太阳辐射观测仪及其标定技术研究

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1、分类号：V542密级：可公开UDC：编号：太阳辐射观测仪及其标定技术研究ResearchonSolarRadiationObservationInstrumentandtheCalibrationTechnique学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：仪器科学与技术（0804）研究方向：精密测控技术及仪器申请学位级别：博士指导教师：张国玉教授研究生：郑茹论文起止时间：2013.10—2015.9摘要太阳辐射观测仪是一种野外测量太阳光谱分布和能量分布的专用仪器，其测量精度、分

2、辨率和能量动态范围直接影响太阳光谱和辐射数据的利用与信息评估。目前国外已有光谱型此类仪器，而国内只有积分型相关仪器，其观测数据精度低且信息量少，无法满足业务和科学研究的需要，为此，本文结合国家公益性行业（气象）科研专项项目，开展太阳辐射观测仪及其标定技术研究，解决太阳辐射精细化观测的瓶颈问题，实现太阳辐射测量仪器由积分型向光谱型的跨越，对推动全球气候观测、太阳能资源评估、大气成分观测与污染检测等领域的科学研究具有重要意义和应用价值。本文在分析国内外太阳辐射观测仪器研究现状基础上，研究了一种紫外可见近红

3、外波段、高分辨测量的野外用太阳辐射观测仪，提出了总体设计方案，着重对其光学接收与光纤耦合、分光和环境适应性等关键技术进行了深入研究；构建了光谱和辐射标定系统，实现了太阳辐射观测仪的标定；通过理论分析、室内和外场试验对所研究的太阳辐射观测仪进行了验证。太阳辐射观测仪用于地表面探测太阳辐射光，通过输出三维观测数据直观映射当前太阳光被大气层吸收情况和辐射特性。基于光谱测量技术，文中论述了太阳辐射观测仪的组成与工作原理，并提出了观测仪的总体设计方案，其主要由满足太阳辐射光准确采集和传输特性的光学接收与耦合系统

4、、高光谱分辨率和高能量响应度的分光系统、实时采集太阳辐射光谱信息的控制与数据处理系统等组成，实现了300nm~1000nm光谱范围内太阳辐射光各波长和辐照度的信息观测。余弦误差是影响太阳辐射观测精度的重要因素，基于余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射特性，深入研究了余弦校正器校正余弦误差后校正残差产生机理，提出了余弦校正器外露与挡光环组合安装方式下的校正残差修正方法，并采用TracePro软件对其建模与仿真，通过比较分析，余弦校正器外露与挡光环组合的安装方式可有效减小太阳辐射光在大入射角情况下的余弦误差

5、，提高了太阳辐射光采集的准确性。通过高准直性太阳模拟器与多维转台装置进行实验，结果表明：入射角为±80°时，余弦误差优于±6%，相比修正前，余弦误差降低了±3.4%。为实现太阳辐射信号的有效传输，深入研究了光纤耦合、辐射信号与分光模块之间的能量最佳匹配技术，提出了一种面光源与光纤间接耦合的方法，优化设计了一种适合余弦校正器与光纤耦合的石英导光锥光纤传输系统，解决了余弦校正器与光纤之间相匹配问题，提高了光纤耦合效率，保证了太阳辐射光的有效传输。光谱分辨率和能量响应度是衡量分光系统的重要指标。在深入研究分

6、光结构的基础上，通过对交叉CT结构和凹面单光栅结构的设计、比对与试验分析，优选凹面单光栅结构。文中优化设计了交叉CT结构和凹面单光栅结构的两种分光光学系统，设计与试验结果表明：光谱分辨率优于5nm，并在相同光源、光纤和探测器的条件下，凹面单光栅结构能量响应度高于交叉CT结构10倍以上。为保障太阳辐射观测仪在野外环境下可靠工作，本文对其环境适应性进行了深入研究，分别进行了防雨防湿、防盐雾腐蚀、防沙尘、防结露结霜、高低温等环境适应性设计，并提出了相应的防护和保护措施，有效提高了太阳辐射观测仪的可靠性。为实

7、现对太阳辐射观测仪精度的标定，文中深入研究了光谱和辐射标定技术，搭建了标定系统，对其不确定度进行了理论分析，并通过与国家计量院测试数据的比对，验证了标定系统测量精度。基于多种标准灯特征波长的谱峰位置，建立了像元位置与波长位置之间的函数映射模型，确定了波长校正系数，实现了光谱的标定；研究分析了黑体辐射标定和标准灯辐射标定方法，选用辐射标准灯作为标准光源，建立了不同波长下标准光源辐射曲线与探测器辐射探测曲线之间的关系，确定出各波长的辐照度校正因子，实现了辐射能量的标定。依据辐射测量仪器光谱分辨率、波长误差

8、、辐射测量精度和环境适应性的评价方法和国家标准，对所研究的太阳辐射观测仪的精度和环境适应性进行了室内测试与外场动态范围试验，结果表明，光谱分辨率优于5nm，波长误差优于±0.4nm，辐射测量精度优于±3.5%；在高低温、交变湿热、淋雨、砂尘和盐雾试验中仪器工作正常；在户外动态范围试验中，太阳辐射观测仪可满足太阳辐照度最强至最弱的观测，由此验证了所研究仪器的正确性和可靠性。综上所述，本文所研究的太阳辐射观测仪解决了我国气象辐射观测精度低，观测数据难以满足业