CE318型太阳光度计关键技术及误差分析
CE318_太阳光度计技术手册
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
太阳光度计测量气溶胶光学厚度
气 溶 胶光 学 厚 度
时间
5
1020nm
•
气 溶 胶光 学 厚 度
4
3
2
1
0
23:13:57 03:48:09 08:40:04 01:15:27 07:25:51
时间
三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数 (β)和Angstrom波长指数(α)
2.1反演光学厚度原理
根据Beer-Lambert-Bouguer 定律,在地面直接测得 的太阳辐射E(W/ m2) 在给定波长上的表达式为: Eλ = E0λ R - 2exp ( - mτλ) Tgλ (1)
其中E0 为大气外界太阳辐照度(太阳常数) , R 为测量
时刻日地距离(天文单位,约等于1) , m 为大气光学
思考：
波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气
溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的
散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于＿？
算:
τrλ =p/p0×0. 0088λ- 4. 05 (4) 式中p0 为标准大气压(1013. 25 hPa) , p 为实际 大气压,λ单位为μm。
在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和
水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440 nm、
870 nm、1020 nm ,且这3 个通道只有气溶胶消 光和Rayleigh 散射,则式(3) 中τO3λ、τNO2λ都为 “0”。将式(2) 和(3) 结合,同时公式两边取对数, 则为:
3.2 最小二乘法线性拟合
• 设直线方程的表达式为： (2-6-1)
• 对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi），假定 自变量xi的误差可以忽略（实际实验中总有一个变量的误 差相对较小，可以忽略，作为X分量），则在同一xi下， 测量点yi和直线上的对应点a+bxi的偏差di如图（2-6-2） 所示：
太阳能“程控+光控”跟踪误差校正分析
太阳能“程控+光控”跟踪误差校正分析胡亮;彭佑多;谭新华;彭长清;易成裴【摘要】This paper expounds the principle and structureof“programme+light control”tracking control system, establishes a systemetic mathematical model which take the condenser starting and ending angle error as control system’s input signal, analyzes and determines the photoelectric detector error correction device and its relevant parameter. Furthermore, in envi-ronment of MATLAB software the photoelectric detector error correction is analyzed and emulated. The results show that the photoelectric detector error correction can effectively improve the solar tracking system accuracy, which provides a basis on development of high precision solar tracking control system.%阐述了“程控+光控”跟踪控制系统的原理与结构，建立以聚光器始末角度误差值作为跟踪系统输入信号的数学模型，对比分析了光电探测器的误差校正系统并确定了相应的参数，在软件MATLAB环境中进行了光电探测器的误差校正数值分析与仿真。
CE318型太阳光度计关键技术及误差分析
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）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；P122Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318Bian Liang 1,2, Li Baosheng1, Li Donghui2(1 School 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)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 ground-based 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 analysisCE318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。
香格里拉国家大气本底站2007-2019年气溶胶光学厚度（AOD）的变化特征分析
香格里拉国家大气本底站 2007-2019年气溶胶光学厚度（ AOD）的变化特征分析摘要：研究气溶胶光学厚度的时空分布特征对评估大气污染程度和研究气溶胶气候效应具有重要意义。
本文利用 2007-2019年的气溶胶光学厚度产品数据，从时间和空间角度分析云南省香格里拉气溶胶光学厚度（AOD）变化特征。
