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

(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)

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。目前常用的定标方法为室外Langley法[2,6]，全球气溶胶观测网(AERONET)在高海拔地区对滤光片式太阳辐射计定标的重复性可达1%[2]，但是该方法仅对符合比尔-朗伯定理的光谱区域有效，对大气中的强吸收带(水汽、NO2等)需要使用改进的Langley法[1,7]。Schmid等提出了通过建立940 nm水汽、臭氧以及NO2模型进行定标的方法[7]，但是这些模型引入的假设因子会产生较多的不确定因素。为了解决这一问题，国内外一些研究机构提出了室内基于黑体辐射源的定标方法，Kiedron使用美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准灯对积分球太阳光谱仪RSS进行定标[8]，误差可达2%～4.4%，德国联邦物理技术研究院(PTB)使用高温黑体对卫星载荷太阳光谱辐射计(SOLSPEC)进行辐射定标[9]，不确定度可达1%。但是室内定标光源与太阳的能量强度和光谱分布差异较大，仪器的带宽、信噪比以及非线性等因素会给定标引入难以量化的误差。

为此,提出了一种适用于太阳连续光谱观测仪器的定标方法，首先使用光谱辐照度标准灯作为光源对仪器进行相对定标，获取仪器的相对光谱响应曲线，然后在室外对光谱非吸收波段进行Langley法绝对定标，根据相对定标和绝对定标的结果计算全波段的比例因子和定标系数，从而完成仪器在整个光谱范围内的定标，通过和MODTRAN模型以及CE318的对比实验，验证了该方法的可行性。

1 定标原理

1.1 仪器工作原理

太阳光谱辐照度仪是通过Fèry棱镜进行分光的光谱仪器，具体工作原理如图1所示。

图1 太阳光谱辐照度仪工作原理图Fig.1 Schematic of solar irradiance spectroradiometer

太阳光E通过仪器的入射狭缝进入到Fèry棱镜，该棱镜集色散、会聚于一体，前后表面分别为凹、凸面，凹面对入射光进行色散，凸面通过高反射率的铝膜实现色散光的反射，将单一级次的色散光束聚集到位于焦平面的陷阱探测器上。陷阱探测器是由3片硅光电二极管按照一定的空间结构组合而成的一种复合型光电探测器，具有较高的光谱响应灵敏度，并且其响应率不受入射光的功率、偏振状态、光敏面上的照射位置的影响，可以保证太阳光谱的长期高精度观测。

由于棱镜对不同光谱的色散角度不同，通过控制棱镜的转动，就可以将各个波长的光入射到出射狭缝处的陷阱探测器中，从而完成光谱的光通量测量，仪器的测量方程式为

(1)

式中，入射的辐射能量由狭缝的面积A决定，棱镜的参数(包括棱镜夹角θ、透过率T、折射率n、前后表面曲率半径R1和R2半径)、成像面距离F、入射光与前表面法线夹角γ、入射成像光学夹角φ以及光线在成像面上的位置y，决定了光谱的中心波长λc以及带宽Δλ，而仪器的狭缝函数卷积s(λ,λc)和衍射效应Φ则由入射和出射狭缝的宽度和高度得到，陷阱探测器的响应率R则决定了测量得到的光谱信号的大小。

1.2 定标原理

用仪器的系统光谱响应函数RE来简化测量方程(1)，使用光谱辐照度标准灯对太阳光谱辐照度仪进行相对定标时，可以得到仪器在不同波长点的电压值VL：

(2)

式中，EL为标准灯在定标距离处的光谱辐照度，根据普朗克定理和平方反比定理由标准黑体传递得到[10]。仪器在带宽Δλ内的积分辐照度响应函数RE-L可由中心波长点λc的响应函数和相对光谱响应函数REr(λ,λc)来表示：

(3)

将(3)式带入(2)式，可以得到：

(4)

同理，在仪器对日观测时大气层顶的响应电压的V0也可表示为

(5)

