第2期 气象水文海洋仪器
No .2
2010年6月
M eteo rological ,Hy drolog ical and M arine Instruments
Ju n .2010
收稿日期:2010-03-25.
作者简介:刘涛(1983-),男,硕士.研究方向:大气探测技术.
太阳光度计技术分析
刘 涛1,2,熊超超1,3,江志东1,高太长1
(1.解放军理工大学气象学院,南京211101;2.解放军95948部队气象台,酒泉732750;3.中国白城兵器试验中心,白城137001)
摘 要:简要介绍了太阳光度计的基本原理及其方法。从高精度分光技术、光电探测技术、太
阳跟踪技术三个方面分析了目前国内外太阳光度计的关键技术,总结出了该仪器目前基本的发展状况,为该类型仪器的研制提供参考。关键词:太阳光度计;分光技术;光电探测;太阳跟踪
中图分类号:P414.5 文献标识码:A 文章编号:1006-009X (2010)02-0064-04
Technological analysis of the su n photometer
Liu Tao
1,2
,Xiong Chaochao
1,3
,Jiang Zhido ng 1,Gao Taichang
1
(1.Institute o f Meteorology ,P L A University of Science and T echnology ,N anjing 211101;2.No .95948Army o f PL A Meteorological Observatory ,J i uquan 732750;3.Baicheng Ordnance Test Center of China ,Baicheng 137001)
A bstract :This paper introduces the fundamental princ iples and calibration methods of sun photometer .From three aspects of high precision light splitting ,pho toelectric detecting technique and sun tracking ,the key technique of sun photometer in domestic and overseas in the present is analyzed .The development status of this instrument is summed up ,w hich provides the reference for developing the instrument .Key words :sun pho tom eter ;lig ht splitting ;pho to clectric detection ;so lar tracking
0 引言
大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒组成的多相体系
[1]
,大小通常在0.01～
100μm 之间,能在大气中驻留几个小时至几天。气溶胶对地气系统的辐射收支有重要影响
[2]
,但
是气溶胶辐射效应目前还存在很大的不确定性,原因之一是对气溶胶光学特性了解较少[3]。气溶胶光学厚度是描述气溶胶对太阳辐射进行散射和吸收消光的一个定量指标,也是对大气气溶胶载荷的估计,并用来评估气溶胶的直接辐射强度[4]。光学厚度可以通过地面上的太阳光度计测定太阳光谱透过率得到。地基气溶胶光学厚度的获得对于由卫星反演的气溶胶光学厚度的标定和验证极
其重要,此外对于定量遥感分析气溶胶气候影响也是必要的[5]。
太阳光度计是迄今为止精确测量气溶胶的最重要的仪器之一[6]。从20世纪70年代末起,美国、意大利、日本、法国等国开始研制新一代太阳太阳光度计。国内在20世纪80年代初开始了太阳光度计的研制并进行气溶胶遥感探测研究[7]。1989年安徽光机所自行研制出了我国第一代太阳光度计,经过不断改进,先后研制出DTF -3型和DTF -5型太阳光度计[8-10]。
1 测量原理
1.1 大气气溶胶探测原理
大气中光谱的光学厚度与在地面上观测到的
第2期刘 涛,等:太阳光度计技术分析
光谱直射太阳辐射强度E λ有如下关系:
E λ=E 0λR
-2
ex p (-m τλ)
式中:E 0λ是波长为λ的大气外界太阳辐照度(太