结果表明：（1）2007-2019 年云南香格里拉 870nm通道AOD 年均值在 0.001~0.04之间波动，平均值为 0.035，12年间云南 AOD 年均值整体呈现平稳态势，（2）云南香格里拉AOD 有明显的季节变化特征，呈夏季高峰，冬季最低，采暖期 AOD 均值整体上低于非采暖期；（3）云南香格里拉AOD 高值区集中在人员密集区域，而自然林区为低值区。
AOD 高值区总体分布在低海拔地区，而 AOD 较低的区域主要位于高海拔地区，香格里拉处在低值区域范围内，且 AOD 时序变化趋势率与年均AOD空间分布特征基本保持一致。
云南香格里拉AOD与环境颗粒物PM2.5呈现强相关关系。
关键词：AOD；香格里拉；变化特征引言大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系，粒子的空气动力学直径多在0.001~100 μm 之间。
气溶胶粒子的主要来源是自然和人类活动，前者主要来自植被、海洋、土表，后者主要来自化工生产、生物焚烧、土地利用变化等。
大气气溶胶的变化是气候变化中最不确定的因素，它一方面可以通过吸收和散射太阳辐射影响地球的辐射平衡；另一方面，气溶胶粒子又可以作为云的凝结核间接影响降水量和水循环。
因此，研究大气气溶胶变化对于环境改善具有重要意义。
作为表征气溶胶性质的重要光学参数之一，气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)的物理意义为沿辐射传输路径，单位截面上气溶胶的吸收和散射对太阳辐射产生的总削弱强度，主要用来描述气溶胶对光的消减作用。
目前有多种方式可以观测 AOD，主要有地基观测和卫星遥感探测。
MODIS可见近红外波段定标与真实性检验
MODIS可见近红外波段定标与真实性检验巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【摘要】提高卫星遥感数据的质量,进而实现定量化应用,其基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标.为检验Terra卫星MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)传感器的星上定标系数的准确性和可靠性,2007-05在北京遥感综合实验场网内蒙二连浩特实验场,采用反射率基辐射定标方法对MODIS可见-近红外波段开展定标与真实性检验.结果表明,场地定标系数和MODIS的星上系数非常吻合,相对差异小于6%,证明场地反射率基辐射定标方法定标和MODIS星上定标得到的定标系数均准确、可信度高.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)001【总页数】5页(P109-113)【关键词】定标与真实性检验;定标系数;反射率基辐射定标方法;MODIS【作者】巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【作者单位】中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;北京交通大学,土木建筑工程学院,北京,100044;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国气象局,国家卫星气象中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TP70120世纪90年代以来,随着卫星技术和遥感应用技术定量化的深入和发展,以及全球资源、环境变化和灾害遥感监测的需求,卫星遥感数据的定量化研究日益受到重视.遥感定量化的基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标,即将传感器记录的数字值转换成对应像元地物的实际辐射亮度值[1],辐射定标精度直接影响各种定量遥感产品的质量.目前国际上采用的辐射定标方法有：发射前的实验室定标、星上定标及发射后利用地面目标进行的在轨定标方法等[2].对于没有星上定标系统的传感器,在轨定标是提高卫星遥感数据精度和可信度,实现卫星遥感定量化的有效手段.即使卫星上有内定标表系统,也不能完全确定传感器的衰减变化导致的定标结果的改变[3],依然需要通过在轨定标来订正传感器特性的变化,确保遥感数据定量应用的可靠性和准确度.目前,场地反射率基辐射定标方法[4]是获取传感器入瞳处的辐亮度精度较高且行之有效的方法.MODIS具有完善的星上定标系统[5],也需要采用另一种独立的定标方法来确定传感器各种可能变化引起的定标结果的改变.本文作者针对Terra卫星的MODIS传感器的7个可见-近红外波段(中心波长分别为CH1：645 nm;CH2 ：858 nm;CH3 ：469 nm;CH4 ：555 nm;CH5 ：1 245 nm;CH6：1 640 nm;CH7：2 130 nm)于2007-06在二连浩特场地进行卫星同步地面测量,利用反射率基辐射定标方法进行MODIS传感器的可见-近红外波段定标与真实性检验研究.1 方法和实验1.1 反射率基辐射定标方法[6]反射率基辐射定标方法是当卫星飞越二连浩特实验场上空的同时,准同步进行场地地表面的反射比测量、场地周围大气消光测量、探空和常规气象观测及场区各采样点的定位信息获取.通过对地表及大气观测数据的处理和星-地光谱响应匹配,获得辐射定标计算所必须的中间参数.将这些参数输入6S辐射传输模型[7],计算获得卫星传感器入瞳处各波段的表观辐亮度或表观反射率.另外,对卫星观测图像进行地标导航,使卫星与地面实验区达到几何配准,提取实验区内卫星观测像元计数值并进行平均,将表观反射率与卫星平均计数值相比较,得到卫星各波段定标系数.反射率基辐射定标方法定标流程如图1所示.卫星传感器波段 i测量的表观辐亮度为式中：Rλ为探测器归一化的光谱响应;Liλ为波段i的表观辐亮度.表观辐亮度 Li与卫星探测到的计数值DCi的关系为式中：Ai为增益,DC0i为计数值的偏移量.