太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

贾瑞栋， 夏志伟， 王玉鹏， 方 伟

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

贾瑞栋， 夏志伟， 王玉鹏*， 方 伟

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求，研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状，并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案，以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪，通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标，使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明：太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300～2 400 nm，光谱分辨率为3～10 nm，输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%～0.5%；积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300～2 500 nm，光谱分辨率为1～8 nm，太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪，可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。

单色仪； 低温绝对辐射计； 绝对测量； 空间遥感

1 引 言

太阳是地球能源的主要来源，实现对太阳总辐照度和其光谱辐照度的高精度监测对全球气候变化、天气预报、环境监测等具有重要意义[1-2]。气候研究专家指出：为满足气候研究的需求，太阳总辐照度和太阳光谱辐照度的不确定度应分别为0.01%(k=1)和0.1%(k=1)[3]。但是目前这些遥感数据的测量精度仍然偏低，例如，太阳光谱分光计(SOLSPEC)测量200～2 500 nm的平均太阳光谱辐射精度为3%(±2σ)[4]，远远不能满足气候研究所需要的0.1%精度。另外，在高精度测量太阳光谱辐照度的基础上，构建太阳光谱辐射标准，使不同遥感器测量的数据可相互比对乃至绝对定标，从而提高不同有效载荷之间的一致性，使不同年份、不同卫星间的数据具有可比性，建立多源遥感数据之间的物理联系，对遥感数据的综合应用具有重要意义[5]。

国际上在太阳光谱辐照度测量方面已经做了许多的研究工作，如太阳光谱分光计(SOLSPEC)[6]、太阳辐射和气候实验(SORCE)[7]、可溯源的太阳和地球辐射基准研究(TRUTHS)[8]等。尤其值得提出的是TRUTHS项目，其系统包括光谱定标单色仪、低温辐射计、太阳光谱辐照度监测仪等。光谱定标单色仪的目的在于为TRUTHS提供一个连续单色光源，以光纤束输出，并通过20 K低温辐射计来测量，其输出功率为1～35 μW(0.5 nm带宽)，输出功率的不确定度为0.2%。太阳光谱辐照度监测仪采用20 K低温定标系统定标后，其预期绝对测量精度约为0.2%[3]。

本文详细阐述了所研制的用于太阳光谱绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的组成、工作原理和技术参数，以及积分球太阳光谱仪的绝对定标的传递链路。

2 太阳光谱辐照度绝对测量仪器及辐射定标传递链路

2.1 20 K空间低温绝对辐射计(SCAR)

定标系统由20 K空间低温绝对辐射计和太阳定标单色仪组成，由太阳辐照度监测仪实现太阳光谱辐照度的绝对测量。

20 K空间低温绝对辐射计是太阳光谱辐照度绝对测量的核心部件，其结构如图1所示。低温绝对辐射计主要由低温系统和绝对辐射测量系统组成，其中绝对辐射测量系统由热电式探测腔组成，可进行高精度的太阳光谱功率测量，并实现光谱辐射标准溯源至国际基本单位(SI)。

图1 空间低温绝对辐射计结构

Fig.1 Structure of the space cryogenic absolute radiometer

低温绝对辐射计是工作在低温下的电替代辐射计，其基本原理是以探测器上辐射功率和电功率的热变换等效性进行测量。低温环境大大降低了探测器热噪声、热传导、热沉温度漂移、电加热丝欧姆损耗、光电等效性等对测量不利的影响，使低温绝对辐射计的测量不确定度下降到极低的水平。且在低温绝对辐射计中专门设计有测量太阳光谱辐照度的高响应度腔，并且能够溯源到国际单位制，作为整个系统的基准探测器，绝对精度在10 μW～10 mW动态范围内为0.5%～0.2%。

绝对辐射计的电替代测量是用可精确测量的电功率复现吸收腔吸收光功率产生的温度升高实现辐射功率测量。当测量到电功率Pe产生的温度变化与被测光功率相同，则被测的光功率Pl为

(1)

其中T为光学窗口透过率，N为光电不等效系数，

图2 激光功率测量结果

A为黑体腔吸收率，Pb为背景噪声。

使用空间低温辐射计原理样机对632.8 nm波长的激光功率进行测量，结果如图2所示，不同激光功率的相对测量精度为0.02%。

2.2 积分球太阳光谱仪(SSIS)

积分球太阳光谱仪(SSIS)可实现太阳光谱辐照度的高光谱分辨率快速测量，其原理光路如图3所示。太阳光经积分球后分别进入3个摄谱仪的入射狭缝，经准直反射镜准直为平行光后，照射到平面衍射光栅上，经光栅衍射分光，不同波长的入射光经光栅衍射后的出射光线的角度各不相同，最后由成像反射镜成像到接收探测器上。不同波长的光线成像于探测器的不同位置的探测单元上，从而实现了光谱的波长和强度的测量。探测器把光信号转化成电信号，然后由电子学系统进行数据采集和处理。

