i\right)+\underset{{\lambda }_i=320\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\Sigma }}I\left({\lambda }_i\right)---\left(2\right)$

$=\underset{{\lambda }_i=280\mathrm{nm}}{\overset{320\mathrm{nm}}{\Sigma }}\kappa \left({\lambda }_i\right)U\left({\lambda }_i\right)+\underset{{\lambda }_i=320\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\Sigma }}\kappa \left({\lambda }_i\right)U\left({\lambda }_i\right)$

考虑到不同波长的紫外辐射通过接收探头、会聚透镜(第一凸透镜)、光纤和成像透镜(第二凸透镜)和光谱仪系统入射到线阵CCD像元表面的透过率τ(λ_i)不同，待测总紫外辐射强度I_T为：

$I_T=\underset{{\lambda }_i=280\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\Sigma }}\frac{1}{\tau \left({\lambda }_i\right)}\kappa \left({\lambda }_i\right)U\left({\lambda }_i\right)=\underset{{\lambda }_i=280\mathrm{nm}}{\overset{320\mathrm{nm}}{\Sigma }}\frac{1}{\tau \left({\lambda }_i\right)}\kappa \left({\lambda }_i\right)U\left({\lambda }_i\right)+\underset{{\lambda }_i=320\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\Sigma }}\frac{1}{\tau \left({\lambda }_i\right)}\kappa \left({\lambda }_i\right)U\left({\lambda }_i\right)---\left(3\right)$

用计算机读取数据采集和控制模块获得的各像元对应的电压信号值，按(3)式计算得到待测总紫外辐射强度及UV-B和UV-A波段的紫外辐射强度。

当用光电倍增管接收光谱仪输出的分光辐射时，光谱仪的光栅在计算机的控制下旋转光栅，光电倍增管接收的光信号即是光谱扫描的结果，光电倍增管输出的电流强度i(λ)与光电倍增管接收到的光谱强度成正比，可以表达为：

i(λ)＝η(λ)I(λ)                      (4)

或I(λ)＝κ′(λ)i(λ)                  (5)

待测紫外辐射强度为所考虑的波长区域内光谱辐射对波长的积分。同样考虑光路透过率影响，待测总紫外辐射强度可表达为：

$I_T=\underset{280\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\int }}\frac{1}{\tau \left(\lambda \right)}\kappa \prime \left(\lambda \right)i\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }=\underset{280\mathrm{nm}}{\overset{320\mathrm{nm}}{\int }}\frac{1}{\tau \left(\lambda \right)}\kappa \prime \left(\lambda \right)i\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }+\underset{320\mathrm{nm}}{\overset{400\mathrm{nm}}{\int }}\frac{1}{\tau \left(\lambda \right)}\kappa \prime \left(\lambda \right)i\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }---\left(6\right)$

通过计算机读取数据采集和控制模块获得的各波长对应的电流信号值，按(6)式计算得到待测总紫外辐射强度及UV-B和UV-A波段的紫外辐射强度。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明的大气紫外辐射通量测量装置采用光栅分光原理、利用光电倍增管或线阵CCD实现对紫外辐射的测量。克服了现有技术利用热效应测量紫外辐射的不足，本发明不但可以给出UV-B和UV-A各波段的紫外辐射通量，还可以给出这两个波段内紫外辐射的波长分布和紫外辐射的全谱测量结果。与滤光片方式比较，本发明的测量结果提供了丰富的信息，更有利于评价大气环境变化及其污染的程度。

本发明的光纤束的前、后端面的设计，有利于或保证了光信号的有效传输。

本发明使用了光纤传导光束，从而可将整个测量装置中的辐射接收探头部分置于室外，装置的其它部分置于有空调的室内，因此，环境温度的变化对测量的影响可以不计。

四、附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为光纤束前后端面光纤的分布形态示意图。

图3为实施例二的结构示意图。

图中：1-大气辐射；2-接收探头；3-第一熔石英凸透镜；4-光纤束；5-一字型光纤输出端；6-第二熔石英凸透镜；7-输入狭缝；8-光谱仪；9-CCD器件或光电倍增管；10-数据采集和控制模块；11-微计算机系统；12-光纤束前端面，13-光纤束后端面；14-高压电源；15-扫描控制器。

五、具体实施例

实施例一

数据采集和控制模块与CCD器件的读出电路或光电倍增管的信号处理电路相连。

如图1所示，本发明的紫外辐射通量测量装置由接收探头2、第一熔石英凸透镜3、光纤束4、第二熔石英凸透镜6、光谱仪8、CCD器件9、数据采集和控制模块10、微型计算机系统11组成。第一、第二熔石英凸透镜6由熔融石英制成，CCD器件9采用线阵CCD。接收探头2由金属镜筒和光纤束4定位底座构成，第一熔融石英凸透镜3安装在金属镜筒内。光纤束4的前端面光纤呈圆形分布，后端面光纤呈直线型一字分布，(光纤束前、后端面光纤的分布形态如图2所示，前、后端面即指光纤束的两端部)圆形分布端被固定在接收探头3的定位底座中央位置。光纤束4前端面位于第一凸透镜3的焦点处，保证光束透过第一熔石英凸透镜3后汇聚光斑落在圆形光纤束入射端面12内。光纤束后端面13置于第二熔融石英凸透镜6的物平面上，光束呈由一字型光纤输出端5输出，它将光纤束4输出的光束成像在光谱仪8输入狭缝7处，因为第二熔石英凸透镜6的像平面该入射狭缝面上。光谱仪8的光路为C-T形态，采用光栅分光，光谱仪8的输出口(输出狭缝处)置一个线阵CCD，经过光栅分光后的谱带被成像在线阵CCD上，线阵CCD设有驱动电路，数据采集和控制模块10读取相应信号，按照(3)式经微计算机系统11处理获得测试结果。

实施例二

如图3所示，本发明的紫外辐射通量测量装置由接收探头2、光纤束4、第一熔石英凸透镜3、光纤束4、第二熔石英凸透镜6、光谱仪8、光电倍增管9、数据采集和控制模块10、微型计算机系统11组成。接收探头2由金属镜筒和光纤束4定位底座构成，第一熔石英凸透镜3安装在金属筒内；光纤束4前端光纤面呈圆形分布，后端面光纤呈直线型一字分布，圆形分布端被固定在接收探头2上，光纤束前端面12置于第一熔石英凸透镜3的焦平面上，保证了光束透过透镜3后的汇聚光斑在圆形光纤端面12内。

光纤束后端面14一字型端输出光束，经第二熔石英凸透镜6输出光束，成像在光谱仪8输入狭缝7处；光谱仪8的光路为C-T形态，采用光栅分光，光谱仪8的输出狭缝处置一个光电倍增管9，光电倍增管9由高压电源14提供工作电压，经过光栅分光后的光信号经过输出狭缝透射到光电倍增管9的接收窗口，并由扫描控制器15控制光栅旋转，对输出光束进行扫描，光电倍增管9的信号处理电路对光信号进行处理，由数据采集和控制模块10的读取相应信号并送入微计算机系统11。其中光电倍增管9由高压电源14供电；光谱仪8由扫描控制器15控制光栅转动，扫描控制器15的工作状态由微型计算机系统11进行控制。微计算机系统11按照(6)式处理获得测试结果。

以上实例一、实例二都要用标准紫外光源分光测定由接收探头到光谱仪输出处光谱辐射的传输系数，即辐射透过率谱分布系数τ(λ)。