高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量
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第３ ４ 卷， 第３ 期 ２ ０ １ ４年 ３月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ， Ｎｏ ． ３ ， ｐ ｐ ６ ０ ９ — ６ １ ３ Ｍａ ｒ ｃ ｈ，２ ０ １ ４
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ９ 。修订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ７ — ２ ０
１ 太 阳光谱辐照度测量原理
光谱辐照度是在单位波长 间隔内、通过单位 面积的光辐 射通量 ， 其定 义如式（ １ ） 所示 ，
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 ２ ３ ０ ０ ３ １
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 ． ０ ｆ ｍ 的
太 阳辐射 的不 同谱段对 地球一 大气一 海洋系统的不同影响Ｌ ２ ］ 。
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 Ｆ ｒ ｙ 棱镜 的几何参数关系 、陷阱探测器设计 及温控 系统 的稳定性 、光谱扫描机构 的选用及 供 电要 求 。 开 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 阳光度计 （ Ｃ Ｅ ３ １ ８ ） ｌ ７ ］ 的测量值作 了对 比。
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 ． ０ ２ ５ 的波 长定位误差 。开展室外观测 实验 ，实现 了 ０ ． ４ ～１ ． ０， ａ ｍ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 （ Ｃ Ｅ ３ １ ８ ） 进行 了对 比。结来自百度文库 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 Ｃ Ｅ ３ １ ８ 全 天测量数据 的相对偏差 小于 ０ ． １ ３ ， 可见波段 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 ４ Ｘ。 关键 词 辐照度仪 ； ｒ ｙ 棱镜； 音 圈电机 ； 陷阱探测器 ； 光 学厚 度
现了 １ ～ｌ ５ ｎ ｉ Ｔ ｌ 的光谱分辨 率 ， 利 用单一 光学元 件满 足测量
的波长范 围；采用 陷阱式 单元探 测器 测量输 出 的光谱数 据 ， 保证 了测量 的精 度 ； 基于 Ｄ Ｓ Ｐ的闭环 光谱 扫描机 构来 驱 动
棱镜 的转动 ，实现 了太阳细分光谱 的扫描测 量。为保 证仪器
质进行分析 ，实现卫星对地观测 的定 标 和真实性 检验 ，了解
以满足要 求ｌ ６ ］ 。另外 ，研制 平均波 长误 差
确度 。
＜Ｏ ． ０ ２ ５ 的
光谱扫描技术 ，实现太 阳光谱的无失 真传递 ，保证 波长的精 本文结 合 ０ ． ４ ～１ ． ０， ａ ｍ 波段 高精度太 阳光谱 辐 照度仪 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 设计 、集成和测试工作 。 该仪器采用 Ｆ ６ ｒ ｙ棱镜进行 色散 ， 实
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 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
据， ０ ． ４ ～１ ． ０ ａ １ ｍ 波段的太阳总辐射相对变化小 于 ０ ． ５ ［ ６ ］ 。 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 和波长测 量精 度 。根 据可 见／ 近 红外 波 段 的仪 器参 数 需 求 ，
文 献标 识 码 ： Ａ Ｉ Ｎ） Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ６ ０ ９ — ０ ５
中 图分 类 号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
精度和测量漂移 的稳定 性 为 ０ ． ０ １ ，１ ～３ ５ ｒ ｉ ｍ 的分 辨率 可
引 言
高精度太 阳辐照 度仪 是在 ０ ． ４ ～１ ． ０ ａ １ ｍ 波段 对地 面接 收到 的太 阳直 射 辐 射进 行 高 精度 和 连续 光 谱 观测 的 仪 器。 ０ ． ４ ～１ ． ０ ｍ 波 段 的 辐 射 占据 了 太 阳 总 辐 射 能 的 大 约 ６ Ｏ ［ １ ］ ，包含 了大气窗 口、人 眼可见波 段等 ，是对 人类 生存 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 观测 ，可以为气象和气候预报输入参 数 ，对整层 大气光 学性
器研究 。美国 Ｓ ＯＲ Ｃ Ｅ卫 星上 的光谱辐照度监 测仪 （ Ｓ Ｉ Ｍ） ＿ ３ ］ ，
欧空局 Ａ ＴＬ ＡＳ卫 星 上 的太 阳光谱 辐射 计 （ Ｓ ＯＬ Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ ） ｌ ４ 均 用于空间平 台上 的太 阳分光 谱观测 。地面 观测仪器 中 ，比较 典型 的有 日本 Ｐ Ｒ Ｅ Ｄ Ｅ公 司的全 波段太 阳光 度计 Ｐ Ｇ Ｓ １ ０ ０ ＿ ５ ］ ，
高精度太 阳光谱辐 照度仪 。 太 阳辐 照度仪采用 Ｆ ｅ ｒ ｙ 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 了太 阳辐照度仪光谱 扫描测 量部分的设计 。给出了 Ｆ ｒ ｙ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
