用于多波段激光大气透过率测量的太阳辐射计

李建玉,刘 庆,徐文清,黄宏华,朱文越

(中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031)

1 引 言

当前，获取激光波段大气透过率的主要方法之一是利用LOWTRAN，MODTRAN，PcModWin，FASCODE等大气辐射传输计算软件包，依据所处地域的气象特点及天气因素选择特定的模式进行模拟计算[1-4]。这些软件包利用经过统计得到的经验公式来反演当前大气的光学传输特性，但需要实时确定大气气溶胶的组成、谱分布、总含量及温度、湿度等气象参数。我国幅员辽阔，周边海域广阔，不同地区的地理条件差异非常明显，大气条件同样千差万别，因此，在计算大气光学透过率的实时性和测量精度方面存在一定的缺陷。另外一个方法是以激光为光源的主动式探测技术[5-7]，若一端发射，另一端接收，仅能得到近地层大气透过率，很难得到斜程大气透过率；或是利用后向散射的单端法，如激光雷达，但其探测距离有限，成本较高，且一台激光器仅能用于实测某一特定激光波段的大气透过率。还有一种被动式的光学外差辐射计系统，利用太阳光和红外激光在非线性探测器中的光学混频，实现中红外波段整层大气透过率的高分辨率实时测量[8-9]。这种激光外差光谱测量技术能得到非常高的光谱分辨率(λ/Δλ>106)，并能精确控制与激光波长有关的测量波长，但其固有困难之一是需要稳频的本机振荡器，实验中激光器太靠近探测电子学装置，且该系统涉及多个光学器件，结构复杂，一个激光器仅能测量单一激光波段，成本较高。因此，需要寻求一种低成本、高时效，并能同时获取多个波段激光大气透过率的方法。

以太阳为光源的太阳辐射计成本低、测量波段多，是目前地基遥感探测大气透过率、气溶胶和水汽总量的一种常用的监测手段[10-11]。它不仅广泛应用于大气探测、环境检测、气候变化监测等，也是卫星遥感大气订正、定标与可靠性检验的重要工具[12-14]。本文研制了一台可用于多个近红外激光波段大气透过率测量的新型太阳辐射计，通过多个激光波段窄带滤光片的直接辐射测量，再依据实验室自主研发的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法[15]，进而得到多个激光波段的大气透过率，可弥补大气光学透过率软件包和激光雷达获取激光波段大气透过率的不足。该方法可用于激光探测、激光测距、激光制导、激光通信等激光工程应用中。

2 多激光波段测量太阳辐射计的研制

2.1 硬件整体设计

多激光波段测量近红外太阳辐射计主要由上位机、底座和光学跟踪系统组成。上位机主要用于通信控制和数据处理存储显示。底座内装有供电模块、电机驱动器、恒温控制器和采集控制电路等。光学跟踪系统有四象限精跟踪探测系统、三路旋转机构和太阳光谱信号探测单元组成。图1给出了该系统的硬件组成总体框图。

图1 近红外太阳辐射计的硬件组成框图Fig.1 Hardware block diagram of infrared solar radiometer

其中：

(1)上位机即计算机，完成数据的处理和存储，并实时进行波形信号的显示；

(2)RS422作为串口实现上位机与单片机控制系统之间的数据通信；

(3)AVR单片机采集控制系统参与太阳的追踪、数据采集控制、温控和通讯等功能；

(4)多路信号程控放大采集系统实现早中晚宽动态范围的四个象限和不同光谱光强信号的采集；

(5)三路旋转机构中俯仰和水平机构分别实现探头的俯仰和水平旋转，另外一路负责旋转7个波段的滤光片；

(6)四象限精跟踪探测系统采用小孔成像原理，使用四象限探测器加燕尾槽机构，轻松实现跟踪光轴与测量光轴的平行调整，并将太阳光强信号转换为电压信号后，通过检测各象限电压信号的差值从而驱动探头自动精准跟踪太阳；

(7)太阳光谱信号探测单元实现太阳的近红外不同光谱信号由光强信号到电信号的转换；

(8)温度控制系统保证探测器在恒温环境下工作，提高信号处理的精度，减少温漂对测量信号的影响。

2.2 光学测量探头设计

以改进现阶段获取激光波段大气透过率方法的不足为目的，要同时获取近红外激光波段(1.064，1.315，1.54 μm)的大气透过率，需选取0.8～1.7 μm波段的铟镓砷探测器。太阳平行光经透镜聚焦后再经一定带宽滤光片滤波后入射到铟镓砷探测器的感光面，探测器输出的电信号再经程控放大采集处理后进行存储，得到与光强成正比的电压信号，该电压信号即近红外不同激光波段太阳光强的变化信号。由衰减片、光阑、组合透镜组成的光接收系统要满足32′的太阳视场，考虑跟踪精度设计视场为1°，既能让太阳光斑完全进入视场内，又能保证1°视场外的杂散光不能进入，设计了消色差的双胶合透镜，焦距f=136 mm，太阳光斑大小约为1.26 mm，选择探测器感光面不小于2.5 mm，既能让太阳光斑完全进入探测器感光面，又有足够余量用于调节燕尾槽来实现测量光筒和跟踪光筒光轴的平行度，设计的光学测量探头如图2所示。

