绝对辐射计及绝对辐射计背景空间辐射传热的测量方法

技术领域

本发明涉及遥感器在轨光辐射测量领域，具体涉及一种用于测量绝对辐射计背景空间辐射传热的测量方法。

背景技术

随着太阳辐照度学研究的不断深入以及空间光谱遥感的发展，人们对于太阳总辐照度测量精度的要求越来越高。对绝对辐射计的背景空间辐射传热进行定量测定从而提高绝对辐射计测量精度是现阶段太阳辐照度学发展的关键问题。其中，影响绝对辐射计测量的辐射换热包含两部分：背景空间对吸收腔的辐射换热以及辐射计腔体组件之间的辐射换热。腔体组件内部的辐射换热由于各组件的温度差异较小通常忽略不计，背景空间的辐射换热被认为是影响腔体组件温度的关键因素。然而，由于绝对辐射计复杂的腔体组件结构，背景空间与吸收腔之间的辐射角度因子很难定量评估。同时，由于绝对辐射计封闭在一个精密的内部空间中，该部分能量也不能通过实验测量或理论计算的方法准确获得。

现有的研究一般在底座和吸收腔之外覆盖上一层以无氧高导铜为材料的辐射保护层。背景空间的辐射能量先传递到该保护层，然后通过无氧高导铜高热导率的特性将热量迅速的传递到制冷机底座，达到屏蔽背景空间辐射换热的目的。然而，该方法实际只能达到削弱背景空间辐射换热对吸收腔体组件温度影响的目的。即一部分能量通过热传导传递到制冷机的底座，还有一部分能量仍然通过辐射换热的方式，经由辐射保护层传递到吸收腔体组件。此外，采用该方法引进的不确定度和系统误差仍不能准确评定，这也影响着绝对辐射计仪器的数据处理。

因此，为满足对地球气候观测的研究需求，提高绝对辐射计在轨测量精度以及测量数据向世界辐射标准溯源。采用新的测量方法对绝对辐射计的背景空间辐射传热进行定量评估是在轨光辐射测量的新思路。

发明内容

本发明为解决现有绝对辐射计测量太阳总辐照度过程中辐射传热修正缺失，与国际辐射基准溯源性较差的问题，提供一种绝对辐射计及绝对辐射计背景空间辐射传热的测量方法。

绝对辐射计，包括视场光阑、主光阑和辐射计内部热结构；所述视场光阑装配在辐射计内部热结构前用于限制入射光的入射强度以及消除杂散光，主光阑位于视场光阑之后且安装在辐射计内部热结构入口处，热沉用于平衡吸收腔的温度；所述辐射计内部热结构包括压片、聚酰亚胺垫片、热电堆、热沉和吸收腔；所述吸收腔在光辐射区域埋入用于电加热的加热丝，吸收腔内部涂有镜面反射涂料，所述吸收腔为带帽檐的正圆锥腔结构，所述热电堆的上顶面连接吸收腔帽檐，热电堆的下底面与热沉连接；所述压片通过聚酰亚胺垫片与吸收腔帽檐固定。

绝对辐射计背景空间辐射传热的测量方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立有限元模型；

根据绝对辐射计的实际三维结构，在有限元体系中建立与所述绝对辐射计的实际三维结构对应的有限元模型；

步骤二、对步骤一所述的有限元模型和实际三维结构依次施加不同的入射功率，并对比当入射功率相同时，有限元模型与实际三维结构的稳态灵敏度，判断所述有限元模型与实际三维结构的稳态灵敏度的相对误差是否小于1％，如果是，执行步骤三；如果否，返回步骤一；

步骤三、背景空间换热测量；

在步骤一所述的有限元模型的远端建立与所述有限元模型没有坐标关系的空间节点，设定辐射计的辐射罩的环境温度为常量，并将所述常量附给空间节点；

在所述辐射计外表面覆盖一层与所述空间节点对应的辐射单元，将所述空间节点辐射单元之间的形状因子存储在一个矩阵关系中，根据所述矩阵关系获得环境温度与热沉之间的辐射换热，所述环境温度与热沉之间的辐射换热即等效为空间节点与对应辐射单元的辐射换热；