卫星传感器入瞳处各波段表观辐亮度用表观反射率可表示为式中：θs、θv、φs、φv分别为太阳和卫星的天顶角和方位角;E0i为大气外界太阳辐照度;(r0/r)为平均与实际日-地距离之比;μs=cos θs为太阳天顶角的余弦.图1 反射率基辐射定标方法定标流程图Fig.1 Flow chart of the reflectance-based calibration method对于朗伯特性较好的地面目标,反射率基辐射定标方法的表观反射率可表示为式中：ρAi为大气本身产生的向上的散射反射率;τi是大气自身透过率;ρi为地表反射率;si为大气球面反照率;Tgi为吸收气体透过率.在太阳垂直入射和平均日-地距离条件下,表观反射率ρ**i 与卫星测量计数值的关系为式中ai为增益.1.2 实验1.2.1 实验场地二连浩特实验场属于北京怀来实验场网的一部分,位于内蒙二连浩特市东南侧,中心经纬度为112.13°和43.627°,平均高程为 950 m.实验场面积广阔,地势平坦,有稀少茅草和骆驼刺覆盖,但覆盖度低.地表层主要成分以浅色矿物为主,含细砾的中粗砂,其亮度高、表面均一,如图2所示.1.2.2 地面反射比测量图2 二连浩特实验场Fig.2 Erlianhot test site根据Terra卫星过二连浩特实验场的轨道及过境时间,于2007-06-01在二连浩特实验场地面进行准同步观测实验,利用FRASD野外光谱仪获取地表光谱数据.FR ASD野外光谱仪光谱范围为350～2 500 nm,光谱分辨率为VNIR,3 nm;SWIR,10 nm.在实验场区选择面积约为2 km×2 km的子区进行同步观测.在子区内选取42个采样点,对每个采样点进行2次参考板,10次目标,2次参考板的测量顺序,测量地表光谱数据,以减少太阳辐照度变化对测值的影响.每个采样点在1 min之内完成测量,同时利用GPS对各同步采样点进行精确定位.同步观测时间为卫星过顶前后1 h,整个同步测区共获取554组有效光谱数据.卫星过境时太阳天顶角和方位角、卫星天顶角和卫星方位角分别为24.41°、148.04°、3.12°和 -80.1°.1.2.3 大气光学特性测量地表光谱同步观测当天,在实验场区附近进行大气消光和气象探空观测,以获取实验场区上空气溶胶消光光学厚度、臭氧、水汽含量等大气光学特性参数.气溶胶光学厚度测量,使用法国CIMEL公司的CE318自动跟踪太阳光度计,在距离场地12 km 处,自8：00-19：00采用等间隔时间自动测量太阳直射辐射强度.CE318光度计有8个光谱波段,见表1.表1 CE318波段配置Tab.1 CE318's band setting光谱波段 i 中心波长/nm 波段宽度/nm 1 1 020 10 2 1 640 60 3 870 10 4 670 10 5 440 10 6 500 10 7 936 10 8 340 2气象探空观测除常规两次探空观测外,在卫星过境时刻增加一次无线电探空观测.利用探空观测廓线,计算获得大气柱水汽含量(g/cm2).臭氧含量来自美国国家航空航天局臭氧总量绘图系统(NASA TOMS)数据[8].2 数据处理结果分析2.1 地表光谱数据处理对于每个地面采样点,将地面的10次测量和前后4次参考板测量数据分别进行平均,得到该采样点的地面和参考板的平均计数值.再将参考板BRF按测量时刻太阳天顶角进行插值计算,得到参考板的双向反射比.采样点的地表绝对反射比为式中：ρp(λ)是参考板BRF插值得到的测量时刻的参考板双向反射比;vp(λ)和vT(λ)分别是参考板和测量目标的平均计数值.将42个采样点的绝对反射比进行平均,得到场地的地表绝对反射比,如图3所示.从图3可知,二连浩特场地的可见光-近红外的光谱反射比在10%～40%之间,短波红外反射比在45%左右;0.4～0.75 μ m反射比随波长的增加递增较快,0.75～1.35 μ m 及 1.45～1.8 μ m 波段的地表反射比递增缓慢平稳.42个采样点在0.35～1.1 μ m波段范围的平均相对差异分别为3.1%,表明整个实验场区域地表反射离散度小,场地光学均一性好.曲线上3个跳跃部分是由于水汽吸收所致.图3 二连浩特沙地反射比Fig.3 Surface reflectance results of the test site利用地面反射率光谱数据与MODIS波段光谱响应函数卷积,计算获得MODIS对应波段的地面等效反射率为式中：ρi为 MODIS波段 i的等效地表反射率;RSRi(λ)为MODIS波段i的光谱响应函数.2.2 大气光学特性数据处理根据CE318光度计测量的直射太阳辐射和天空辐射数据,采用Langley方法反演所有波段大气气溶胶消光光学厚度.图4为2007-06-01二连浩特测量的大气光学特征曲线.图4 2007-06-01大气光学特征Fig.4 Optical properties of atmospheric aerosol on June 1,2007图4(a)为2007-06-01二连浩特测量数据拟合的各通道的Langley曲线.可以看出,测量结果的线性较好,自8：00至19：00测量期间气溶胶含量变化很小,大气状况很稳定.假定气溶胶粒子谱分布遵循Junge分布,可通过440 nm和870 nm两个通道的气溶胶光学厚度,推算出两个Junge参数：波长指数α和浑浊系数β,并由此导出波长为550 nm处的气溶胶光学厚度.图4(b)显示 Junge参数α和β.α反映气溶胶粒子组成情况,α越大,表明气溶胶小粒子含量越多;α越小,表明气溶胶大粒子含量越多.β反映气溶胶浓度的大小,β越小,表明能见度越好,大气越清洁,天气也越晴朗.可见,观测当天实验场区以大粒子气溶胶为主,气溶胶浓度很低,大气晴朗稳定,能见度很好,气溶胶对辐射传输的影响很小.2.3 定标系数计算与分析将MODIS可见光近红外波段的地面等效反射率、大气气溶胶光学厚度、探空廓线导出的水汽含量、臭氧含量及太阳和卫星几何位置的参数等输入到6S辐射传输模型,计算获得MODIS可见光-近红外波段卫星高度处的表观反射率和表观辐亮度.Terra MODIS过境时的大气参数分别为：气溶胶光学厚度0.143 4、水汽含量1.032 g/cm2、臭氧含量0.323 D.U..