阳常数);R 为测量时的日地距离校正量(平均日地距离与实际日地距离的比值);m 为大气质量数;τλ为垂直方向上大气的总光学厚度。
若用测量仪器的输出电压V λ代表E λ,则上面的公式可以写成:
V λ=V 0λR -2exp (-m τλ)
式中的V 0λ是定标常数。
对于无水汽吸收的波段来说,大气在垂直方向上的总光学厚度τλ可以写成:
τλ=τr λ+τa λ+τg λ式中:τr λ为Ray leig h 散射的光学厚度;τa λ为气溶胶散射的光学厚度;τg λ为吸收气体的光学厚度。Rayleigh 散射光学厚度τr λ可通过地面气压值计算出来。在可见光、近红外波段和大气中主要存在臭氧和水汽的吸收。选择没有气体吸收的通道,即τg λ=0,则总光学厚度τλ与τr λ之差就是气溶胶散射光学厚度τa λ。
1.2 仪器定标
在大气相对稳定的条件下τλ为一定值,进行不同太阳天顶角(θ)的太阳直射辐射强度的测量(V λ),由ln V λ与m 的线性关系外推到m 为0时的ln V 0λ。由ln V λ+ln R 2
与m 的关系画直线,直线的斜率就是垂直光学厚度τλ,截距就是由太阳光度计获得的大气外界太阳辐射强度(V 0λ)的对数,即ln V 0λ,这种方法称作兰勒(Lang ley )法,通常也称之为“长法”
。
图1 Langley 法原理图
2 太阳光度计关键技术
太阳光度计是比较精密的多波段太阳辐射探测仪器。目前商用和科研中使用的太阳光度计种类多,
原理各异。概括起来太阳光度计结构可由图2表示
。
图2 太阳光度计结构组成
不同型号的太阳光度计结构可能有所不同,但是高精度分光器、探测器是必不可少的,全自动
太阳光度计还配备了太阳跟踪器。2.1 高精度分光技术
分光方法基本有三种:干涉滤光片分光法、散射棱镜分光法、衍射光栅分光法。第一种方法是在利用多个窄带滤光片,通过切换不同的滤光片实现分光;后两种方法是利用光的色散,把光源的复合辐射分解成不同波长的单色辐射,并按一定的顺序排列,使用的色散元件是棱镜或衍射光栅。
多数太阳光度计都是用干涉滤光片进行分光的,但具体实现有所不同,主要有两种方案,一种是把一组滤光片安装在转盘上,由步进电机带动转盘实现滤光片切换,如CIM EL 318系列、DTF -3和DTF -5太阳光度计等;另一种是每个通道单独使用探测器,通道之间互相独立,不需要转动部件,如M iddleto n SP01-A ,SPUV -6/10。
为了精确测量不同波段的太阳直接辐射,在滤光片的设计制作方面,太阳光度计选用的窄带滤光片比普通滤光片有了更高的技术要求。窄带滤光片必须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,才能从太阳辐射光谱中选择特定的波段而不受其它波段太阳辐射的影响,保证测量精度。为了保证系统在使用过程中的稳定性可靠性,还必须要求滤光片在不同环境温湿条件下有很好的光学稳定性。窄带滤光片膜系设计,镀膜材料选取,镀膜技术都是影响窄带滤光片的关键方面。
另外也有利用光栅进行分光的,如日本PREDE 的PGS100型太阳光度计。此类型太阳光度使用CCD 线阵作为探测器。
国内外常见商业化太阳光度计探测测波段如表1所示。
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气象水文海洋仪器Jun.2010
表1 国内外常见太阳光度计探测波段
型号中心波长(nm)半波宽度(nm)
3402
法国CIM EL,CE318系列3804
440,500,675,870,936,102010
164060
日本P REDE PGS100400,520,610,670,780,860,940
(用户可选波段多达20个)
3.6
日本PREDE PS F100368,500,675,778(其他波段可选)5日本PREDE POM-01
M arkⅡ
315,400,500,675,870,940,102010
3402美国S olar Light3804 M icrotopsⅡ440,500,675,870,936,102010
(选择其中5个)
美国yankee SPUV-10305.5,311.4,317.5,325.5,368,500,615,
673,778,870/940
紫外波段2,可见光10
中国安徽光机所DTF-5400,520,610,670,780,860,940,105010
2.2 光电探测技术
