提高光電式日照計測量精度方法的研究

崔賀，王凌云，鄭茹，邊志強

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.上海衛星工程研究所，上海 200240）

日照時數是地面氣象臺站觀測的基本項目，是指在無任何遮蔽條件下太陽照射一個固定位置每日實際照射的時數，WMO定義日照時數為太陽直接輻照度達到或超過120w/m2時間的總和［1］，日照條件和日照時數對于太陽能利用、監測地球氣候變化、預報中長期天氣、指導農業生產和建筑節能等具有重要意義［2］。

傳統的暗筒式日照計需要人工更換試紙，測量精度受人主觀影響較大，測量結果精度低。太陽直接輻照表準確度高，但由于太陽自動跟蹤裝置造價高昂，且跟蹤裝置全天候跟蹤存在累計誤差，機械結構易磨損，不適宜大規模推廣使用［3］。總輻射光電式日照計與太陽直射輻照表相比具有不需要太陽跟蹤裝置，結構簡單，易于維護，高性價比等優勢，與暗筒式日照計相比更加智能化，因此可以大規模推廣使用。同一地點由于太陽與日照計相對位置會隨著季節變化而改變，想要長時間獲取高精度的日照時數信息就要修正因季節變化所產生的周期性誤差，本文通過時間、地理位置得到光入射到日照計的角度信息并對太陽輻照度修正，提出一種根據太陽高度角對日照計進行誤差修正的方法。

1 光電式日照計工作原理和余弦特性

1.1 光電式日照計工作原理

總輻射光電式日照計采用二分天穹法的遮光方案，其結構如圖1所示，光電式日照計由光電感應器件、光筒和數據處理模塊組成［4］，選用三個光譜范圍350～1100nm的BPW34光電感應器件，其光譜特性和角度特性一致，將其安裝在光筒內，其中光電感應器件1用于測量太陽總輻射，光電感應器件2和3由于遮光罩特殊的全分天空方式不會同時暴露在陽光下，實現測量太陽東、西半天空散射輻射，取光電感應器件2和3中最小的輻照度作為散射輻射，做總輻射與散射輻射的差值，當總輻射與散射輻射的差值大于或等于120w/m2時開始記錄日照時數。

圖1 總輻射式日照計結構圖

1.2 光電式日照計的余弦特性

余弦響應特性是影響日照觀測精度的重要因素，余弦響應特性本質上是指探測器所接收到不同太陽入射角下的電信號數值與光入射角符合余弦定律［5］。由于探測器表面在大角度入射光照射下菲涅爾反射現象嚴重，因此需要在探測器表面添加能夠有效修正大角度入射光的余弦校正器，采用Tracepro軟件對余弦校正器進行建模和仿真，選取三個入射角度的Tracepro仿真圖如圖3所示，仿真數據如表1所示。

圖2 多角度光入射仿真圖

表1 不同角度光入射到余弦校正器仿真結果

同等輻照度不同光入射角入射到探測器接收到的輻照度不同，30°入射誤差約為14.3%，60°入射誤差約為51.2%，加裝余弦校正器后探測器接收的輻照度符合余弦定律。在面積為D的輻射光垂直照射的接收器表面時，接收面產生輻照度E，輻射光以入射角θ入射到面積為D接收器表面，此時接收器面的產生輻照度為E′，以θ角度入射的太陽直接輻射E′與入射光垂直照射接收器表面的直接輻射E的關系為：

式中，ρ為余弦校正器能量損耗率，與探測器表面積、余弦校正器發光面積和探測器與余弦校正器之間的距離有關，HA為太陽高度角與入射角θ互余，和測量的地點和時間有關。

總輻射光電式日照計采用的余弦校正器能夠使傳感器所接收的能量最大程度的滿足余弦定律［6］，實際測量中，日照計的接收面為圓對稱結構，若日照計位置不變，隨著季節的變化光入射到日照計的角度會發生周期性的變化，該變化滿足余弦特性，光電器件所接收到的輻射信號也滿足余弦響應關系，太陽高度角的改變會影響探測器所接收太陽輻照度，太陽高度角與調試時的高度角差值越大，探測器所能接收到的太陽輻照度越小，所以減小因余弦響應特性產生的誤差，能更準確的測量直接太陽輻照度。

2 光電式日照計的余弦校正

太陽高度角對日照計所測量的太陽輻照強度有很大的影響，地球環繞太陽公轉的軌道是橢圓形的，相同地理位置的太陽在天空中的位置隨時間的改變而不同［7］，對于太陽的位置信息，可以使用當地的緯度和時間來計算太陽的高度角，從而獲取光電式日照計的光入射角度。

2.1 太陽高度角對余弦校正的影響

太陽赤緯角DE表示的是太陽和地心的連線與赤道平面的夾角，其公式為：

式中，n為一年中的每一天在一年內的順序號，稱之為年積日，如平年的12月31號，n的值為365，閏年的12月31號，n的值為366。

太陽時角T0表示的是太陽所在地時圈和通過正南方時圈之間的夾角：式中，TT為當地真太陽時，單位為h，實際上地球以橢圓形的軌跡繞日運行，因此地球的自轉以及對應的時間是不均勻的。