图2 光学测量探头剖视图Fig.2 Cutaway view of optical equipment probe

2.3 总体工作流程

太阳辐射计的工作流程如图3所示。工控机的控制软件发送命令给采集控制系统，通过光电开关零位检测找到水平和俯仰零位后控制二维旋转转台回到正南和水平初始位置，根据天文视日轨迹粗跟踪方法使多激光波段测量探头指向太阳，并启动四象限精跟踪，使探头精确对准太阳。太阳平行光经测量光筒内的防尘窗口、消杂散光光阑和消色差透镜聚焦后，通过一定带宽滤光片滤波后入射到近红外探测器的感光面，探测器输出的与光强成正比的电信号经AD采集处理后，经串口通信传送给工控机进行处理和存储。通过滤光片转盘旋转，可将7个波段和背景信号进行存储和显示。循环跟踪和采集，可得到全天时间序列变化0.8～1.7 μm中0.87，0.94，1.05，1.064，1.31，1.54，1.62 μm 共7个近红外波段与太阳直接辐射成正比的电信号，对测量的各波段电信号采用Langley法和改进的Langley法进行相对定标得到该仪器的定标值，进而根据实验室自主研发的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法[15]，可实测得到近红外多波段激光大气透过率。

图3 近红外太阳辐射计的工作流程Fig.3 Workflow of infrared solar radiometer

2.4 软件设计

为近红外多波段激光大气透过率测量太阳辐射计开发的软件有上位机控制软件和下位机系统运行程序两部分组成。上位机控制软件安装于上位机主控系统中进行仪器控制和数据接收，通过串口通讯完成仪器的主从式控制。图4给出了太阳辐射计的软件主界面(图4(a)中，上图显示各波段原始信号，下图显示各波段透过率及水汽总量)及其数据批处理和定标对话框。该软件作为仪器的控制软件和人机交互接口，用于引导和控

图4 太阳辐射计的软件界面Fig.4 Software interface of solar radiometer

制太阳辐射计进行太阳直接辐射测量的整个过程，同时实时处理和显示测量结果，生成测量数据文件，便于浏览和直接分析。下位单片机系统运行程序作为太阳辐射计的硬件监控与管理程序，开发环境为AVR Studio，所用编程语言为C语言。

2.5 仪器定标结果

选择晴朗无云天气，对该仪器进行了Langley法和改进的Langley法定标，定标结果如图5所示。对于有水汽吸收较多的1.31 μm波段，采用与0.94 μm波段一样的改进的Langley法进行定标[16-17]，由图可见该天各波段的定标结果相关性都在0.99以上，标准偏差也很小，适于定标。

图5 太阳辐射计定标结果Fig.5 Results for solar radiometer calibration

2.6 仪器性能指标

最终研制的近红外多激光波段测量ISP02型太阳辐射计实物图如图6所示，仪器的性能指标如表1 所示。

表1ISP02型太阳辐射计的性能指标

Tab.1 Performance index of ISP02 infrared sun-photometer

性能指标测量中心波长/μm0.87,0.94,1.05,1.064,1.31,1.54,1.62接收视场角/(°)1半高带宽/μm(0.87,0.94,1.05,1.064)@10 nm,(1.31,1.54,1.62)@12 nm跟踪精度/(')±1透过率测量精度优于10%水汽总量测量精度优于15%温控误差/℃40±0.5工作环境温度/℃-30～55

3 试验验证和误差分析

将研制的0.8～1.7 μm近红外多激光波段测量ISP02型太阳辐射计与日本SKYNET网通用的POM02型太阳辐射计在合肥开展对比试验。由于POM02型太阳辐射计无直接测量的激光波段，采用外推法获取激光波段大气透过率[18]。

3.1 非激光波段透过率的对比

图7分别给出了ISP02型太阳辐射计在合肥地区6月6日、6月7日、6月11日和6月12日4天0.87 μm和1.62 μm透过率与POM02型太阳辐射计对应波段的对比结果。从图中可以看出，两台仪器在同一天测得的透过率的变化趋势基本一致，0.87 μm透过率均方根误差均小于1%，1.62 μm透过率均方根误差均小于5%(彩图见期刊电子版)。

图7 POM02型和ISP02型太阳辐射计在0.87 μm和1.62 μm透过率的对比Fig.7 Comparison of transmittance at 0.87 μm and 1.62 μm between POM02 sun-photometer and ISP02 sun-photometer