积分球太阳光谱仪的技术参数如表1所示。由于光谱范围较宽，SSIS分为3个测量通道，共用一个直径80 mm的积分球，3个狭缝开口分别位于积分球侧面的3个不同位置，如图3所示。

表1 积分球太阳光谱仪参数

图3 积分球太阳光谱仪原理光路

Fig.3 Basic optical path of the solar spectral radiation monitor

为保证积分球太阳光谱仪的在轨测量精度及长期稳定性，运行期间需要定期进行在轨定标，并实现太阳光谱辐照度的绝对测量(可溯源至SI)。定标过程如图4所示：(1)太阳定标单色仪(SCM)以太阳为光源，通过滤光片单色仪获得单色太阳光辐射，并以光纤输出；(2)用低温绝对辐射计高响应度光谱腔对单色太阳光辐射功率进行测量；(3)利用光纤移动定位机构，将光纤切换到SSIS的积分球入口，使其输出的单色太阳光辐射完全进入；(4)用标定过的单色光功率定标SSIS。

图4 积分球太阳光谱仪定标过程

Fig.4 Process of the solar spectral radiation monitor calibration

3 太阳定标单色仪(SCM)

由于空间低温绝对辐射计测量动态范围的限制，其最小可探测功率和高精度的测量要求导致对太阳定标单色仪出射的单色光的功率有较高的要求(>10 μW)。为提高单色仪输出光功率，采用大有效口径的窄带滤光片作为分光元件。

太阳定标单色仪(SCM)以太阳光为光源，经窄带滤光片上滤光后形成单色光，再经光学系统将单色光会聚后耦合到光纤内进行传输并输出，其结构和原理光路如图5和图6所示。这里采用的滤光片的直径为25 mm，会聚镜为离轴抛物面反射镜，光纤由19根纤芯内径为550 μm、外径为600 μm、长度均为1 m的单根光纤圆形排列而成，光纤数值孔径为0.22。该装置的特点是有效口径大、各通道中心波长处的光能量损耗小、系统透过率高，能满足低温绝对辐射计黑体腔实现高精度测量的最小功率(>10 μW)要求。

图5 太阳定标单色仪结构

在工作过程中，多片滤光片层叠分布在滤光片预备通道中，根据定标需求波段，利用升降控制电机、升降轴和滤光片转换套筒选取合适的滤光片，通过转动控制电机将该滤光片转动到滤光片工作通道中。切换滤光片时，可先利用转动控制电机将工作滤光片转回预备通道中，再重复滤光片选取过程。

图6 太阳定标单色仪原理光路

Fig.6 Basic optical path of the calibration monochromator

太阳光在300～2 400 nm内的光谱辐照度曲线如图7所示。一般根据太阳光谱辐照度变化的快慢程度来选择各通道滤光片的波长，在300～2 400 nm光谱范围内选取15个波长，其中心波长、光谱半高宽和最大透过率等参数如表2所示。

在300～2 400 nm光谱范围内，由太阳光谱辐照度值和滤光片的光谱透过率可得到光纤预期的光谱输出功率，如图8所示。该光谱输出功率明显大于TRUTHS的光谱定标单色仪输出，即在D=25mm的情况下，最小输出光功率为13μW(300nm处)。且采用20K低温绝对辐射计的高响应度腔测量，可以确保太阳定标单色仪的输出功率的绝对精度达到0.2%～0.5%。

采用100W卤钨灯经F数为5的准直镜准直后，垂直入射到SCM的入口处，出射光入射到带积分球的探测器，得到光纤出射功率如图9所示。

图7 太阳光谱辐照度(300～2 400 nm)

通道中心波长/nm半高宽/nm透过率/%13003±0.5≥823453±0.5≥1033903±0.5≥2044303±0.5≥3054603±0.5≥4064803±0.5≥4575203±0.5≥5086003±0.5≥5097003±0.5≥50108503±0.5≥501110003±0.5≥501213005±1≥401316005±1≥5014205010±2≥6015240010±2≥60

图8 通过SCM和光纤的光谱辐射能量

Fig.8 Spectral radiation power after though SCM and fiber

图9 卤钨灯光源通过SCM和光纤的光谱辐射能量

Fig.9 Spectral radiation power of the halogen tungsten lamp after though SCM and fiber

该在轨定标过程由太阳定标单色仪提供高质量的单色光源，以低温绝对辐射计为主基准探测器，克服了以往与传感器增益漂移有关的不确定度影响；采用高精度辐射计量数据定标，保证了SSIS的可溯源至SI。太阳定标单色仪的输出单色光功率的绝对精度为0.2%～0.5%，考虑到其通道数的有限性(本例中为15个)带来的插值误差和其他不确定因素，如光纤移动、电信号输出响应、视场[9]等，该过程的定标精度为0.3%。

4 结 论

本文研制的太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪，采用300～2 400 nm太阳光为光源，并以低温绝对辐射计为主基准，可选择输出15个波长的单色光辐射(绝对精度为0.2%～0.5%)，实现积分球太阳光谱仪的高精度绝对定标，测量数据的绝对精度最高可达0.5%，且可溯源至SI，对提高空间绝对辐射测量精度具有重要意义，为建立我国独立自主的空间辐射定标基准提供了理论与实验基础。