利用GPS数据进行星-地同步观测实验场区精确配准,提取MODIS传感器图像对应地表实验场区的像元平均计数值.由于MODIS波段空间计数值为零(即偏移量offset=0),依据式(2)和式(5)计算获得各波段定标系数,表2是此次场地定标实验计算获得的各波段定标系数.表2表明,2007-06-01场地辐射定标得到的反射率定标系数与MODIS星上定标系数结果一致性好,最大误差为0.013,相对差异小于3%.对于辐亮度的定标系数,场地辐射定标得到的结果与MODIS星上定标结果在近红外波段误差稍大,其他波段很接近,场地定标结果与星上定标结果相对差异小于6%.两种独立法获得定标系数有较好的一致性,证明此次场地定标系数可信度高,且MODIS的星上定标准确、可靠,在对我国的系列卫星进行交叉定标时可将MODIS作为标准参考传感器.表2 2007-06-01场地定标与星上定标比较Tab.2 Comparison between reflectances obtained from cross calibration and those of the on-board calibration for MODIS on June 1,2007光谱波段 i 1 2 3 4 5 6 7场地定标计算的ρi* 0.253 0.351 0.154 0.1887 0.41 0.420 0.394星上定标计算的ρi* 0.250 0.355 0.152 0.189 0.414 0.433 0.392场地定标的ai×10-05 5.33 3.24 3.87 3.46 3.75 3.35 2.83星上定标的ai×10-05 5.27 3.27 3.82 3.47 3.79 3.45 2.81 ai 相对差异/% 0.999 -1.009 1.304 -0.247 -1.052 -2.989 0.567场地定标计算的Li 125.31 108.00 95.88 108.72 58.09 30.90 11.59星上定标计算的Li 124.45 109.01 98.02 109.27 60.81 32.21 10.95场地定标的 Ai 0.0264 0.00996 0.0241 0.01994 0.00531 0.00246 0.000833星上定标的 Ai 0.0262 0.0101 0.02467 0.02 0.00556 0.00257 0.000787 Ai相对差异/% 0.68 -0.92 -2.42 -0.57 -4.58 -4.13 5.753 结论遥感定量应用的关键在于传感器的辐射定标.传感器的定标需要通过多种独立的方法相互验证.为了验证MODIS的星上定标系数的准确性,本文通过2007-06-01在二连浩特实验场的场地卫星同步观测实验,采用反射率基辐射定标方法对MODIS 可见-近红外波段进行辐射定标.通过对反射率基辐射定标方法得到的结果和星上定标结果进行对比分析,场地定标和星上定标这两种独立方法获得的定标系数有较好的一致性,证明两种定标方法的结果均准确、可靠.MODIS星上定标系数具有很高的可信度,今后对我国的系列卫星进行交叉定标时,可将MODIS作为标准参考传感器.致谢：实验数据的获取得到了中科院遥感所论证中心魏飞鸣、傅鹤、朱利、胡梅、郭丁、肖丹涛等同学的帮助,在此表示感谢!参考文献：[1]田庆久.遥感信息定量化理论、方法与应用[C]∥遥感知识创新文集.北京：中国科学技术出版社,1999：20-29.TIAN Qingjiu.Quantitative Theory,Method and Application of Remote Sensing Information[C]∥Thesis Compilation of Innovation About Remote Sensing Knowledge.Beijing：ChinaScience&Technology 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[8]What is the TotalColumn Ozone Amount Over YourHouse[EB/OL].(2007-07-09)[2007-07-09].http：∥/teacher/ozone-overhead-v8.html。
CE318型太阳光度计定标方法研究
置为阈值，按照中心波长由长到短阈值分别为
253、266、372、278、99、208、89。图 1 显示了 2020
年12月30日500 nm原始观测值曲线和处理前
后均值曲线的变化。图1a显示原始数据在多个
54
陕西气象
2021(4)
时间点上三次观测值有明显的差异，未经处理的 三次观测均值曲线如图lb所示，在1 0 ：17—11：
52
陕西气象
董金芳，何慧娟，王娟.CE318型太阳光度计定标方法研究*+• 陕西气象&0 21(4) = 52-56. 文章编号！ 0 0 6-4354(20 21) 04- 0 0 52- 0 5
2 02 0 ⑷
CE318型太阳光度计定标方法研究
董金芳12,何慧娟#，王娟#
(1.陕西省农业遥感与经济作物ห้องสมุดไป่ตู้象服务中心，西安 71 0 0 16； 2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重；实验室，西安 71 0 0 16)
(2)
LnV =LnV0 —LnR2 +Ln"g—3#。 (3) 在大气状态稳定的情况下，大气垂直气溶胶
光学厚度#保持不变，以相对大气质量3为自变 量工，LnV SLnR2为因变量夕，在没有气体吸收的
通道"g近似为14和夕满足斜率为一#、截距为 LnV0的线性关系，如式(4)所示。
LnV + LnR2 = —3#+ LnV0。
根据Beer-Lambert定律阐述的物质对光的
CE318_太阳光度计技术手册
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
太阳光度计天空辐射亮度观测
