高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量-论文.pdf

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1、第34卷，第3期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．3，pp609—6132014年3月SpectroscopyandSpectralAnalysisMarch，2014高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量刘恩超，李新，张艳娜，李文伟，郑小兵中国科学院安徽光学精密机械研究所，中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽合肥230031摘要为了实现对太阳辐射的绝对测量和大气特性的精确反演，研制了光谱覆盖范围在0．4～1．0fm的高精度太阳光谱辐照度仪。太阳辐照度仪采用Fery棱镜实现入射太阳光的色散，闭环控制光谱扫描机构的方法实现光谱扫描。论文详细介绍了

2、太阳辐照度仪光谱扫描测量部分的设计。给出了Fry棱镜的设计要求，实现单一元件完成光谱色散；利用陷阱探测器进行光谱采集，保证了测量精度；结合探测器的性能参数，说明了温控的需求和方法；介绍了光谱扫描结构的设计方法，实现了精确的波长定位；给出了音圈电机的参数、稳定性和供电要求，实现了0．025的波长定位误差。开展室外观测实验，实现了0．4～1．0,am波段的太阳细分光谱扫描测量，并分别与可见～短波红外光谱仪和自动太阳光度计(CE318)进行了对比。结果表明，辐照度仪的光谱扫描测量结果的吸收峰波长值吻合，与CE318全天测量数据的相对偏差小于0．13，可见波段

3、的光学厚度的相对偏差小于2，近红外波段的相对偏差小于4X。关键词辐照度仪；ry棱镜；音圈电机；陷阱探测器；光学厚度中图分类号：TH744．1文献标识码：AIN)I：10．3964／j．issn．1000—0593(2014)03—0609—05精度和测量漂移的稳定性为0．01，1～35rim的分辨率可引言以满足要求l6]。另外，研制平均波长误差

4、度太阳光谱辐照度仪0．4～1．0m波段的辐射占据了太阳总辐射能的大约的研制，重点介绍了该仪器核心组件即光谱扫描测量部分的6O[1]，包含了大气窗口、人眼可见波段等，是对人类生存设计、集成和测试工作。该仪器采用F6ry棱镜进行色散，实和环境影响最为重要的波段。细分光谱太阳辐射的地面精确现了1～l5niTl的光谱分辨率，利用单一光学元件满足测量观测，可以为气象和气候预报输入参数，对整层大气光学性的波长范围；采用陷阱式单元探测器测量输出的光谱数据，质进行分析，实现卫星对地观测的定标和真实性检验，了解保证了测量的精度；基于DSP的闭环光谱扫描机构来驱动太阳辐射

5、的不同谱段对地球一大气一海洋系统的不同影响L2]。棱镜的转动，实现了太阳细分光谱的扫描测量。为保证仪器国内外近十年开展了多项细分光谱太阳辐照度的观测仪的性能，给出了Fry棱镜的几何参数关系、陷阱探测器设计器研究。美国SORCE卫星上的光谱辐照度监测仪(SIM)_3]，及温控系统的稳定性、光谱扫描机构的选用及供电要求。开欧空局ATLAS卫星上的太阳光谱辐射计(SOLSPEC)l4均展野外观测试验，并分别与可见一短波红外光谱仪和自动太用于空间平台上的太阳分光谱观测。地面观测仪器中，比较阳光度计(CE318)l7]的测量值作了对比。典型的有日本PREDE公司

6、的全波段太阳光度计PGS100_5]，采用光栅分光和线阵列光电二极管测量，实现直射太阳光谱1太阳光谱辐照度测量原理辐照度的自动测量，其数据可用于计算大气光学厚度、大气吸收峰值和气溶胶特性等参数。根据理论分析和历史观测数光谱辐照度是在单位波长间隔内、通过单位面积的光辐据，0．4～1．01am波段的太阳总辐射相对变化小于0．5[6]。射通量，其定义如式(1)所示，为实现这一微幅的观测，太阳辐照度观测仪器需要保证辐射鳓)=(w·c·)(1)和波长测量精度。根据可见／近红外波段的仪器参数需求，收稿日期：2013—04—19。修订日期：2013—07—20基金项

7、目：公益性行业(气象)科研专项(GYHY200906036)和国家(973计划)项目(2010CB950801)资助作者简介：刘恩超，1985年生，中国科学院合肥物质科学研究院博士研究生e-mail：liuech@aiofrmac．crs61O光谱学与光谱分析第34卷其中是光辐射通量(w)，dA是通光面元的面积(cm2)，后表面增加光焦度，可以替代透镜的作用，并采用折／反式是波长问隔(nm)。利用兰探测器观察太阳辐照度的原理如图1结构，系统长度缩短一半，整体结构简化。此外F6ry棱镜光所示。谱仪相对光栅光谱仪无衍射级次影响，光谱范围宽，在宽波入光孔◇魄

8、段光谱仪中，使用ry棱镜具有独特的优势l9]。}太阳光谱辐照度计的核心部件为F6ry棱镜，它集