自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计

本发明属于光学辐射计量，具体涉及一种自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计。

背景技术：

1、太阳光谱辐照度是太阳能利用、气象观测、大气遥感、环境监测以及光学载荷定标中的重要基础量。通道式太阳光谱辐照度计通常利用多个窄带光谱通道对太阳辐射进行采样，再根据各通道探测器的光谱响应和光路参数得到对应波段的光谱辐照度。为了保证测量结果能够溯源，仪器在使用前和使用过程中需要获得探测器响应度、通道透过率以及光谱带宽等定标参数。

2、单光子探测器能够对极弱光进行计数，但其量子效率会随波长、温度、偏压及使用时间发生变化。基于自发参量下转换的关联光子法利用光子成对产生的统计关联，通过一个探测通道预示另一个通道中光子的到达，可以在不依赖已知绝对辐射功率的条件下定标单光子探测器的量子效率。但是，太阳直接观测时的光强远高于关联光子光源的单光子量级，单光子探测器和模拟探测器的有效工作范围相差较大。如果直接用模拟探测器测量关联光子，模拟探测器需要在极高增益下工作，容易受到本底噪声、零点漂移及增益稳定性的影响；如果直接用单光子探测器测量较强的积分球光源或太阳光，计数率可能超过其线性范围，严重时会导致探测器受损。因此，需要在单光子量级和模拟探测量级之间建立可靠的中间量值传递环节。

3、积分球能够提供空间均匀、光谱稳定的复合光源，适合作为上述中间量值载体。然而，积分球输出在单光子探测器可测范围内需要经过较大倍率衰减。中性密度衰减片的实际透过率与波长有关，并会受到安装角度、污染、老化和重复定位的影响。如果直接采用标称光密度或离线测量结果，衰减误差会被带入积分球光子数和后续太阳光谱辐照度结果。现有方案还存在自校准光路、积分球传递光路和太阳观测光路分离，切换后选波元件及传输元件不一致的问题，不利于消除光路差异引入的系统误差。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明采用了一种自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计。本发明提出以下具体方案：

2、第一方面，本发明提出一种自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，包括：

3、泵浦激光器，用于输出泵浦光；

4、bbo晶体温控炉，包括多块具有不同相位匹配角的bbo晶体，多块bbo晶体在泵浦光的照射下产生关联光子对，关联光子对经收集准直、滤除残余泵浦光后接入公共选波光路；

5、积分球光源，经光纤镜头耦合输出积分球出射光，积分球出射光被接入所述公共选波光路；

6、太阳光阑，太阳光经太阳光阑和第一旋转反射镜进入所述公共选波光路；

7、单光子探测器组，用于接收经过公共选波光路的关联光子对和衰减后的积分球出射光；

8、模拟探测器组，用于接收经过公共选波光路的积分球出射光以及选波后的太阳光；

9、控制和数据处理单元，被配置为择一将关联光子对、积分球出射光以及太阳光接入公共选波光路；并且在第一模式利用关联光子对定标单光子探测器组，获得量子效率；在第二模式中在线测量积分球出射光的衰减信号与未衰减参考信号，进而计算得到各波段的衰减片的实际透过率；在第三模式中利用单光子探测器组测量经衰减的积分球出射光，并结合量子效率和实际透过率反推衰减前的积分球光子数；在第四模式中保持积分球光源与第三模式同次点灯、相同驱动电流和相同选波状态下，利用模拟探测器组测量积分球出射光的净输出电压，建立单光子探测器组与模拟探测器组之间的量值传递系数；在第五模式中基于选波后的太阳光，结合量子效率、衰减片的实际透过率和量值传递系数，计算得到太阳光谱辐照度。

10、本发明的有益效果在于：

11、（1）利用泵浦激光器和bbo晶体温控炉产生的关联光子对，通过符合计数法由单光子探测器组在八个离散定标通道完成量子效率定标，降低了对外部标准光源和探测器的依赖；同时以积分球光源作为中间光源，使单光子探测器组测量经独立衰减片转轮衰减后的积分球出射光，模拟探测器组在同次点灯状态下测量未经独立衰减片转轮衰减的积分球出射光，在避免模拟探测器直接测量极弱关联光子的同时，实现了从单光子计数量级到模拟探测量级的跨动态范围量值传递；

12、（2）本发明将衰减片的实际透过率作为在线测量量而非固定常数，通过第三模拟探测器采集未衰减参考信号、单光子探测器组采集衰减片模式的衰减信号，由控制和数据处理单元计算各波段的实际透过率，能够对波长造成的变化进行修正；同时关联光子对、积分球出射光和太阳光经直线运动模组切换进入同一公共选波光路，由第一滤光片转轮和第二滤光片转轮选波，减少了不同模式间光路差异引入的系统误差；

