太陽光譜輻照度絕對測量及其定標單色儀

賈瑞棟， 夏志偉， 王玉鵬， 方 偉

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

太陽光譜輻照度絕對測量及其定標單色儀

賈瑞棟， 夏志偉， 王玉鵬*， 方 偉

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

為滿足高精度太陽光譜輻照度絕對測量的需求，研制了太陽光譜輻照度絕對測量系統(tǒng)及其定標單色儀。介紹了太陽光譜輻照度絕對測量的現(xiàn)狀，并著重介紹了太陽定標單色儀和積分球太陽光譜儀的設計方案，以及高精度輻射定標傳遞鏈路。設計用于太陽光譜輻照度絕對測量的太陽定標單色儀和積分球太陽光譜儀，通過低溫絕對輻射計和太陽定標單色儀實現(xiàn)絕對定標，使積分球太陽光譜儀測量數(shù)據(jù)可溯源至國際基本單位(SI)。結(jié)果表明：太陽定標單色儀的光譜范圍覆蓋300～2 400 nm，光譜分辨率為3～10 nm，輸出單色太陽光功率的不確定度為0.2%～0.5%；積分球太陽光譜儀的光譜范圍覆蓋300～2 500 nm，光譜分辨率為1～8 nm，太陽光譜輻照度絕對測量精度最高可達0.5%。用低溫絕對輻射計和太陽定標單色儀絕對定標積分球太陽光譜儀，可以實現(xiàn)高精度太陽光譜輻照度的絕對測量。

單色儀； 低溫絕對輻射計； 絕對測量； 空間遙感

1 引 言

太陽是地球能源的主要來源，實現(xiàn)對太陽總輻照度和其光譜輻照度的高精度監(jiān)測對全球氣候變化、天氣預報、環(huán)境監(jiān)測等具有重要意義[1-2]。氣候研究專家指出：為滿足氣候研究的需求，太陽總輻照度和太陽光譜輻照度的不確定度應分別為0.01%(k=1)和0.1%(k=1)[3]。但是目前這些遙感數(shù)據(jù)的測量精度仍然偏低，例如，太陽光譜分光計(SOLSPEC)測量200～2 500 nm的平均太陽光譜輻射精度為3%(±2σ)[4]，遠遠不能滿足氣候研究所需要的0.1%精度。另外，在高精度測量太陽光譜輻照度的基礎上，構(gòu)建太陽光譜輻射標準，使不同遙感器測量的數(shù)據(jù)可相互比對乃至絕對定標，從而提高不同有效載荷之間的一致性，使不同年份、不同衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)具有可比性，建立多源遙感數(shù)據(jù)之間的物理聯(lián)系，對遙感數(shù)據(jù)的綜合應用具有重要意義[5]。

國際上在太陽光譜輻照度測量方面已經(jīng)做了許多的研究工作，如太陽光譜分光計(SOLSPEC)[6]、太陽輻射和氣候?qū)嶒?SORCE)[7]、可溯源的太陽和地球輻射基準研究(TRUTHS)[8]等。尤其值得提出的是TRUTHS項目，其系統(tǒng)包括光譜定標單色儀、低溫輻射計、太陽光譜輻照度監(jiān)測儀等。光譜定標單色儀的目的在于為TRUTHS提供一個連續(xù)單色光源，以光纖束輸出，并通過20 K低溫輻射計來測量，其輸出功率為1～35 μW(0.5 nm帶寬)，輸出功率的不確定度為0.2%。太陽光譜輻照度監(jiān)測儀采用20 K低溫定標系統(tǒng)定標后，其預期絕對測量精度約為0.2%[3]。

本文詳細闡述了所研制的用于太陽光譜絕對測量的太陽定標單色儀和積分球太陽光譜儀的組成、工作原理和技術(shù)參數(shù)，以及積分球太陽光譜儀的絕對定標的傳遞鏈路。

2 太陽光譜輻照度絕對測量儀器及輻射定標傳遞鏈路

2.1 20 K空間低溫絕對輻射計(SCAR)