对有限元模型的吸收腔依次施加不同的入射功率，分别记录有辐射传热状态和无辐射传热状态下吸收腔的平衡温度；对测量的平衡温度差异取平均值，该平均值即为对应背景空间与吸收腔的辐射传热能量。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的方法操作简便，可重复性强，用于定量测量的有限元体系与绝对辐射计的实际结构相结合，准确性高，适合于绝对辐射计不同锥腔腔型结构的辐射传热测量；

二、本发明中的吸收腔结构和热物理性质的等效简化了锥腔的各层结构，并包含了粘接锥腔的脱氧树脂胶，考虑更全面、精确；热电堆结构由180对铜-康铜加热丝和聚酰亚胺基体组成，有限元体系将热电堆分成两个结构，有助于研究锥腔各组件对绝对辐射计时间常数的具体贡献；

三、吸收腔分为加热丝层和黑漆层，与绝对辐射计的光加热阶段和电加热阶段相对应；此外，热沉通过热电堆与吸收腔相连，将绝对辐射计各组件维持在恒温条件下，提高了测量的稳定性和可控性。

四、本发明所述的方法法具有操作简便，适应性强的能优势，同时具备测量计算精确、稳定的保证。针对不同辐射计锥腔的腔型结构，都可以作为定量测量的标准使用。将建立的有限元体系与实际模型相结合，相对不确定度纳入绝对辐射计仪器的测量不确定度中进行计算，有效地解决了对绝对辐射计背景空间辐射传热进行定量评估的难题。

附图说明

图1为本发明所述的绝对辐射计的结构示意图；

图2为本发明所述的绝对辐射计中辐射计内部热结构的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，绝对辐射计，包括视场光阑2、主光阑3和辐射计内部热结构；所述视场光阑2装配在辐射计内部热结构前用于限制入射光1的入射强度以及消除杂散光，主光阑3位于视场光阑2之后且安装在辐射计内部热结构入口处，热沉6用于平衡吸收腔5的温度；所述辐射计内部热结构包括压片7、聚酰亚胺垫片8、热电堆4、热沉6和吸收腔5；

所述吸收腔5在光辐射区域埋入用于电加热的加热丝，吸收腔5内部涂有镜面反射涂料，所述吸收腔5为带帽檐的正圆锥腔结构，所述热电堆4的上顶面连接吸收腔帽檐，热电堆4的下底面与热沉6连接；所述压片7通过聚酰亚胺垫片8与吸收腔帽檐固定。

光电测量中主光阑的面积被精确测量用于确定入射光的辐照度强度。腔体组件中的压片7为铝环起固定热电堆的作用，聚酰亚胺垫片8则对热电堆的侧面进行绝热，使热电堆和热沉仅通过下底面相连并进行热交换，方便对绝对辐射计的传热系统进行简化分析。热沉6是一个铝制的圆柱状金属块，体积较大，将绝对辐射计的腔体组件和主光阑封装在内，光电测量中热沉的温度通过热控维持稳定，确保绝对辐射计光加热和电加热阶段的热交换背景环境相同。

绝对辐射计光电测量过程其腔体组件的温度受辐射换热的影响，具体表现为受背景空间辐射换热引起的温度差异，该温度差异不能通过具体实验的方法进行重复性的测量。测量该差异需进行重复性实验且具有易调节的功能，具体步骤如下：

一、建立有限元模型。按照绝对辐射计的实际三维结构，在有限元体系中遵照布尔运算的原则建立与之对应的有限元模型。吸收腔内包含多层结构，主体为银，且在外壁涂抹上环氧树脂胶与热电堆进行粘合。复杂的三维结构和粘接胶的分布不均匀需对其进行简化。简化后的吸收腔包含黑漆层、加热丝层以及吸收腔主体，树脂胶被包含在吸收腔主体内。吸收腔的比热容和热导率设置为可调节状态，其他参数为固有属性。在加热区域施加1mW的加热功率，当有限元模型吸收腔的最终平衡温度以及平衡时间常数与实际结构相同时，此时的比热容和热导率数值即为选定值。该简化保证了有限元模型和实际结构总热熔和总热导率的相同。