太阳光度计天空辐射亮度观测的浅析【摘要】目前ce-318太阳光度计被各广泛应用于气象观测中，为了使人们了解ce-318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法，使观测数据更好地发挥作用，本文介绍了太阳光度计在天空观测（主要在大气气溶胶的观测）方面的应用，并将根据观测资料讨论太阳光度计的后续研究方向。
【关键词】太阳光度计；天空亮度；气溶胶1.引言全自动太阳光度计ce-318，是一种自动跟踪扫描太阳辐射计。
测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性，如粒度谱、相函数等。
大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系。
悬浮在大气中的大气气溶胶颗粒的直径通常小于10，它们对大气辐射传输和水循环均有重要的影响[1]。
近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件[2]等现象都与大气气溶胶密切相关。
由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用ce-318 获得的太阳直接辐射数据来反演南京地区的大气气溶胶光学厚度，并对反演所得的结果进行分析，从而判断南京地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。
2.测量仪器和测量原理2.1 ce-318型太阳光度计图1 ce-318太阳光度计结构示意图[3]本文采用的是测量仪器是全自动太阳分光光度计ce-318，待测的天空亮度能直接从测量仪器中读出。
ce-318由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成，光学头带有两个瞄准筒：一个用于测量太阳直射辐射不带聚光透镜，另一个用于天空辐射测量带有聚光透镜。
在光学头上还装有四象限探测器用于太阳自动跟踪时的微调。
控制箱内装有2个微处理器，分别用于数据获取和步进马达系统的控制。
在全自动测量状态，如附设的“湿度传感器”探测到降雨，控制箱将置光度计于停机状态，以保护仪器的光学系统。
步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度，由时间方程来控制太阳的初步跟踪，用四象限探测器系统作精密跟踪。
内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析
内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析马晓红;余涛;高海亮;陈兴峰;谢玉娟;韩杰【摘要】利用2010年6月在内蒙古贡格尔辐射校正场(简称内蒙古辐射校正场)实测的地表反射率和大气气溶胶数据,分析了该辐射校正场的地表反射率和大气气溶胶特性,并与敦煌辐射校正场相关数据进行了对比分析.结果表明:内蒙古辐射校正场地表反射率的相对方差小于5％,表现出较好的均一性；在天气晴朗的情况下,各通道的大气气溶胶光学厚度可达0.1 ～0.2；内蒙古辐射校正场地理条件优越,交通便利且定标成本低,可作为我国备用的卫星传感器辐射校正场,用于开展卫星传感器的在轨辐射定标及遥感数据真实性检验实验,以进一步提高国产卫星遥感数据定量化应用的可靠性与精度.%Using surface reflectance data and atmosphere aerosol data measured at the Inner Mongolia radiometric site in June, 2010, this paper analyzed the surface reflectance characteristics, atmosphere aerosol properties and geography conditions and made a comparison between the Inner Mongolia test site and the Dunhuang radiometric calibration site. The results show that the relative deviation of reflectance is less than 5% , indicating that the site has good uniformity, that the aerosol optical thickness of each channel is up to 0.1 ~0.2 during the fine weather, that the transportation is very convenient and that the cost of the calibration experiment is low. Therefore, the Inner Mongolia radiometric site not only can be used to carry out on - orbit radiometric calibration and validation experiments as the spare radiometric calibration site, but also can improve reliability and accuracy of homemade satellite remote sensing data.【期刊名称】《国土资源遥感》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】6页(P31-36)【关键词】辐射校正场;内蒙古辐射校正场;地表反射率;大气气溶胶光学厚度【作者】马晓红;余涛;高海亮;陈兴峰;谢玉娟;韩杰【作者单位】河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101【正文语种】中文【中图分类】TP722.4随着对地观测卫星数量的不断增加，遥感数据的应用已经进入到定量化阶段，而卫星传感器的辐射定标是遥感数据定量化应用的前提。
关于太阳光度计的性能及维护探讨
