CE318型太阳光度计关键技术及误差分析

电子 控制 盒
为各接口连接单元供电，实现控制 信号和数据传输等接口模块功能
水平面旋转 垂直面旋转 控制马达旋转程序
2 CE318 关键技术分析
2.1 高精度分光探测
CE318 的分光方法是利用多个窄带滤光片组成 的滤光轮， 由步进电机带动滤光轮旋转切换不同的 滤光片实现分光。为了精确测量某一个波段的太阳
Abstract Due to its high precision,multi-parameter,easy to maintain,Ground-Based Remote sensing monitoring of atmospheric aerosol has developed rapidly in recent decades.Sun photometer CE318 is the main instrument for groundbased remote sensing monitoring.It is becoming increasingly popular under the influence of AERONET established by NASA.The automatic aerosol remote sensing monitoring network based on CE318 is improving gradually in China.This presentation briefly introduced the basic structure and function of CE318 sun photometer,and presented in detail its three key technologies of high precision spectrometer detection,high precision sun-tracking and automated measurement,in addition,analyzed its error sources.These studies provide support to aerosol remote sensing monitoring based on CE318. Key words CE318;Sun photometer;Ground-based remote sensing;Key technologies;Error analysis
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现代科学仪器 Modern Scientific Instruments
第6期2013年12月
No.6 Dec. 2013
实验室建设
CE318 型太阳光度计关键技术及误差分析
卞良 1，2 李保生 1 李东辉 2
（1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 安徽合肥 230009；2 中国科学院遥感应用研究所 北京 100101）
Fra Baidu bibliotek
图 1 四象限探测器原理示意图
2.3 自动化测量
CE318 根据自动测量程序实现自动太阳跟踪扫 描观测， 自动将数据存储并定时传到计算机保存， 实 现野外长期无人值守工作， 其高精度、 高稳定性的自 动观测是其重要的特征。 CE318 主要依据大气质量数的变化， 进行自动 的太阳直接辐射测量或者天空光辐射扫描测量。太 阳直射辐射， 是程序控制光学头对准太阳后， 直接 探测太阳光直射辐射在各波段的响应值， 获取观测 数据。天空辐射测量有两种扫描方式： ALM 扫描 （almucantar， 平 纬 圈 扫 描）和 PPL 扫 描 （principal plan， 太阳主平面扫描） 。ALM 扫描指光学头的太 阳天顶角不变， 观测方位角扫描； PPL 扫描是指光 学头观测方位角不变， 太阳天顶角扫描。这两种扫 描方式都可以反演大气气溶胶的微物理和光学特性 参数， 在气溶胶稳定的大气状态下进行太阳光晕测 量和大范围散射角度天空光测量， 以便推算汽溶胶 的颗粒分布、 相位函数和光学厚度 [6]。测量获取的数 据， 会存储在 CE318 的电子控制盒里面的存储单元 里， 通过 RS232 串行接口通信， 可以将数据根据设置 的自动传输时间， 传输到接收端的计算机上保存， 也 可以通过 DCP 卫星通信无线远程传输到服务器端。 CE318 配有太阳能电板可通过太阳能供电工作； 外 接的智能雨水传感器， 下雨时为保护仪器可以自动 停止仪器工作。
[2]
可为卫星遥感数据进行对比验证。通过对 CE318 关 键技术的分析， 深入地把握仪器的工作原理和方式， 进一步分析仪器的误差来源， 可有效判断仪器工作 状态， 提高仪器观测精度。
1 CE318 的结构和功能
CE318 仪器主要由传感器头、 电动系统、 电子控 制盒三大部分组成。传感器头又称光学头， 是由各 传感器组成， 将温度和辐射信号通过传感器转换成
两个光电探测器 光电四象限定位探测器
探测与各自波段相符的光电响应值 实现传感器头精确对准太阳
传感 器头
电动滤光轮（带窄带滤光 片的圆形电动转盘）
通过旋转滤光轮选择滤光片，得到 相应波段的观测值，可装偏振片进 行偏振观测。
2.2 高精度太阳跟踪对准
CE318 通过计算太阳运行轨迹和四象限探测器 微调相结合的方式实现高精度太阳跟踪。太阳位置 的运行规律是可循的， 可以通过当地的经纬度和时 间计算出来 [4]。CE318 在安装过程中， 需要向电子 控制盒输入安装地点的经纬度并核对系统时间， 通 过经纬度和时间计算得到太阳位置， 发送指令控制 电动系统， 利用水平垂直双旋转轴， 实现太阳的初步 对准。 由于太阳位置计算公式本身存在着一定的误 差， 仪器并不能完全对准太阳， 可通过四象限探测器 的光电探测效应进行调整。如图 1 所示， 四象限探 测器是由四个相同的光电探测器组成 [5]， 每个光电探 测器分别占据Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ四个象限， 在太阳光成像 到四象限探测器的探测面上时， 会形成一个一定尺 寸的光斑 （图 1 所示网状圆形） ， 此光斑分在四个象限 部分分别为 A、 B、 C、 D， 其光电效应产生的电信号 值经过放大后分别为 VA、 若光斑圆心与 VB、 VC、 VD， 四象限探测器圆心重合， 即表示精确对准太阳， 若没 有对准太阳， 则其偏移量 Vx、 Vy 可用 VA、 VB、 VC、 VD 表 示 Vx=(VA+VD)-(VB+VC)， Vy=(VC+VD)-(VA+VB)。 CE318 在分析了四象限探测器的四个象限的电信号
