一种多光谱测量的光资源监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多光谱测量的光资源监测方法及系统，包括：利用多个通道实现太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量；基于太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量数据，利用宽带的INGaAS PIN光电探测器加滤光片与硅光电二极管探测器相结合的方式实现多光谱的光资源监测。本发明专利技术所述多光谱测量的光资源监测方法及系统，可以克服现有技术中设备种类少、适用范围小和测量精度低等缺陷，以实现设备种类多、适用范围大和测量精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种多光谱测量的光资源监测方法及系统
本专利技术涉及太阳光资源监测
，具体地，涉及一种多光谱测量的光资源监测方法及系统。
技术介绍
为了更好地开发利用太阳能资源，需要对大型太阳能资源开发利用项目进行气候可行性论证，在设计太阳电池应用系统时，必须掌握到达该地区的太阳辐射能，即掌握该地区太阳辐射的年、月总量。地面太阳辐射包括直接辐射和散射辐射。太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘的散射，而且会被大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，经过大气而达到地面的太阳辐射强度显著衰减。在太阳能光伏发电高效转化研究和太阳能光伏发电系统设计分析时，需要使用太阳辐射这个重要参数。太阳辐射量的测量和评估直接影响光伏发电站的选址及建成后实际发电效率的计算，因此对太阳辐射量的监测意义重大。目前传统的监测技术主要用于气象部门，通常只测量太阳辐射量。对于能源电力领域，为评估太阳能资源，或者直接利用气象领域提供的监测数据，或者利用气象领域的太阳辐射检测设备进行实际地面观测。而实际上，由于不同类型太阳能电池覆盖的频段不同，仅仅利用单一监测参数难以有效地评估光资源。为克服国内针对太阳辐射测量产品单一，不同产品光谱覆盖范围有限，测量精度不高的缺点，完全有必要从能源利用与开发的角度出发，研究专业的监测方法及设备。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在设备种类少、适用范围小和测量精度低等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种多光谱测量的光资源监测方法，以实现设备种类多、适用范围大和测量精度高的优点。本专利技术的第二目的在于，提出一种多光谱测量的光资源监测系统。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多光谱测量的光资源监测方法，包括：a、利用多个通道实现太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量；b、基于太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量数据，利用宽带的INGaASPIN光电探测器加滤光片与硅光电二极管探测器相结合的方式实现多光谱的光资源监测。进一步地，在步骤a中，所述多个通道，最多可达10个通道，其中6个通道为硅光电二极管探测器探测通道，2个通道为INGaAsPIN光电探测器探测通道，1个通道为太阳光自动校准通道，还有一个通道为人工校准通道，10个通道的光路平行；和/或，在步骤b中，宽带INGaASPIN光电探测器加滤光片测量的光谱范围，包括近红外光谱。进一步地，所述步骤a，具体包括：利用宽带InGaAsPIN光电探测器进行辐照度的测量采用的方法是归一化平均光强的方法，首先，把接收到的太阳光辐射量经过InGaAsPIN光电探测器转换为光电流，然后InGaAsPIN光电探测器连接跨导放大电路，把光电流信号转化为电压信号，然后再经过自动增益放大电路和均方根电路，最终输出归一化的平均光强。利用硅光电二极管探测器探测的是具体某一个频率点上的太阳光辐射量，而利用宽带InGaAsPIN光电探测器探测的是某一频率范围内太阳光辐射量的平均值。基于宽带InGaAsPIN光电探测器和利用宽带InGaAsPIN光电探测器的测量原理可以如下表示：依据Lanbert-Beer定律，由Lanbert-Beer定律可知，太阳直射光经过大气层衰减后达到地面，在地面上测得的某一频率的辐射强度能够由下列公式表示：式(1)中，I0,λ为大气层顶的太阳辐射强度，τλ,i是第i种吸收或散射粒子在大气中的光学厚度，mi是第i种吸收或散射粒子在大气中的光学质量；R是标准化日地距离，它使用天文单位AU，一个天文单位AU代表当日的太阳到地球的距离正好等于平均日地距离。进一步地，所述标准化日地距离R，能够由下面公式近似获得：式(2)中d是当日的太阳到地球的距离，dm是平均日地距离，1≤j≤365表示一年中的第j天；对于现实中的大气，公式(2)中的Στλ,imi能够由下面的公式近似获取：式(3)中，τa表示气溶胶的光学厚度，ma表示气溶胶的光学质量，τair是大气分子的光学厚度，mair表示大气分子的光学厚度，τ03为臭氧的光学厚度，m03为臭氧的光学质量。进一步地，所述步骤b，具体包括：采用检测电路，即检测电路产生的电压V与它探测的太阳辐射强度I成正比，将正比关系代入公式(1)，能够获得待测量电压：式(4)中，V′λ是系统接收太阳辐射时产生的电压，V0,λ为系统对应λ波段的定标常数，它代表在平均日地距离即R等于1的情况下光学质量为零时的外推电压。