关于太阳光度计的性能及维护探讨摘要：近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件等现象都与大气气溶胶密切相关。
由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用光度计获得的太阳直接辐射数据来反演某地区的大气气溶胶光学厚度，并对反演所得的结果进行分析，从而判断该地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。
太阳光度计是用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算大气气溶胶、水汽、臭氧等成分的特性。
用于大气环境监测，卫星校正等应用。
太阳光度计全系统包括光学头、控制部分和一个动力马达系统组成。
太阳光度计通过经纬度，当地时间以及太阳跟踪系统，在垂直，水平或主平面扫描采集数据，在垂直，水平方向对太阳和天空测量。
该仪器在气象、环境监测，卫星遥感等领域应用较多。
本文主要介绍安徽中科谱锐达光电有限公司引进的太阳光度计，对其性能和维护保养做了简单介绍，希望对大家有所帮助。
1概述太阳光度计能够实现多波段太阳直射照度测量，包括紫外、可见及短波红外光谱波段。
太阳光度计能够实现自动完成大气气溶胶信息采集、测量和数据处理的一体化自动观测，自动完成对大气中气溶胶光学厚度的测定，记录和存储相关数据和信息，能长期、自动、连续工作，能满足稳定性、可靠性，易于维护等需要。
仪器光电探测单元全密封，观测光路前置防护玻璃，方便人工清理光学表面。
设备无人值守全自动观测，每天日出自动开机，日落自动关机，观测数据自动传输和存储，方便长期无人值守全自动观测。
2主要性能和技术指标2.1设备功能太阳光度计需实现自动完成大气气溶胶信息采集、测量和数据处理的一体化自动观测，自动完成对大气中气溶胶光学厚度的测定，记录和存储相关数据和信息，能长期、自动、连续工作，能满足稳定性、可靠性，易于维护等需要。
太阳光度计气溶胶观测应满足以下功能要求：多波段测量，包括紫外、可见及短波红外光谱波段。
光照度计示值误差校准结果不确定度主要影响因素分析
电流值的相对标准不确定度 u= rel (i)
0= .1% 3
0.058% ，由电流的不
确定度带给光强的标准不确定度
u(I=2 ) 94.34× 6× 0.058= % 0.328(cd) ，乘以灵敏度系数c1，不 确定分 u5 = 0.348lx 。
4 来源于长度的不确定度因素
1 来源于被检照度计的不确定度因素
敏度系数 = 0.023lx 。
c
2
，
度计的显示值，测量结果（单位：lx）分别为102.3、101.8、
本装置中光度头与灯丝平面的调整是根据两根位于光轨两
101.9、102.0、102.2、102.4、102.5、102.3、102.6、102.8。每 侧同一位置的铅锤线形成的平面和与光路平行的对准器调节
光照度计是测量光照度的计量器具。它由光度头和显示器
发光强度标准灯是照度校准装置的主要标准器，标准灯的
两部分组成，光度头包括余弦修正器、V(λ)修正滤光器和光电 光强值与照度标准值成正比，直接影响照度校准准确性。从发
接收器，显示器有数字式或指针式。当光电接收器接收到通过 光强度一级标准灯的检定证书得 I (i) = 94.34cd ，测量结果的相
个测量点测量2次，取平均值作为测量结果，则测量重复性分 的，在实验中会受到空气流动，地板震动的影响，同时实验人
= u1
u= (E) s(E) 2
0.22(lx) 。
目前市面上常用的照度计多采用数字液晶显示。本次实验
所用照度计的显示器在100.0 lx测量点的分辨力为0.1 lx，该项不
确定分量属于均匀分布可采用B类方法评定，则分辨力分
c1
=∂∆E ∂I
=− 1 l2
=−1.061m−2 ，不确定分 u4
试论光电直读光谱仪的工作原理及误差分析
试论光电直读光谱仪的工作原理及误差分析随着我国材料技术的日益发展，一些工业企业对材料化学成分的控制要求也越来越高，事实上，以传统化学分析方法具有速度慢、分析范围小等缺陷，极大地限制了材料科学技术的发展和进步，而今年来，工业企业里使用的光电直读光谱仪具有分析速度快、准确度高、操作简单方便、分析范围广等优点，它具有传统化学分析方法无法比拟的。
在应用过程中，逐渐受到广大工业企业的欢迎。
1.光电直读光谱仪的工作原理光电直读光谱仪采用的是原子发射光谱分析法，光谱分析法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。
光电直读光谱仪的基本工作原理是金属试样（电极）与电极之间进行电弧、电火花放电，对由此产生的辉线光谱进行光电测定，进行所含元素的定量方法。
分析试样使用光源电源激发，这时产生的光通过聚光透镜由入口狭缝进入，导向凹面衍射光栅上，只读取在凹面衍射光栅上分光的光中所需的光谱线，使用仪器上的光电倍增管将光转化成电流。
经仪器的控制测量系统将电信号积分并进行模数转换，然后由计算机处理，并打印出各元素的百分含量。
2.光电直读光谱仪的特点光电直读光谱仪是一种以标椎物质为基础的较为快速的分析方法，有以下特点：（1）分析速度快。
（2）分析误差小，准确度高。
（3）操作简单，自动化程度高。
（4）重复性和稳定性好。
（5）分析范围广（6）可用用于多种基体分析：Al,Fe,Pb,Mg,Zn,Sn,Co,Ni,Ti,Cu等基体。
3.光电直读光谱仪的误差分类及误差分析3.1光电直读光谱仪的误差分析应用光电直读光谱仪分析方法测定试样中元素含量时，所测得结果与真实含量通常是不一致的，总是存在着一定的误差和偏差。
这里所讲的误差是指每次测量的数值与真值之间的差值，而偏差是指每次测得的数值与多次测量平均值之差。
并且受诸多因素的影响，有的材料本身含量就很低。
下面就误差的种类、来源及如何避免误差进行分析。
根据误差的性质及产生原因，误差主要分以下几种：（1）系统误差；（2）偶然误差；（3）过失误差；（4）其他误差。
CE318太阳光度计常见故障与处理方法的探讨