式中，E0为大气层顶的太阳理论辐照度，由于标准灯和太阳分别近似为2 800 K和5 800 K的黑体，其辐照度的能量和光谱分布都不相同，因此其光谱辐照度响应度RE-L和RE-S也不一样，但是对同一台仪器来说，仪器的相对光谱响应度REr(λ,λc)是相同的，这样就有：

(6)

利用公式(6)，即可计算得到仪器的定标系数：

(7)

式中，S为对日观测和对灯观测时的比例因子，标准灯相对定标时的误差都可归结于此因子，包括准直误差、稳流误差、距离误差、光谱非匹配误差以及标准灯自身的辐照度不确定度等，该因子通过Langley法绝对定标确定，其精度决定于Langley法的定标精度。在有效的Langley法定标波段，定标系数V0是依据比尔-朗伯定理实现的，在稳定的大气条件下假定气溶胶为球形粒子，且气溶胶粒子分布保持不变，仪器在地面测得的信号V与大气光学厚度之间满足：

(8)

式中：d0/d为日地校正系数；m是根据太阳天顶角计算得到的大气质量。对(8)式两边取对数，可得：

(9)

2 定标过程及结果

2.1 标准灯相对定标

使用1 000 W的光谱辐射照度标准灯作为相对定标的光源，其辐照度通过中国计量科学研究院所持有的金点黑体基准传递，具体的实验装置如图2所示。

图2 标准灯定标原理图Fig.2 Calibration system based on standard lamp

太阳光谱辐照度仪放置在标准灯和消杂散光阑所在的平行导轨上，仪器的光学结构要求光源模拟太阳的发散角0.52°进入仪器的入瞳，通过光路调整装置使仪器的光轴与标准灯灯丝中心所在的光轴重合。标准灯的电源由直流稳流源来提供，它利用大容量调压器来遏制电压的瞬时波动，稳流精度优于0.02%，另外采用0.01级0.01 Ω标准电阻以及6.5位精密数字电压表对标准灯的电流进行监控，以修正在定标过程中光源的变化。标准灯的灯丝尺寸为20 mm×16 mm，模拟太阳发散角，将太阳照度仪放置于距离标准灯的灯丝1 783 mm处。仪器采用光谱反馈扫描的方法进行辐照度测量，由此可以得到仪器在整个400 nm～1 050 nm波长范围内每个波长点处的积分响应值VL，图3给出了仪器接收到的光谱辐照度以及测量结果。

图3 标准灯定标结果Fig.3 Calibration result based on standard lamp

2.2 Langley法绝对定标

大气光学厚度τ是分子散射、气溶胶散射以及分子吸收光学厚度的总和，其中散射部分满足比尔-朗伯定理，但是对于水汽、O3、NO2以及O2等强分子吸收区域，比尔-朗伯定理不再适用。因此在使用Langley法进行精确定标时，这些强吸收尤其是水汽吸收要避开。使用大气辐射传输软件MODTRAN4.0模拟了定标当天中纬度地区夏季的大气斜程透过率曲线以及水汽的透过率曲线，如图4所示。

图4 大气光谱透过率Fig.4 Transmission of atmosphere spectrum

图5 Langley法定标Fig.5 Calibration based on Langley

结合太阳光谱辐照度仪的观测通道和图4所示的大气透过率曲线，在2012年8月7日选择大气窗口波段的31个波长点进行了Langley法定标，定标地点为东经94.42°，北纬40.09°海拔1.2 km的敦煌辐射校正场，定标当天天气晴朗，大气状况稳定，得到的各个波长点的大气质量与测量电压值如图5(a)所示。根据(9)式进行线性拟合得到的相关系数在-0.990～-0.999的范围内，显示了较好的线性关系，表明大气状况比较稳定，根据直线的截距即可得到仪器的定标系数如图5(b)所示。

由标准灯相对定标得到的仪器积分响应VL以及Langley法得到的定标系数V0，可以计算得到31个波段的比例因子S，通过二次样条插值运算，即可得到在整个400 nm～1 050 nm光谱范围内仪器的比例因子和定标系数V0，如图6所示。