[1] 杨东军, 方伟, 叶新, 等. 星载太阳辐射监测仪的高精度太阳跟踪 [J]. 光学 精密工程, 2014, 22(9):2483-2490. YANG D J, FANG W, YE X,etal.. High precision sun-tracking of spaceborne solar irradiance monitor [J].Opt.PrecisionEng., 2014, 22(9):2483-2490. (in Chinese)

[2] 王玉鹏, 方伟, 弓成虎, 等. 双锥腔互补偿型绝对辐射计 [J]. 光学 精密工程, 2007, 15(11):1662-1667. WANG Y P, FANG W, GONG C H,etal.. Dual cavity inter-compensating absolute radiometer [J].Opt.PrecisionEng., 2007, 15(11):1662-1667. (in Chinese)

[3] FOX N, KAISER-WEISS A, SCHMUTZ W,etal.. Accurate radiometry from space: an essential tool for climate studies [J].Philos.Trans.R.Soc. A:Math.Phys.Eng.Sci., 2011, 369(1953):4028-4063.

[4] HARDER J W, THUILLIER G, RICHARD E C,etal.. The SORCE SIM solar spectrum: comparison with recent observations [J].SolarPhys., 2010, 263(1-2):3-24.

[5] 高海亮, 顾行发, 余涛, 等. 星载光学遥感器可见近红外通道辐射定标研究进展 [J]. 遥感信息, 2010(4):117-128. GAO H L, GU X F, YU T,etal.. The research overview on visible and near-infrared channels radiometric calibration of space-borne optical remote sensors [J].RemoteSens.Inform., 2010(4):117-128. (in Chinese)

[6] THUILLIER G, HERSÉ M, LABS D,etal.. The solar spectral irradiance from 200 to 2 400 nm as measured by the SOLSPEC spectrometer from the ATLAS and EURECA missions [J].SolarPhys., 2003, 214(1):1-22.

[7] KRIVOVA N A, SOLANKI S K, UNRUH Y C. Towards a long-term record of solar total and spectral irradiance [J].J.Atmos.Solar-Terrest.Phys., 2011, 73(2-3):223-234.

[8] FOX N P, AIKEN J, BARNETT J J,etal.. Traceable radiometry underpinning terrestrial- and helio-studies (TRUTHS) [J].SPIE, 2003, 4881:395-407.

[9] 杨振岭, 方伟, 王凯, 等. 小视场绝对辐射计视场测量及修正项计算 [J]. 光学 精密工程, 2013, 21(4):870-875. YANG Z L, FANG W, WANG K,etal.. Field of view measurement and correction term calculation for small-field radiometer [J].Opt.PrecisionEng., 2013, 21(4):870-875. (in Chinese)

贾瑞栋(1989-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士，助理研究员，2014年于哈尔滨工程大学获得硕士学位，主要从事太阳辐射监测仪机械结构设计等方面的研究。

E-mail: 1016463342@qq.com王玉鹏(1972-)，男，山东沂水人，博士，副研究员，2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事空间遥感技术、精密太阳跟踪、太阳光谱及总辐射测量等方面的研究。

E-mail: wangyp@ciomp.ac.cn

Absolute Solar Spectral Irradiance Measurement and Its Calibration Monochromator

JIA Rui-dong, XIA Zhi-wei, WANG Yu-peng*, FANG Wei

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China) *CorrespondingAuthor,E-mail:wangyp@ciomp.ac.cn

In order to meet the demand of high precision of absolute solar spectral irradiance(ASSI) measurement, ASSI measurement and its calibration monochromator were researched. The present situation of ASSI measurement was introduced, and the project of the solar calibration monochromator (SCM) and the solar spectrometer with integrating sphere (SSIS) was emphatically recommended. The SCM and SSIM for ASSI measurement were designed. The absolute calibration of SCM was performed by the space cryogenic absolute radiometer (SCAR), and the measurement data of SSIS was made traceable to the international system of units (SI). The spectral range of SCM covers 300-2 400 nm, the spectral resolution is 3-10 nm, and the uncertainty of solar homochromy power is 0.2%-0.5%. The spectral range of SSIS covers 300-2 500 nm, the spectral resolution is 1-8 nm, and the highest accuracy of ASSI measurement is 0.5%. The results show that the SSIS calibrated by SCAR and SCM can achieve high precision ASSI measurement data.

monochromator; cryogenic radiometer; absolute measurement; space remote sensing

1000-7032(2017)08-1097-05

2017-03-22；

2017-05-26

国家自然科学基金(41474161); 863国家高技术研究发展计划 (2015AA123703) 资助项目 Supported by National Natural Science Foundation of China (41474161); 863 National High Technology Research and Development Program (2015AA123703)

TP73

A

10.3788/fgxb20173808.1097