收稿日期： 2012-03-20 作者简介： 卞良 (1986-)， 男， 硕士研究生， 研究方向为大气气溶胶高精度光学遥感监测方法研究； 李保生 (1974-)， 男， 博士， 副研究员， 主要从事 干涉测量方法、 气溶胶测量、 地基遥感网络自动化方面的研究
第6期2013年12月
卞良 等 ： CE318 型太阳光度计关键技术及误差分析
摘 要 大气气溶胶地基遥感监测由于其精度高、参数多、易于维护等特点，近几十年里发展迅速。CE318 型太阳光度 计作为地基遥感监测的基本仪器，在美国 NASA 建立的气溶胶自动监测网 AERONET 的影响下，越来越普及。中国正在逐步建立 和完善以 CE318 为基础的气溶胶自动监测网。本文简单介绍了 CE318 型太阳光度计的基本结构和功能，详细介绍了其高精度 分光探测、高精度太阳跟踪和自动化测量三个方面的关键技术，并对仪器误差来源做了深入分析，为基于 CE318 的气溶胶地 基遥感监测提供支持。 关键词 CE318； 太阳光度计； 地基遥感； 关键技术； 误差分析 中图分类号 P407； P111.41； P122； TH703
CE318 系 列 自 动 跟 踪 扫 描 太 阳 光 度 计 （简 称： CE318） 是由法国 CIMEL 公司生产的高精度太阳和 天空辐射测量仪器， 是目前进行大气气溶胶地基遥 感观测的基本仪器。基于 CE318， 美国 NASA 建立 了致力于监测全球主要区域气溶胶光学特性的地基 监测网络 AERONET[1]。CE318 测得数据可以用来 计算气溶胶光学厚度、 反演大气透过率和大气水汽 总量等信息 ， 也可以用来反演气溶胶粒子的单次散 射反照率、 粒子尺度谱分布和散射相函数等 [3]， 同时
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电信号进行存储分析。电动系统又称机械臂， 主要 由机械底座和马达组成， 固定传感器头并带动其进 行全球面的扫描。电子控制盒主要是对仪器测量程 序控制和步进马达系统控制， 根据软件预设的扫描 测量指令， 控制马达系统使仪器高精度地对准太阳 或者进行天空光扫描， 获取太阳直射和天空光辐射 观测数据。电子控制盒有多个接口， 实现整个仪器 的供电、 数据采集传输等功能， 还可以根据用户需要 发展其它扩展模块功能。具体各部分组成及功能见 表 1。
表 1 CE318 各单元部件及其功能
组成 部分 包含部件 功能
直接辐射， 在滤光片的设计和制作等方面， CE318 选 用的窄带滤光片要比其它普通滤光片有更高的技术 要求， 窄带滤光片有较好的峰值透过率、 较小的半波 宽度和较高的背景截止深度， 能从太阳辐射光谱中 选择通过特定的波段而不受其它波段太阳辐射的影 响， 保证了测量精度。CE318 滤光片在不同环境温 湿条件下都有很好的光学稳定性。仪器的光谱通道 为 340， 380， 440， 500， 675， 870， 936， 1020， 1640(nm)。 波段范围在 340nm 到 1640nm 之间， 包含了紫外、 可 见光、 近红外、 红外波段， CE318 装置了两种光电探 测器， 一种是增强型硅光电探测器， 可以很好地探测 可见光和紫外波段的辐射， 一种是铟镓砷探测器可 以很好地探测近红外和红外波段的辐射， 两种探测 器稳定的性能和光谱特性， 保证了探测数据的高精 度。
Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318
Bian Liang1,2,Li Baosheng1,Li Donghui2 (1School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Hefei University of Technology,Anhui Hefei 230009,China;2 Institute of Remote Sensing Applications,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China)
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后， 会根据偏移量 Vx、 Vy 的大小发送相关调整指令， 控制仪器电动系统进行微调， 实现精确对准太阳。
演计算误差三个方面。
3.1 仪器自身误差
3.1.1 温度效应误差 CE318 仪器正常工作温度为摄氏零下 30 度到 60 度， 工作温差范围达到 90 度， 所以温度效应误差 也是必须考虑的问题。温度会影响整个仪器的工作， 其作用的对象主要是光电探测器和电子电路系统， 包括系统中的各个元器件。CE318 探测可见光波段 的光电探测器是 HAMAMATSU PHOTONIC 公司 生产的 S1336 系列硅光电二极管， 如图 2 所示， 该光 电探测器对于各个波段的温度效应影响， 在 300nm 到 900nm 之间基本没有， 对于 CE318 的主要影响 表现在 1020nm 波段， 以工作标准温度为基准， 每变 化 1 摄氏度， 探测精度误差可达到 0.3% 左右， 如果 有 30 多摄氏度的温度差异， CE318 的光电探测器在 1020nm 处的数据误差就将达到 10% 以上， 这样的误 差是巨大的， 如果不考虑温度效应的误差影响， 利用 此观测数据计算和反演得出的结果必将出现错误。
温度传感器
实时实地测量温度 控制滤光轮转动，控制各传感器工 作 控制传感器头的测量程序 控制马达系统的运行程序 为内部电路板供电 显示操作界面
控制电路
主CPU程序卡 辅CPU程序卡 内部电池 显示屏 电缆连接接口面板（电动 系统、电源、数据传输、 传感器头、感雨器等接 口） 水平马达 电动 系统 垂直马达 控制电路