將太陽赤緯角DE和時角T0帶入得太陽高度角HA：

式中，φ為當地緯度；DE為太陽赤緯；T0為太陽時角，確定了觀測地點的太陽時角T0，當地緯度φ，太陽赤緯DE，就能得到該點的太陽高度角，從而獲取光入射到日照計的角度信息，為太陽輻照度值數據修正提供理論支撐。由南到北選取海口、天津、長春三個地區，一年內正午太陽高度角變化范圍分別為46°51′～90°、27°91′～ 74°50′、22°51 ～69°43′，同時間不同地區或同地區不同時間的太陽高度角及變化速率均不同，因此需在實際測量中根據時間位置信息修正太陽高度角變化所引起探測器余弦響應的影響。

2.2 日照計誤差修正方法

太陽高度角、赤緯、太陽時角之間的關系由公式（4）可知，相同地點不同時間太陽高度角的變化程度是不同的，相同時間不同地點太陽高度角變化程度也不同。單片機通過軟件算法根據地理位置和時間計算出太陽高度角，進而對日照計所接收到的輻照度進行修正，長春地區太陽位置變化如圖3所示，6月太陽高度角為67.75°，12月太陽高度角為22.64°，高度角變化45.11°，由余弦響應特性引起的太陽輻照度誤差約為29%，長春地區6月太陽高度角為69.2°，海口6月太陽高度角為88.2°，高度角變化19°，由余弦響應特性引起的太陽輻照度誤差約為7%，因此需要通過太陽高度角修正余弦響應特性引入的誤差。

圖3 太陽位置變化

理想情況下光電式日照計正南方向擺放，太陽光垂直入射日照計，這樣才能獲取準確的輻射度值，但太陽的入射角隨時間的推移而改變，若要測得精確的太陽輻照度，日照計應隨太陽高度角變化定期調整俯仰角度，但由于此方法調試過程繁雜，不適宜大規模使用，因此可以在不改變日照計方位俯仰的情況下可以使用軟件將傳感器采集到的數據通過時間、地理信息計算出太陽高度角并進行修正。光電式日照計是由3個能夠將太陽輻照度轉換為電流輸出的BPW34光電傳感器組成，BPW34光電轉換特性曲線如圖4所示。根據傳感器在950nm處光電流與輻照度的關系和光譜靈敏度與波長的關系能夠求出傳感器電流Ira與輻照度Ee的關系。

式中S(λ)是各波段光譜的靈敏度。

圖4 光電轉換特性

硬件處理電路將輻射光照射到探測器產生的微弱光電流信號Ira轉換放大成電壓信號V［8］，其設計硬件放大電路如圖5所示。

圖5 硬件放大電路圖

三個分別測量總輻射電壓和散射輻射電壓的傳感器硬件電路相同，電流Ira經I/V轉換后得到的電壓信號放大10倍，由于光電感應器件2和3分別測量半個天空的散射輻照度，因此測得的散射輻照度Output散應乘以2以做補償，得到單片機能夠采集的總輻射輻照度電壓值Output總和散射輻照度Output散，總輻射輻照度減去散射輻照度得到直接輻照度Output直。輻照度每增加1w/m2產生2.4mV電壓，由式（6）直接輻照度Output直經太陽高度角HA及預設太陽高度角HZ進行余弦校正可得到真實的太陽輻照度E直。

式中，α和β分別是總輻射輻照度修正系數和散射輻照度遮蔽系數，不會影響余弦響應情況，實際測試中只需要進行微調即可得到滿意的修正系數［9］。

3 測試驗證

2017年6-12月分別在長春和天津氣象儀器測試平臺，對修正前和修正后的日照計進行測試。天津市測試地點位于于東經117.20°、北緯39.12°，長春市測試地點位于東經123.35°、北緯43.88°，將日照計朝南擺放，讓入射光垂直照射日照計，以此時的太陽高度角為基準角HZ，將測量時太陽高度角HA與基準角HZ做差得到余弦值，對日照計測得的輻照度進行誤差修正。其測試場地如圖6所示。將日照計測得的太陽輻照度與標準直接輻照表做比較，天津、長春地區數據如表2、表3所示。

圖6 日照計實測圖

表2 天津日照時數測量

表3 長春日照時數測量

未修正太陽高度角的光電式日照計隨著太陽入射角的角度增大誤差也逐漸變大，修正后的直接輻照度更接近標準表所測值，即測量結果更加接近標準表。天津地區標準表日照累計時數為1256.8小時，日照計修正前日照累計時數為1128.6小時，修正后日照累計時數為1186.1小時，日照計累計誤差由10.2%修正到5.6%；長春地區標準表日照累計時數為1510.9小時，日照計修正前日照累計時數為1342.5小時，修正后日照累計時數為1413.8小時，日照計累計誤差由11.2%修正到6.4%，在兩個不同地區，日照計測量精度均優于7%。

4 結論

結合總輻射光電式日照計二分天穹結構，提出一種根據太陽高度角變化對日照計采集太陽輻照度進行誤差修正的方法。著重研究了太陽高度角與時間和地理位置的關系，對太陽高度角所造成的誤差進行修正，提高了日照計測量太陽輻照度的精度，日照計半年累積誤差優于7%，滿足氣象局對日照計測量精度要求。