图6 定标结果Fig.6 Calibration result

3 比对分析

为了对仪器的定标结果进行验证，使用MODTRAN理论模型和太阳光度计CE318与太阳光谱辐照度仪进行了室外观测比对实验。

3.1 MODTRAN模型比对

仪器通过绝对定标之后，可以直接得到到达地面的太阳直射辐照度，采用大气辐射传输软件MODTRAN4.0分别计算了甘肃敦煌地区(94.68°E，40.14°N)和安徽合肥地区(117.15°E，31.90°N)在夏季和春季的太阳直射辐照度，模型的输入参数如表1所示。

表1 MODTRAN模型输入参数

由图7的模拟与测量结果的比对曲线可以看出，MODTRAN模拟得到的太阳直射辐照度与太阳光谱辐照度仪测量得到的光谱辐照度结果在变化趋势以及测量绝对值上基本一致，由于理论模拟的带宽为1 cm-1，而太阳光谱辐照度仪的带宽400 nm～1 050 nm波段为5 nm～15 nm，所以仪器测量曲线较为平滑。在敦煌地区，400 nm～650 nm的测量辐照度比理论模拟辐照度稍大，合肥地区的测量值却偏小，这是因为两地区的大气模型与理论模型有所差异造成的。另外，在理论模拟时，水汽、臭氧、NO2等的输入参数为默认值，与环境的实际值有差异。总体来说，理论模拟的结果与仪器实际测量的比对结果较为合理。

图7 太阳直射辐照度比对Fig.7 Comparison of solar direct irradiance

3.2 CE318观测比对

为了定量分析该定标方法的准确性，使用法国CIMEL公司生产的全自动太阳光度计CE318进行室外比对实验，CE318在紫外-短波红外波段有9个太阳直射辐射测量通道，每个通道带宽为10 nm，其测量结果可以用来推算气溶胶、水汽、臭氧等成分的特性，被广泛应用在AERONET和卫星载荷外场定标中[2,4,6]。

2012年8月7日,用太阳光谱辐照度仪在敦煌辐射校正场(94.42°E，40.09°N)与CE318进行了观测实验，CE318使用Langley法进行定标，图8(a)为2个仪器测量的大气光学厚度-大气质量之间的曲线；2013年4月7日，使用AERONET的子网PHOTOS在安徽合肥地区(117.15°E，31.90°N)的CE318上进行了观测实验[11]，CE318使用AERONET的标准流程进行定标[6]，图8(b)为2仪器测量结果，比对通道为440 nm、500 nm、670 nm以及870 nm。

图8 大气光学厚度比对Fig.8 Comparison of atmosphere optical depth

由图8可以看出，仪器与敦煌和合肥的2台CE318测量趋势是一致的，表1为计算得到的各个波段的平均相对误差结果，在敦煌的测量结果偏差最大的为870 nm波段，偏差为-4.84%，在合肥的测量结果偏差最大的为670 nm波段，为-4.52%，这些偏差产生的原因除了3台仪器自身定标的不确定度外，还包括太阳跟踪偏差、温度变化、插值误差以及大气扰动等因素，由于外场实验的不确定性，这些因素不易定量评估，根据国内外近年来进行的室外比对实验[6,8,11]可以看出，5%的偏差在合理的范围之内，说明这种定标方法是可行的。

表2 大气光学厚度相对误差

4 结 论

标准灯法和Langley法相结合来对400 nm～1 050 nm连续光谱内的太阳辐射计进行辐射定标的方法，通过在31个非吸收波段的Langley法定标，插值得到强吸收波段的比例因子，结合标准灯法相对定标结果，得到仪器在整个光谱范围内仪器的定标系数，在敦煌和合肥两地的对比实验在4个比对波段得到的误差小于5%，表明该方法是合理的。这为连续谱段太阳辐照度观测仪器尤其是强吸收波段的定标提供了一种技术手段，其不确定度与室外Langley法在同一水平上，可以有效提高太阳连续光谱辐射观测的精度，为光学遥感的定量化提供新的技术支持。

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