目前用于辐射探测的光电器件很多,主要有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电倍增管、CCD 等。选择适用于多波段太阳直接辐射测量的光电探测器件需要考虑以下5个方面的因素。
(1)探测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。太阳辐射强度变化范围较大,因此要求探测器有较大的动态范围。选择探测器时既要满足弱太阳辐射时有足够大的信号输出,又要保证在强太阳辐射时不饱和。
(2)探测器件的光谱特性必须和太阳辐射及系统光学系统在光谱特性上相匹配。太阳辐射能量的99%集中于0.276～4.96μm范围,对于遥感探测来说,这是一个相当宽的波谱范围。探测器响应范围一般应满足从可见光到近红外波段的光谱响应,有的太阳光度计在紫外波段选择增强型的探测器。
(3)探测器件必须在太阳辐射强度变化时有良好的线性度。
(4)探测器件必须有较小的等效噪声功率,满足在弱太阳辐射时的探测。
(5)探测器件的稳定性、性能价格比等因素。
光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。但是在强光辐射下线性度不好,而且光电响应特性随温度的变化较大;光电池具有暗电流小,光敏面积大,频率响应高,光电流随照射强度线性变化等特点,但是对微弱辐射的探测能力和光谱响应范围又不如光敏电阻好;光电二极管具有体积小,稳定性好,灵敏度高,响应速度快等优点,光谱响应在可见和红外区;光电倍增管具有暗电流小、极高的灵敏度、光谱响应范围宽、稳定性高、快速响应等特点,但是其工作需要千伏高压,价格贵、体积大、经不起机械撞击。
POM-01M arkⅡ,PSF100,MicrotopsⅡ, SPUV-10等大多数太阳光度计使用硅光电二极管作为探测器;Middleton SP01,CE318系列使用增强型硅探测器;DTF-3,DTF-5使用光电倍增管;PGS100使用CCD线阵。此外还有人研究基于LED探测器的太阳光度计。
由于光电探测器大多为温度敏感元件,具有复杂的温度特性,因此许多太阳光度计对探测器工作环境温度进行控制。
2.3 太阳跟踪技术
自动太阳光度计都配备了太阳跟踪装置。自动跟踪太阳的方式有下列3种:
(1)单轴自动跟踪,也称赤道式自动跟踪;
(2)双轴程序自动跟踪;
(3)主动式闭环光电自动跟踪。
单轴自动跟踪指的是只有一个按当地纬度倾斜的轴在作1转/24h的旋转运动。这种方式的优点是简单;缺点是由于只能绕一个轴旋转,太阳在仰角(赤纬)方向的变化只能依靠人工调节,如果调节时无日照,则无法进行,所以这种方式实际上是半自动的。另外,它始终朝一个方向旋转,必然会将测量输出线缠绕在转轴上。间隔一定时
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第2期刘 涛,等:太阳光度计技术分析
段,必须设法将其恢复原状。目前,我国一般辐射站上使用的太阳跟踪器属于这种类型。
双轴程序自动跟踪具有水平和垂直2个旋转轴,用程序计算当时的太阳方位角和高度角进行驱动定位。这种方式的优点是无需人工调节,全自动运行,缺点是受机械加工精度的影响较大,如果两轴的垂直度不理想,或齿轮啮合不良,或安装不当、水平度不够等,均可影响跟踪的准确性。主动式光电自动跟踪是目前功能最完善的自动跟踪装置,目前自动太阳光度计均采用这种方式。由于结合了双轴自动跟踪和主动式闭环光电自动跟踪两种方式的优点,是目前高精度太阳辐射测量的首选设备。它能解决多云天气下误跟踪的问题,随时测定4象限仪的辐照度值,当辐照度较低于设定阈值时,切换为程序跟踪。4象限太阳跟踪光路如图3所示
。
图3 4象限太阳跟踪光路
4象限是在PN 结光敏二极管或光电池的光
敏面上经过光刻的方法制成4个面积相等的P 区,形成4个特性参数极其相似的PN 解光敏二极管[11]。当光斑落在4象限探测器上时,探测器4个象限输出的4个电压信号,每个象限光斑大小决定了其输出电压大小。根据4个象限电压信号差值,可以判断太阳跟踪装置是否对准太阳,并驱动电机转动瞄准镜筒进行调整,从而跟踪太阳。
3 结束语
太阳光度计是测量气溶胶光学厚度的简单、准确和可靠仪器。其中高精度分光技术、光电探测技术和太阳跟踪技术是太阳光度计的关键技术。高精度分光技术决定了太阳光度计的波段及其半宽,探测器决定了太阳光度计探测灵敏度和精度。太阳跟踪装置是全自动太阳光度计的工作平台,其跟踪精度是太阳光度计准确测量太阳直接辐射的关键因素之一。参考文献:
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