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；P122

Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318

Bian 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 analysis

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

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[2]，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，有效地判断仪器工作状态，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，起到固定传感器头并带动其进行全球面扫描的作用。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，获取太阳直射或者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

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。

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V A、V B、V C、V D，若光斑圆心与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V x、V y可用V A、V B、V C、V D表示V x=(V A+V D)-(V B+V C)，V y=(V C+V D)-(V A+V B)。CE318在分析了四象限探测器的四个象限的电信号后，会根据偏移量V x、V y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。

图 1 四象限探测器原理示意图