二、有限元模型与实际结构相结合。绝对辐射计的稳态灵敏度是评价仪器性能的重要参数，决定着接收腔设置温度和测量功率的范围。在测量过程中，它被定义为接收腔与热沉温度差异与输入功率的比值。对有限元模型和实际结构依次施加60mW、75mW和90mW的入射功率，对比两种情况的稳态灵敏度，当相对误差小于1％时(满足绝对辐射计仪器的精度要求)，认为该有限元模型符合光电不等效性测量标准。

三、背景空间辐射换热测量。在模型的远端建立了一个与三维模型没有坐标关系的空间节点，设低温辐射计的第二层辐射罩的温度为常量并稳定在77K，即环境温度为77K并附给空间节点。然后，在整个辐射计外表面覆盖上一层与空间节点对应的辐射单元，将空间节点与辐射单元之间的形状因子存储在一个矩阵关系中。求解时利用该矩阵关系和对应的辐射关系，环境温度与热沉之间的辐射换热被等效为空间节点与对应辐射单元的辐射换热，这种辐射传热能量的计算将随着热沉温度的变化而改变。对有限元模型的锥腔依次施加60mW、75mW和90mW的入射功率，分别记录有辐射传热状态和无辐射传热状态下腔体组件的最终平衡温度。对3组测量的最终平衡温度差异取平均值，该数值即为对应背景空间与吸收腔的辐射传热能量。

本实施方式中，所建立的模型将绝对辐射计的实际结构微元化，有限元模型与辐射计的三维结构吻合紧密。所述的辐射计吸收腔结构和热物理性质被等效简化。简化后的吸收腔包含黑漆层、加热丝层以及吸收腔主体，该结构包括用于粘接锥腔的脱氧树脂胶。

本实施方式所述的辐射计热电堆结构由180对铜-康铜加热丝和聚酰亚胺基体组成，有限元体系中热电堆结构被分为加热丝部分和基体部分。

本实施方式所述的测量方法可适应性强，针对不同型号的绝对辐射计和不同腔型结构的锥腔，该方法都能满足测量要求。

在太空环境中，受宇宙射线、太空粒子的影响，辐射计的各腔体组件衰减严重，材料的热物理属性改变明显，影响着背景空间辐射换热的计算。采用本发明的有限元单元法等效后，吸收腔等组件材料的热传导系数和比热容被附上对应的衰减函数，这样不仅提高了太阳辐照度绝对辐射计背景空间辐射换热的精准度，还能兼顾太空中测量时各材料物理属性的衰减。

上个世纪80年代开始，英国国家物理实验室(NPL)和美国国家标准技术研究所(NIST)等提出发展低温太阳绝对辐射计，从而建立光辐射绝对定标测量的新基准。对比常温辐射计，低温辐射计的测量精度从0.1％～1％提高到0.01％。新的精度要求需要更精确的各项误差修正，本发明所述的测量方法利用有限元单元法将辐射计微元化，有利于得到高精度的辐射测量结果，并在外表面覆盖上一层对应的辐射单元，用该辐射单元求解背景空间与吸收腔之间复杂的辐射传热关系。测得的辐射传热为定量的有效值，而非定性的评估值。这对弥补绝对辐射计修正体系的缺失，满足低温太阳辐射计的实验测量要求。对提高绝对辐射计测量值与国际辐射基准WRR(World Radiometric Reference)的可溯源性有着很大的进步意义。

综上，本发明的用于定量测量绝对辐射计背景空间辐射传热的有限元单元法能够解决当前背景空间与吸收腔辐射传热不能精确测量的关键问题。该方法具有操作简便，适应性强的特点，可针对不同情况调节有限元系统的边界条件和初始条件以满足要求。特别是对于不同型号的绝对辐射计，锥腔的腔型结构可能不尽相同，但该方法依然适用。