CE318太阳光度计常见故障与处理方法的探讨摘要：介绍基于兰利（Langley）法通过直接测量太阳分光辐射获取气溶胶光学厚度的在线观测系统CE318太阳光度计在日常运行中出现的故障情况，分析和说明故障出现原因，并给出处理方法。
为正在使用或将要使用此设备的台站人员提高对仪器的使用、维护和检修能力，也为提高仪器运行的稳定性和数据的可用率提供可靠的保障。
关键词：CE318太阳光度计，故障，处理方法引言大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的削弱作用。
CE318型太阳光度计，是法国CIMEL公司制造的一种自动跟踪扫描太阳辐射计。
该仪器在可见近红外波段有8个光谱通道，它不仅能自动跟踪太阳测量太阳直接辐射，而且还能进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天扫描。
CE318能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，还可以通过卫星采集平台远程传输数据。
CE318型太阳光度计测量得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性。
1仪器构造及原理1.1 仪器构造[1]CE318型太阳光度计主要由两部分组成：（1）仪器主体：传感器头部、扫描步进马达和机械臂。
（2）控制箱：由一个控制模块组成，提供软件控制预定的扫描和采样指令，获取数据，内置电池。
1.2 工作原理[1]大气总的光学厚度由分子散射（瑞利散射）、气体吸收消光（如臭氧、水汽）和气溶胶散射三部分组成，表达式为：其中瑞利厚度由地面气压值计算，在可见近红外波段主要是臭氧和水汽的吸收。
在没有气体吸收的通道式中可以忽略，从总的光学厚度减去瑞利光学厚度，可以计算气溶胶的光学厚度，大气总的光学厚度利用兰利（Langley）法计算。
1.3 技术指标[1]（1）由太阳直接辐照度观测计算大气透过率。
（2）垂直气溶胶光学厚度在大气质量数为2时的精度是±（0.01～0.02）。
（3）由天空辐射测量可计算出的气溶胶在0.1～3um范围内的尺度谱分布，它用于辐射传输计算。
CE318 太阳光度计技术手册
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
CE318太阳光度计基本结构与安装使用
文章编号:1006-4354(2002)05-0043-03CE318太阳光度计基本结构与安装使用陈 征(陕西省气象装备中心,陕西西安 710015) 中图分类号:P415.3 文献标识码:B CE318自动跟踪太阳光度计是由法国CIM EL公司研制生产、用于气溶胶光学特性和大气质量监测的自动测量仪器,它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量,而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。
CE318能自动存储测量数据,并可自动传输到计算机保存及发送。
CE318测得的直射太阳辐射数据可用来反演计算大气透过率、消光光学厚度、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量。
其天空扫描数据可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数。
CE318可用于卫星遥感产品检验和气溶胶气候研究,在大气光学参数测量和沙尘暴监测中发挥重要作用。
1 仪器结构仪器主体由传感系统、伺服系统和控制系统三部分构成。
1.1 传感器系统瞄准器由两只组合为一体的长圆桶组成,头部孔径相同,为光学窗口提供相同的1.5°视场角;底部大、小孔径相差10倍,分别对应天空视窗和太阳视窗,为两视窗提供不同的入射量。
光学窗口由太阳视窗和天空视窗构成,内装滤光片轮、硅探测器。
滤光片轮装有8片窄波段滤光片,提供8个观测通道;硅探测器探测的信号经数据传输线传输至控制系统。
湿度传感器在有降雨时停止仪器工作。
1.2 伺服系统由方位步进电机和天顶角步进电机组成;两只电机各有一根控制线与控制系统相连,控制系统通过控制程序驱动步进电机工作,带动传感器系统扫描探测。
图1 CE318太阳光度计结构示意图1.3 控制系统控制系统集成在一控制箱内,包括控制盒、电池块和太阳能电池板。
控制盒包括液晶显示窗、控制按键、控制模块、传输模块和内置电池。
液晶显示窗提供菜单和状态显示。
控制按键由绿、白、黄、红四个键组成,供手动指令输入和参数设置。
控制模块提供和控制扫描和测量程序。
光照度计照度示值检定中影响因素和测量结果不确定度分析
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald911 光照度计的计量检定方法公式：E =I /L 2E —光照度（LX）;I —光强度（cd）;L —光源到接收面的距离（m）。
2 影响测量结果的因素2.1 发光强度标准灯的影响标准灯在点燃时，要从很低的电压，电流开始，缓慢的加到额定电流值 或电压，该值由上级计量检定部门每年检定一次给出，额定电压和额定电流以增加到额定电流为准。
否则影响其测量值的准确性，且需预热：真空灯预热5～8 min，充气灯预热8～12 min。
待发光稳定后再开始正式进行测量。
且测量结束后，将电压、电流逐渐降低，然后切断电路。
另外，对于一、二级发光强度，当其水平偏离±10时，其强度值变化不大于±0.3%。
一级发光强度的年度变化率小于±1.2%。
2.2 控灯电流的稳定性影响一般发光强度标准灯的稳定和准确是有供电的电测系统来保证的，其关系可由下面的公式可知：6216.321)()(i i v v ==ϕϕ由公式可知：当灯泡上的电压变化0.1%时，其发光强度变化0.36%，若灯丝电流变化0.1%时，发光强度变化约0.6%，且控电电流变化对标准灯的影响更大一些。
所以控灯电流的稳定性直接影响标准灯的准确度应选用符合检定规程要求的稳压电源系统，且输出电压连续可调，10 m i n 内输出电压变化应不大于0.02%，控灯电流不允许超过发光强度灯额定电流0.5%，且应进行定期的校验电测系统来保证其电压、电流输出的稳定性。
