Система для измерения солнечных спектров атмосферы
SYSTEM FOR MEASURING SOLAR SPECTRA OF THE ATMOSPHERE

Изобретение относится к измерению спектров пропускания атмосферой солнечного излучения.
Известно техническое решение, состоящее в устройстве слежения за Солнцем, входящем в состав системы управления горизонтальным солнечным телескопом Саянской Солнечной обсерватории (BevzovA.N., KotovV.N.,LubkovA.A., LylovS.A.,PerebeynosS.V. Automated control system for horizontal solar telescope o Sayansk solar observatory. // Proceedings of the IASTED International Conferences on Automation, Control and InformationTechnology (ACIT 2010) (Novosibirsk, Russia, June 15-18, 2010), vol. "Control,DiagnosticsandAutomation", ActaPress, Calgary, 2010. P. 178-182). В блоке фотодатчиков этой подсистемы используется четыре пары фотоприемников, расположенных попарно по окружности, с центральным углом 90° между парами и ориентацией по осям X и Y. Такая конструкция блока фотодатчиков решает проблему виньетирования, но имеет недостаток - слежение осуществляется всего по двум точкам края изображения объекта, так что при изменении его углового размера, происходит медленное смещение центра изображения с цикличностью один год, и что бы избежать этого, оператор должен периодически в начале каждого наблюдения вручную симметрично смещать фотодатчики вдоль осей X и Y, чтобы компенсировать это изменение. Второй недостаток данного варианта - это отсутствие режима автоматического выбора при виньетировании любого из фотодатчиков и оператор должен выбирать не виньетированную пару фотодатчиков вручную. И, наконец, третий недостаток - отсутствие связи с компьютером для управления режимами работы и контроля состояния устройства слежения. Следствие третьего недостатка известного технического решения является невозможность работы в автоматическом режиме слежения
Известно следящее за Солнцем устройство «Фотоэлектрическое устройство для слежения за Солнцем», RU 160483 U1, в котором гидирование осуществляется по двум участкам изображения объекта, и фотоприемники расположены попарно на освещенных и не освещенных зонах изображения границы объекта на дуге с центральным углом 90° между парами с ориентацией по осям X и Y. Такая конструкция системы имеет тот же недостаток, что и предыдущая - при слежении только по двум участкам изображения объекта в случае виньетирования хотя бы одного из фотоприемников происходит потеря объекта слежения и добавляется еще один недостаток - при изменении размеров объекта слежения, например, Солнца, угловой размер которого изменяется на 3,27% в течение года, центр объекта будет смещаться на ту же величину, что недопустимо для системы гидирования телескопа и требует перенастройки положения датчиков оператором вручную.
Известно устройство слежения, входящее в подсистему гидирования солнечного телескопа (Зотов А.А., Котов В.Н., Лубков А.А., Лылов С.А., Автоматическое управление солнечным телескопом // Датчики и системы. 2008. №10. С. 8-10), содержащее фотоэлектрическую систему, состоящую из четырех фотодиодов, расположенных по окружности, диаметром равным проекции изображения Солнца, на противоположных концах двух взаимно перпендикулярных диаметров X, Y, совпадающих с осями α и δ управления главным зеркалом телескопа по азимуту и углу места. Сигналы рассогласования для управления приводами каждой оси (X, Y) формируются по формуле
1
2
ΔU=k lg(I/I),
где k - коэффициент размерности равный 1,0 В;
1
2
I, I токи верхнего/нижнего и/или правого/левого фотодиода на входе усилителей, пропорциональные соответствующим яркостям.
Такая конструкция фотодатчиков допустима только в телескопах, в которых оптическая схема построена так, что виньетирование фотоприемников невозможно, т.к. имеется недостаток - при виньетировании хотя бы одного из фотоприемников происходит потеря объекта слежения по одной из координат, что делает невозможным процесс слежения за объектом.