同时，本专利技术采用的另一技术方案是：一种多光谱测量的光资源监测系统，包括依次连接的光学模块、电子学模块、FPGA核心处理器、以及嵌入在所述FPGA核心处理器中的软件模块。进一步地，所述光学模块，包括并行设置、且分别连接至电子学模块的多个具有窄带滤波片、光学透镜和探测器的监测通道，以及分别连接至所述电子学模块的自动校准通道和人工校准通道。进一步地，每个具有窄带滤波片、光学透镜和探测器的监测通道，包括配合设置的INGaAsPIN光电探测器探测光路、硅光电二极管探测器探测光路、太阳光自动校准通道；所述的INGaAsPIN光电探测器探测光路、硅光电二极管探测器探测光路、太阳光自动校准通道光路平行，INGaAsPIN光电探测器探测光路和硅光电二极管探测器探测光路同时工作，太阳光自动校准通道在校准完成后，开启INGaAsPIN光电探测器探测光路和硅光电二极管探测器探测光路实现太阳光辐射量的测量。所述INGaAsPIN光电探测器探测光路，包括光学固定筒，以及自所述光学固定筒的一端至光学固定筒的另一端依次设置在光学固定筒上的石英窗、光阑、滤光片、透镜和INGaAsPIN光电探测器；所述石英窗、光阑、透镜和INGaAsPIN光电探测器位于光学固定筒内，太阳光首先照射到石英窗上，依次通过光阑、滤光片和透镜，最后聚焦到INGaAsPIN光电探测器上，其中的透镜为菲涅耳透镜；所述硅光电二极管探测器的探测光路，包括依次配合设置的硅光电二极管通道石英窗、硅光电二极管通道光学固定筒、硅光电二极管通道光阑和硅光电二极管。进一步地，所述电子学模块，包括分别与所述多个具有窄带滤波片、光学透镜和探测器的监测通道和自动校准通道一一对应连接的多个信号调理电路，连接在所述人工校准通道与FPGA核心处理器之间的控制模块，分别与所述多个信号调理电路和FPGA核心处理器连接的模数转换器，以及分别与所述FPGA核心处理器连接的存储器和GPS模块；和/或，所述软件模块，包括并行设置、且分别与所述FPGA核心处理器连接的多参量求解模块、LCD显示模块和多光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光谱测量的光资源监测方法，其特征在于，包括：a、利用多个通道实现太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量；b、基于太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量数据，利用宽带的INGaAS PIN光电探测器加滤光片与硅光电二极管探测器相结合的方式实现多光谱的光资源监测。

【技术特征摘要】
1.一种多光谱测量的光资源监测方法，其特征在于，包括：a、利用多个通道实现太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量；b、基于太阳光辐射量在多个光谱范围内的辐照度的测量数据，利用宽带的INGaASPIN光电探测器加滤光片与硅光电二极管探测器相结合的方式实现多光谱的光资源监测，所述多个通道，共包含10个通道，其中6个通道为硅光电二极管探测器探测通道，2个通道为INGaAsPIN光电探测器探测通道，1个通道为太阳光自动校准通道，还有一个通道为人工校准通道，10个通道的光路平行；和/或，在步骤b中，宽带INGaASPIN光电探测器加滤光片测量的光谱范围，包括近红外光谱，利用宽带InGaAsPIN光电探测器进行辐照度的测量采用的方法是归一化平均光强的方法，首先，把接收到的太阳光辐射量经过InGaAsPIN光电探测器转换为光电流，然后InGaAsPIN光电探测器连接跨导放大电路，把光电流信号转化为电压信号，然后再经过自动增益放大电路和均方根电路，最终输出归一化的平均光强；利用硅光电二极管探测器探测的是具体某一个频率点上的太阳光辐射量，而利用宽带InGaAsPIN光电探测器探测的是某一频率范围内太阳光辐射量的平均值。2.根据权利要求1所述的多光谱测量的光资源监测方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：依据Lanbert-Beer定律，由Lanbert-Beer定律可知，太阳直射光经过大气层衰减后达到地面，在地面上测得的某一频率的辐射强度能够由下列公式表示：式(1)中，I0,λ为大气层顶的太阳辐射强度，τλ,i是第i种吸收或散射粒子在大气中的光学厚度，mi是第i种吸收或散射粒子在大气中的光学质量；R是标准化日地距离，它使用天文单位AU，一个天文单位AU代表当日的太阳到地球的距离正好等于平均日地距离。3.根据权利要求2所述的多光谱测量的光资源监测方法，其特征在于，所述标准化日地距离R，能够由下面公式近似获得：式(2)中d是当日的太阳到地球的距离，dm是平均日地距离，1≤j≤365表示一年中的第j天；对于现实中的大气，公式(2)中的∑τλ,imi能够由下面的公式近似获取：∑τλ,imi＝τama+τairmair+τ03m03(3)；式(3)中，τa表示气溶胶的光学厚度，ma表示气溶胶的光学质量，τair是大气分子的光学厚度，mair表示大气分子的光学厚度，τ03为臭氧的光学厚度，m03为臭氧的光学质量。4.根据权利要求2所述的多光谱测量的光资源监测方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：路亮，汪宁渤，夏慧，陟晶，刘国强，韩自奋，冉亮，陈振寰，姚振兴，李士强，李艳红，丁坤，李晓南，张超，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网甘肃省电力公司，甘肃省电力公司风电技术中心，中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11