13、（3）本发明基于八块具有不同相位匹配角的bbo晶体与八组窄带滤光片对一一对应形成八个离散定标通道，覆盖宽谱段范围，避免了连续色散扫描机构复杂、重复性不足的问题；第一滤光片转轮、第二滤光片转轮和独立衰减片转轮协同工作，兼具成对窄带选波、通孔旁路和衰减组合功能，实现多级动态范围控制，提高了装置集成度；积分球单光子计量与模拟探测器量值传递在同次点灯条件下依次进行，提高了传递结果的稳定性和可追溯性。

1.一种自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，所述辐照度计包括：

2.根据权利要求1所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，辐照度计还包括：聚焦透镜（2）、针孔（3）、准直透镜（4） 、紫外增强铝反射镜（5）、261nm窄带滤光片（6）、半波片（7）、会聚透镜（8）、325nm二向色镜（14）、325nm长通滤光片（15）、550nm二向色镜（17）、平面反射镜（18）、第一吸收性滤光片（21）、第二吸收性滤光片（22）、第二旋转反射镜（23）、第三旋转反射镜（24）、第一单光子探测器（25）、第二单光子探测器（26）、第一模拟探测器（27）、第二模拟探测器（28）、第三模拟探测器（29）、第四模拟探测器（30）、光路爬升架及反射镜（33）；

3.根据权利要求2所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，所述泵浦激光器（1）输出的泵浦光依次经聚焦透镜（2）聚焦至针孔（3）进行空间滤波，经准直透镜（4）重新准直，经紫外增强铝反射镜（5）折转，经261nm窄带滤光片（6）滤除杂散波长，经半波片（7）调节偏振方向后，由会聚透镜（8）聚焦到bbo晶体温控炉（9）中对应的bbo晶体上；

4.根据权利要求3所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，所述积分球光源（31）的积分球出射光经光纤镜头（32）耦合输出，由直线运动模组控制光纤镜头（32）与bbo晶体温控炉（9）的出射位置交替接入所述公共选波光路，积分球出射光同样经第一离轴抛物镜（11）、第二离轴抛物镜（12）和第三离轴抛物镜（13）进入后续光路，并经325nm二向色镜（14）和325nm长通滤光片（15）后，由第一滤光片转轮（19）或第二滤光片转轮（20）选波、独立衰减片转轮（16）衰减，由第二旋转反射镜（23）和第三旋转反射镜（24）分别接入第一单光子探测器（25）和第二单光子探测器（26）并测量衰减后的积分球光子数；

5.根据权利要求4所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，控制和数据处理单元在所述第一模式被配置为：

6.根据权利要求5所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，控制和数据处理单元在所述第二模式被配置为：

7.根据权利要求6所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，控制和数据处理单元在第三模式被配置为：启动积分球光源（31），光纤镜头（32）由直线运动模组控制接入公共选波光路，第一滤光片转轮（19）或第二滤光片转轮（20）择一旋转至目标波段窄带滤光片位置进行时序选波，独立衰减片转轮（16）旋转至衰减片位置对积分球出射光进行衰减，第二旋转反射镜（23）和第三旋转反射镜（24）分别将衰减后的积分球出射光接入第一单光子探测器（25）和第二单光子探测器（26）；控制和数据处理单元分别采集第一单光子探测器（25）和第二单光子探测器（26）的单光子计数，利用第一模式的量子效率将扣除暗计数后的单光子计数分别换算为对应光子探测器处的光子数，再利用第二模式获得的相同波段的衰减片的实际透过率反推衰减前的积分球光子数。

8.根据权利要求7所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，控制和数据处理单元在第四模式被配置为：

9.根据权利要求8所述的自校准宽谱段多模式太阳光谱辐照度计，其特征在于，控制和数据处理单元在第五模式被配置为：太阳光经太阳光阑（34）和第一旋转反射镜（10）进入公共选波光路，第一滤光片转轮（19）和第二滤光片转轮（20）依次择一旋转至八个离散定标通道对应的窄带滤光片位置进行时序选波，独立衰减片转轮（16）根据光强选择通孔或衰减片位置，第二旋转反射镜（23）和第三旋转反射镜（24）分别将选波后的太阳光接入第一模拟探测器（27）和第二模拟探测器（28）；控制和数据处理单元采集第一模拟探测器（27）和第二模拟探测器（28）处的太阳输出电压，并利用太阳输出电压以及第一模式的各通道量子效率、第二模式的各波段的衰减片的实际透过率、以及第四模式的量值传递系数，计算得到各通道的太阳光谱辐照度。