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ， Ｎｏ ． ３ ， ｐ ｐ ６ ０ ９ — ６ １ ３ Ｍａ ｒ ｃ ｈ，２ ０ １ ４
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ９ 。修订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ７ — ２ ０
１ 太 阳光谱辐照度测量原理
光谱辐照度是在单位波长 间隔内、通过单位 面积的光辐 射通量 ， 其定 义如式（ １ ） 所示 ，
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 ２ ３ ０ ０ ３ １
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 ． ０ ｆ ｍ 的
太 阳辐射 的不 同谱段对 地球一 大气一 海洋系统的不同影响Ｌ ２ ］ 。
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 Ｆ ｒ ｙ 棱镜 的几何参数关系 、陷阱探测器设计 及温控 系统 的稳定性 、光谱扫描机构 的选用及 供 电要 求 。 开 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 阳光度计 （ Ｃ Ｅ ３ １ ８ ） ｌ ７ ］ 的测量值作 了对 比。
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 ． ０ ２ ５ 的波 长定位误差 。开展室外观测 实验 ，实现 了 ０ ． ４ ～１ ． ０， ａ ｍ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 （ Ｃ Ｅ ３ １ ８ ） 进行 了对 比。结来自百度文库 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 Ｃ Ｅ ３ １ ８ 全 天测量数据 的相对偏差 小于 ０ ． １ ３ ， 可见波段 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 ４ Ｘ。 关键 词 辐照度仪 ； ｒ ｙ 棱镜； 音 圈电机 ； 陷阱探测器 ； 光 学厚 度
现了 １ ～ｌ ５ ｎ ｉ Ｔ ｌ 的光谱分辨 率 ， 利 用单一 光学元 件满 足测量
的波长范 围；采用 陷阱式 单元探 测器 测量输 出 的光谱数 据 ， 保证 了测量 的精 度 ； 基于 Ｄ Ｓ Ｐ的闭环 光谱 扫描机 构来 驱 动
棱镜 的转动 ，实现 了太阳细分光谱 的扫描测 量。为保 证仪器
质进行分析 ，实现卫星对地观测 的定 标 和真实性 检验 ，了解
以满足要 求ｌ ６ ］ 。另外 ，研制 平均波 长误 差
确度 。
＜Ｏ ． ０ ２ ５ 的
光谱扫描技术 ，实现太 阳光谱的无失 真传递 ，保证 波长的精 本文结 合 ０ ． ４ ～１ ． ０， ａ ｍ 波段 高精度太 阳光谱 辐 照度仪 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 设计 、集成和测试工作 。 该仪器采用 Ｆ ６ ｒ ｙ棱镜进行 色散 ， 实
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 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
据， ０ ． ４ ～１ ． ０ ａ １ ｍ 波段的太阳总辐射相对变化小 于 ０ ． ５ ［ ６ ］ 。 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 和波长测 量精 度 。根 据可 见／ 近 红外 波 段 的仪 器参 数 需 求 ，
文 献标 识 码 ： Ａ Ｉ Ｎ） Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ６ ０ ９ — ０ ５
中 图分 类 号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
精度和测量漂移 的稳定 性 为 ０ ． ０ １ ，１ ～３ ５ ｒ ｉ ｍ 的分 辨率 可
引 言
高精度太 阳辐照 度仪 是在 ０ ． ４ ～１ ． ０ ａ １ ｍ 波段 对地 面接 收到 的太 阳直 射 辐 射进 行 高 精度 和 连续 光 谱 观测 的 仪 器。 ０ ． ４ ～１ ． ０ ｍ 波 段 的 辐 射 占据 了 太 阳 总 辐 射 能 的 大 约 ６ Ｏ ［ １ ］ ，包含 了大气窗 口、人 眼可见波 段等 ，是对 人类 生存 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 观测 ，可以为气象和气候预报输入参 数 ，对整层 大气光 学性
器研究 。美国 Ｓ ＯＲ Ｃ Ｅ卫 星上 的光谱辐照度监 测仪 （ Ｓ Ｉ Ｍ） ＿ ３ ］ ，
欧空局 Ａ ＴＬ ＡＳ卫 星 上 的太 阳光谱 辐射 计 （ Ｓ ＯＬ Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ ） ｌ ４ 均 用于空间平 台上 的太 阳分光 谱观测 。地面 观测仪器 中 ，比较 典型 的有 日本 Ｐ Ｒ Ｅ Ｄ Ｅ公 司的全 波段太 阳光 度计 Ｐ Ｇ Ｓ １ ０ ０ ＿ ５ ］ ，
高精度太 阳光谱辐 照度仪 。 太 阳辐 照度仪采用 Ｆ ｅ ｒ ｙ 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 了太 阳辐照度仪光谱 扫描测 量部分的设计 。给出了 Ｆ ｒ ｙ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