Известен солнечный спектрометр (M. Gisi, F. Hase, S. Dohe, andT. Blumenstock // Camtracker: a new camera controlled high precision solar tracker system for FTIR-spectrometers (Atoms.Meas. Tech., 4, 47-54, 2011)), использующий 20-футовый контейнер для размещения Фурье-спектрометра высокого разрешения IFS 125HR с максимальным оптическим путем 257 см. Трекер смонтирован поверх контейнера.
Солнечный свет отражается в контейнер двумя плоскими эллипсовидными зеркалами, имеющими диаметр 12 см. Первое зеркало построено на системе вращения RV80PP, чтобы можно было получить доступ к различным высотам. Вся установка с обоими зеркалами смонтирована на ступени вращения Newport RV160PP. Этот двигатель способен перемещать значительный вес, а также несет крышку трекера, так что отверстие ориентировано в направлении наблюдения. RV160PP имеет диаметр оси 11 см, через который свет падает вертикально вниз в контейнер, где он направляется на входное окно Фурье-спектрометра.
Оптический путь от второго следящего зеркала до входного окна спектрометра составляет около 2,5 м. Грубая настройка трекера на Солнце осуществляется привязкой к широте и долготе места расположения и к гринвическому времени. Для контроля и тонким управлением трекером используется USB-камера (VRmagic VRM C-9 PRO BW с 1280 x 1024 пикселями) в качестве оптической обратной связи, которая регистрирует излучение, рассеянное обратно от освещенной стороны входного отверстия спектрометра. Камера оснащена стандартным объективом и соответствующими оптическими фильтрами для регулировки уровня освещенности. Благодаря зависящей от длины волны рефракции воздуха, необходимо оснащать камеру инфракрасным фильтром, который пропускает излучение свыше 750 нм. Солнечный диск имеет диаметр около 240 пикселей на записанных картинках, диаметры остановки поля охватывают диапазон около 30 до 160 пикселей. Изображения оцениваются на стандартном ПК в режиме реального времени программой с использованием соответствующих алгоритмов обработки изображений, чтобы определить фактическую точность отслеживания и вычислить требуемые корректировки для астрономической дорожки с зеркальными углами. Затем программа посылает команды отслеживания в двигатель-контроллер (Newport XPS) через IP-соединение. После прохождения входного окна солнечный свет параллелизуется с помощью коллиматора, а затем поступает в интерферометр и, наконец, подается на детекторы. Система позволяет регистрировать колебательно-вращательные спектры поглощения атмосферы с высоким спектральным разрешением (0.01см-1) за период времени 15-20 мин.
Недостатком данной системы является длительное время регистрации солнечных спектров атмосферы, получаемых с помощью Фурье-спектрометра и необходимость иметь дополнительную систему обратной связи для точного наведения на Солнце.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является солнечный спектрометр на основе дифракционного спектрометра, оснащенного скоростной системой регистрации на основе ПЗС-линейки (Махмудов Ф.А. "Разработка системы для регистрации солнечного спектра", Магистерская диссертация, Национальный исследовательский томский политехнический университет, 2020 г.; стр. 24 - 26, 55, 57; рис. 7, 8). Разработанное устройство включает трекер слежения за Солнцем, заводную оптику для ввода излучения в световод, согласующую оптику для направления излучения в спектрометр и быстродействующий дифракционный спектрометр для регистрации спектра.
Ориентация системы на не закрытое облаками Солнце в процессе его движения производится с помощью специального оптико-электронного устройства (трекера), установленного на двухкоординатном (азимут/зенит) поворотном столе. В состав оптико-электронного устройства входят 4 фотодиода грубого наведения и 4-секторный фотодиод ФД-142 точного слежения. Четырехсекторный фотодиод установлен в фокусе линзы, а фотодиоды грубого наведения развернуты друг относительно друга для увеличения общего поля обзора. Оптические оси двух систем совмещены таким образом, что после работы схемы грубого наведения Солнце оказывается в поле зрения линзы системы точного слежения. Управление шаговыми электроприводами поворотного стола осуществляется с помощью электронных схем разностных сигналов, поступающих от датчиков грубого и точного наведения. В случае закрывания прямого солнечного излучения облаком управление шаговыми двигателями нарушается.