定標系統(tǒng)由20 K空間低溫絕對輻射計和太陽定標單色儀組成，由太陽輻照度監(jiān)測儀實現(xiàn)太陽光譜輻照度的絕對測量。

20 K空間低溫絕對輻射計是太陽光譜輻照度絕對測量的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。低溫絕對輻射計主要由低溫系統(tǒng)和絕對輻射測量系統(tǒng)組成，其中絕對輻射測量系統(tǒng)由熱電式探測腔組成，可進行高精度的太陽光譜功率測量，并實現(xiàn)光譜輻射標準溯源至國際基本單位(SI)。

圖1 空間低溫絕對輻射計結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of the space cryogenic absolute radiometer

低溫絕對輻射計是工作在低溫下的電替代輻射計，其基本原理是以探測器上輻射功率和電功率的熱變換等效性進行測量。低溫環(huán)境大大降低了探測器熱噪聲、熱傳導、熱沉溫度漂移、電加熱絲歐姆損耗、光電等效性等對測量不利的影響，使低溫絕對輻射計的測量不確定度下降到極低的水平。且在低溫絕對輻射計中專門設計有測量太陽光譜輻照度的高響應度腔，并且能夠溯源到國際單位制，作為整個系統(tǒng)的基準探測器，絕對精度在10 μW～10 mW動態(tài)范圍內(nèi)為0.5%～0.2%。

絕對輻射計的電替代測量是用可精確測量的電功率復現(xiàn)吸收腔吸收光功率產(chǎn)生的溫度升高實現(xiàn)輻射功率測量。當測量到電功率Pe產(chǎn)生的溫度變化與被測光功率相同，則被測的光功率Pl為

(1)

其中T為光學窗口透過率，N為光電不等效系數(shù)，

圖2 激光功率測量結(jié)果

A為黑體腔吸收率，Pb為背景噪聲。

使用空間低溫輻射計原理樣機對632.8 nm波長的激光功率進行測量，結(jié)果如圖2所示，不同激光功率的相對測量精度為0.02%。

2.2 積分球太陽光譜儀(SSIS)

積分球太陽光譜儀(SSIS)可實現(xiàn)太陽光譜輻照度的高光譜分辨率快速測量，其原理光路如圖3所示。太陽光經(jīng)積分球后分別進入3個攝譜儀的入射狹縫，經(jīng)準直反射鏡準直為平行光后，照射到平面衍射光柵上，經(jīng)光柵衍射分光，不同波長的入射光經(jīng)光柵衍射后的出射光線的角度各不相同，最后由成像反射鏡成像到接收探測器上。不同波長的光線成像于探測器的不同位置的探測單元上，從而實現(xiàn)了光譜的波長和強度的測量。探測器把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，然后由電子學系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理。

積分球太陽光譜儀的技術(shù)參數(shù)如表1所示。由于光譜范圍較寬，SSIS分為3個測量通道，共用一個直徑80 mm的積分球，3個狹縫開口分別位于積分球側(cè)面的3個不同位置，如圖3所示。

表1 積分球太陽光譜儀參數(shù)

圖3 積分球太陽光譜儀原理光路

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

為保證積分球太陽光譜儀的在軌測量精度及長期穩(wěn)定性，運行期間需要定期進行在軌定標，并實現(xiàn)太陽光譜輻照度的絕對測量(可溯源至SI)。定標過程如圖4所示：(1)太陽定標單色儀(SCM)以太陽為光源，通過濾光片單色儀獲得單色太陽光輻射，并以光纖輸出；(2)用低溫絕對輻射計高響應度光譜腔對單色太陽光輻射功率進行測量；(3)利用光纖移動定位機構(gòu)，將光纖切換到SSIS的積分球入口，使其輸出的單色太陽光輻射完全進入；(4)用標定過的單色光功率定標SSIS。

圖4 積分球太陽光譜儀定標過程

Fig.4 Process of the solar spectral radiation monitor calibration

3 太陽定標單色儀(SCM)

由于空間低溫絕對輻射計測量動態(tài)范圍的限制，其最小可探測功率和高精度的測量要求導致對太陽定標單色儀出射的單色光的功率有較高的要求(>10 μW)。為提高單色儀輸出光功率，采用大有效口徑的窄帶濾光片作為分光元件。