3.2 0.94 μm反演的水汽总量的对比

图8给出了ISP02型太阳辐射计在合肥地区4天水汽总量与POM02型太阳辐射计测量的水汽总量的对比结果。从图中可以看出，两台仪器水汽总量在同一天的变化趋势基本一致，以POM02型太阳辐射计测量的水汽总量为基准，平均相对误差都小于7%。

图8 ISP02型与POM02型太阳辐射计测量的水汽总量对比Fig.8 Comparison of total water vapor between ISP02 sun-photometer and POM02 sun-photometer

3.3 实测各激光波段透过率与POM02型太阳辐射计的外推结果对比

图9分别给出了ISP02型太阳辐射计在合肥地区采用实测法[15]提取的1.064，1.315，1.54 μm透过率与POM02型太阳辐射计采用外推法[18]获取的透过率对比结果。从图中可以看出，两台仪器各激光波段透过率在同一天的变化趋势非常一致，1.064 μm透过率均方根误差均小于1%，1.315 μm透过率均方根误差均小于6%，1.54 μm透过率均方根误差均小于2%。

3.4 ISP02和POM02两台太阳辐射计外推的3.78 μm透过率对比

图10给出了ISP02型太阳辐射计和POM02型太阳辐射计在合肥地区采用外推法提取的3.78 μm透过率对比结果。从图中可以看出，两台仪器3.78 μm透过率在同一天的变化趋势基本一致，3.78 μm透过率均方根误差均小于5%。

图9 ISP02实测的1.064，1.315，1.54 μm波段透过率与POM02型太阳辐射计外推结果对比Fig.9 Comparison of measured transmittances at 1.064,1.315 and 1.54 μm by ISP02 sun-photometer with extrapolated results by POM02 sun-photometer

图10 两个太阳辐射计外推的3.78 μm透过率对比Fig.10 Comparison of transmittance at 3.78 μm extrapolated by ISP02 sun-potometer with the result by POM02 sun-photometer

综上对比试验和误差分析，ISP02型太阳辐射计的测量结果可靠，仪器运行稳定，采用实测法获取的多个激光波段透过率测量误差都在10%以内。

3.5 实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比

将ISP02型太阳辐射计11月和12月在外场试验1.31 μm波段实测提取的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件CLAP[19]依据实测大气参数模式计算的1.315 μm透过率进行对比和误差分析，结果如图11所示。

由图11可见，ISP02型太阳辐射计实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件CLAP的计算结果对比，误差均小于2%，且变化趋势一致性也很好，表明多激光波段测量ISP02型太阳辐射计的测量结果具有一定的可靠性。

图11 ISP02型太阳辐射计实测的1.315 μm透过率与激光传输评估软件计算结果的对比Fig.11 Comparison of transmittance at 1.315 μm measured by ISP02 sun-photometer with results calculated by laser atmospheric transmission assessment software

3.6 外场试验1.315 μm波段透过率统计结果

图12给出了该外场试验地区9月份和11月低到12月中旬试验期间每天晴朗时间段1.315 μm波段透过率的平均值统计，图13是两个试验期间晴朗时间段所有数据的频率分布。由图12可见，该地区9月到12月份1.315 μm波段透过率白天晴朗天气状况下取值70%～91%，9月份透过率波动明显比11月和12月大，且透过率值也小于11月和12月。从图13频率分布可见，初秋该地区频率分布呈多个峰值点，而进入冬季，仅单个峰值点，表明由秋季进入冬季，该地区透过率明显变好，大气清洁且稳定。

图12 晴朗时间段1.315 μm波段透过率均值统计Fig.12 Statistic of 1.315 μm transmittances in sunny days

图13 晴朗时间段1.315 μm透过率频率分布

4 结 论

本文研制了可用于近红外多激光波段大气透过率测量的近红外型太阳辐射计，对仪器的硬件系统、光学系统、工作流程及其软件进行了较为详细的介绍，并给出了该仪器能实现的性能指标，最终实现0.8～1.7 μm内0.87，0.94，1.05，1.064，1.31，1.54，1.62 μm等7个波段信号的测量。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法，最终得到1.064，1.315，1.54和3.78 μm这4个近中红外波段的激光大气透过率。该仪器根据实测的宽波段提取的1.064，1.315，1.54 μm透过率与POM02外推的激光大气透过率的对比误差都小于6%，两台仪器外推的3.78 μm透过率的对比误差都小于5%；并将秋冬季节外场试验得到的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件CLAP依据实测大气参数模式计算的透过率进行对比，误差小于2%。由此表明，ISP02型近红外太阳辐射计的测量结果可靠。最后，利用该仪器得到外场试验时1.315 μm透过率的统计结果，该仪器获取的近红外激光大气透过率对实际大气中的激光应用具有参考价值。