Система заводной оптики не имеет жесткой системы заводки солнечного излучения в спектрометр, а включает линзу, передающую излучение на многомодовый кварцевый световод. Излучение со световода направляется с помощью линзы и светофильтра на входную щель дифракционного спектрометра. В качестве фотосчитывающего устройства дифракционного спектрометра используется ПЗС - линейка, которая имеет 2048 ячеек со временем регистрации 20-300 мс. Это позволяет проводить регистрацию солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек.
Недостатком устройства является невозможность слежения за Солнцем при наличии облачности и отсутствие автоматизации процесса слежения за Солнцем.
Цель изобретения - создание системы для регистрации солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек, оснащенного трекером наведения на Солнце с помощью сигналов GPS-ГЛОНАСС, что обеспечивает работу при наличии облачности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является регистрация солнечных спектров атмосферы в течение отрезка времени менее 1 сек, с помощью трекера наведения на Солнце, использующего сигналы GPS- ГЛОНАСС.
Указанная цель достигается тем, что трекер наведения спектрометра на Солнце, в отличие от прототипа, не настраивается с помощью датчиков на видимый диск Солнца, а использует микропроцессорную систему, входными данными у которой являются время, дата и координаты, полученные от преемника сигналов GPS.
Технический результатом заявляемого изобретения достигается за счет использования трекера наведения на Солнце, включающего систему приема сигналов GPS- ГЛОНАСС и микопроцессорную систему управления поворотным столом с помощью шаговых двигателей.
Трекер включает (фиг. 1) двухкоординатный поворотный (азимут/зенит) стол (2), на котором располагается заводная оптика, содержащая линзу (3), после которой солнечное излучение заводится в световод (6). Настройка поворотного стола на Солнце осуществляется шаговыми двигателями, сигнал на которые поступает с микропроцессорной системы (4), связанной с приемником сигналов GPS- ГЛОНАСС (5). Излучение со световода направляется с помощью согласующей оптики (линзы и светофильтра) (7) на входную щель дифракционного спектрометра ДФС-452 (8). В спектрометре использована отражательная дифракционная решетка 600 штр./мм. В качестве фотосчитывающего устройства применена ПЗС - линейка Sony 1LX511 (9), которая имеет 2048 ячеек и длину ≈28 мм со временем регистрации 20-300 мс.
Работа системы осуществляется следующим образом:
Излучение Солнца (1) с помощью заводной оптики (3) с фокусным расстоянием F=70 мм, расположенной на поворотном столе (2), заводится в многомодовый кварцевый световод (6) диаметром 1 мм. Поворот 2-х координатого поворотного стола в горизонтальном и вертикальном направлениях осуществляется двумя шаговыми двигателями, сигнал на которые подаются микропроцессорной системой (4), входными данными у которой являются время, дата и координаты, полученные от приемника сигналов GPS- ГЛОНАСС (5). Расчет углов места и азимута солнца осуществляется по алгоритму предложенному Paul Schlyter, Stockholm, Sweden. Излучение со световода направляется с помощью согласующей оптики (линзы и светофильтра) (7) с фокусным расстоянием F=70 мм на входную щель дифракционного спектрометра ДФС-452 (8). В спектрометре использована отражательная дифракционная решетка 600 штр./мм. В качестве фотосчитывающего устройства применена ПЗС - линейка Sony 1LX511 (9), которая имеет 2048 ячеек и длину ≈28 мм со временем регистрации нужного участка спектра 20-300 мс. Управление работой системы (включение, выключение, поворот трекера), регистрация и обработка данных, полученных на ПЗС-линейке, производится в реальном времени интернет сервером, выполненном на однокристальном микроконтроллере W7500P (10) кампании WIZnet.
На фиг. 2. приведен солнечный спектр атмосферы в области 0,8 мкм, зарегистрированный с помощью системы за интервал времени 300 мс.