2.3 测量距离的影响应调整灯丝平面、光度头接收面位置与光轨的零点刻度尺对齐，并保证接收平面与灯丝平面垂直于光轴，且中心位于光轴上，光轨本身的直线性误差应不大于±1 mm，测距米尺1 m内的总误差不大于0.2 mm，且光轨长度应在6 m以上。
3 测量不确定度的评定（以评定20L X 标准值的测量结果为例）3.1 建立数学模型△E=E -2L I 式中：△E —被测照度计的示值误差（L X）；E —被测照度计的示值算术平均值（LX）；I —标准灯的光强度，I =463c d；L—标准灯的灯丝面到光度头测试面的距离，L=4.8114 m。
CE318太阳光度计常见故障及排除方法
ｒ， ，
。
原 因 ：太 阳光 度计 控制箱 内部 电路 插板 接触
异常 。
排除 方法 ：将太 阳光 度计 控制 箱 内部 电路插
板重 新插 紧 。 ５ 太 阳 光 度 计 观 测 时 对 不 准 太 阳
排 除方法 ：用 弱 酸类物 质浸 泡感雨 传感 器探 头 ，用 小刷子 清 洁 ，并 用清 水 冲洗干净 。然后 向
Ｚ ｎｔ 丝使 光学头 水平 ；清 洁太 阳光 度计 四象 ｅｉ ｈ螺
限跟 踪器 人光 窗 口。
５Ｖ；太 阳光 度计 机 器人臂 故障 。
收 稿 日期 ：２ ０ — ８ ２ ０９ ０ — ７
作 者 简 介 ：杨 家 锋 （９ ３ ） １ ７一 ，男 ，陕 西 山 阳人 ．硕 士 ．工 程 师 ，从 事 特 种 观 测 设 备 技 术 保 障 工 作
４ ４
文 章 编号 ：１ ０ — ３ ４ （ ０ ０ Ｏ — ０ ４ ０ ０ ６ ４ ５ ２ １ ） １ ０４ — ２
陕
西
气
象
榆 林 市 公 路气 象 服务 设 计 与 改进
高 蕊
（ 林 市 气 象局 ，陕 西 榆 林 ７ ９ ０ ） 榆 １ ０ ０
中 图 分 类 号 ：Ｐ ９ ４
灾 害性 天气 ，直 接影响 公路 能见 度 ，引发道 路损
２ １ 影视 气象 节 目 ．
在榆 林 电视 台一 套 中单 独开播 《 路气象 》 公 栏 目， 每天 １ ： ５ 出， 目时长为 ２ｍｉ３ 。 ２ １播 栏 ｎ ０Ｓ 栏 目定 位—— 生 活化 的公 共 气 象服 务类 电视 节 目，
标 中用 于大气 光学参 数 测量 的重要 仪器 ，同时还 在 沙尘暴 监测 中发 挥重 要作用 。结合多 年实 地维 修 经验 ，主要 从湿度 传感 器异 常 、机器 人臂 长时
可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究
可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究张艳娜;刘恩超;李新;郑小兵【摘要】为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究.使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度.在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5％以内,验证了该定标方法的合理性.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(035)001【总页数】6页(P11-16)【关键词】辐照度;绝对定标;太阳光谱辐照度仪;标准灯;Langley【作者】张艳娜;刘恩超;李新;郑小兵【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN201;O432.1引言地基的太阳辐射观测，可以获得通过大气层到达地面的太阳辐射，为大气辐射传递模型提供基础性的测量参数[1]。
太阳光谱辐照度仪就是利用棱镜分光技术对可见-近红外波段的太阳直射辐射进行观测的仪器，它的连续光谱观测功能克服了目前滤光片式太阳辐射计测量通道少、信息量有限的缺点[1-2]，能够反演得到大气光谱透过率[1]、气溶胶光学厚度[2]、水汽以及NO2等痕量气体[3]的含量等，广泛应用在辐射收支平衡研究、卫星载荷定标[4]以及环境污染监测[3,5]领域。
为了保证太阳光谱辐照度仪观测数据的精度和有效性，需要对其开展高精度的定标方法研究。
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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。
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Modern Scientific Instruments
No.6 Dec. 2013
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。
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)
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
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
[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。
1Байду номын сангаасCE318 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
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。
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
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。
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