太陽定標單色儀(SCM)以太陽光為光源，經(jīng)窄帶濾光片上濾光后形成單色光，再經(jīng)光學系統(tǒng)將單色光會聚后耦合到光纖內(nèi)進行傳輸并輸出，其結(jié)構(gòu)和原理光路如圖5和圖6所示。這里采用的濾光片的直徑為25 mm，會聚鏡為離軸拋物面反射鏡，光纖由19根纖芯內(nèi)徑為550 μm、外徑為600 μm、長度均為1 m的單根光纖圓形排列而成，光纖數(shù)值孔徑為0.22。該裝置的特點是有效口徑大、各通道中心波長處的光能量損耗小、系統(tǒng)透過率高，能滿足低溫絕對輻射計黑體腔實現(xiàn)高精度測量的最小功率(>10 μW)要求。

圖5 太陽定標單色儀結(jié)構(gòu)

在工作過程中，多片濾光片層疊分布在濾光片預備通道中，根據(jù)定標需求波段，利用升降控制電機、升降軸和濾光片轉(zhuǎn)換套筒選取合適的濾光片，通過轉(zhuǎn)動控制電機將該濾光片轉(zhuǎn)動到濾光片工作通道中。切換濾光片時，可先利用轉(zhuǎn)動控制電機將工作濾光片轉(zhuǎn)回預備通道中，再重復濾光片選取過程。

圖6 太陽定標單色儀原理光路

Fig.6 Basic optical path of the calibration monochromator

太陽光在300～2 400 nm內(nèi)的光譜輻照度曲線如圖7所示。一般根據(jù)太陽光譜輻照度變化的快慢程度來選擇各通道濾光片的波長，在300～2 400 nm光譜范圍內(nèi)選取15個波長，其中心波長、光譜半高寬和最大透過率等參數(shù)如表2所示。

在300～2 400 nm光譜范圍內(nèi)，由太陽光譜輻照度值和濾光片的光譜透過率可得到光纖預期的光譜輸出功率，如圖8所示。該光譜輸出功率明顯大于TRUTHS的光譜定標單色儀輸出，即在D=25mm的情況下，最小輸出光功率為13μW(300nm處)。且采用20K低溫絕對輻射計的高響應度腔測量，可以確保太陽定標單色儀的輸出功率的絕對精度達到0.2%～0.5%。

采用100W鹵鎢燈經(jīng)F數(shù)為5的準直鏡準直后，垂直入射到SCM的入口處，出射光入射到帶積分球的探測器，得到光纖出射功率如圖9所示。

圖7 太陽光譜輻照度(300～2 400 nm)

通道中心波長/nm半高寬/nm透過率/%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

圖8 通過SCM和光纖的光譜輻射能量

Fig.8 Spectral radiation power after though SCM and fiber

圖9 鹵鎢燈光源通過SCM和光纖的光譜輻射能量

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

該在軌定標過程由太陽定標單色儀提供高質(zhì)量的單色光源，以低溫絕對輻射計為主基準探測器，克服了以往與傳感器增益漂移有關(guān)的不確定度影響；采用高精度輻射計量數(shù)據(jù)定標，保證了SSIS的可溯源至SI。太陽定標單色儀的輸出單色光功率的絕對精度為0.2%～0.5%，考慮到其通道數(shù)的有限性(本例中為15個)帶來的插值誤差和其他不確定因素，如光纖移動、電信號輸出響應、視場[9]等，該過程的定標精度為0.3%。

4 結(jié) 論

本文研制的太陽光譜輻照度絕對測量及其定標單色儀，采用300～2 400 nm太陽光為光源，并以低溫絕對輻射計為主基準，可選擇輸出15個波長的單色光輻射(絕對精度為0.2%～0.5%)，實現(xiàn)積分球太陽光譜儀的高精度絕對定標，測量數(shù)據(jù)的絕對精度最高可達0.5%，且可溯源至SI，對提高空間絕對輻射測量精度具有重要意義，為建立我國獨立自主的空間輻射定標基準提供了理論與實驗基礎。

[1] 楊東軍, 方偉, 葉新, 等. 星載太陽輻射監(jiān)測儀的高精度太陽跟蹤 [J]. 光學 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] 王玉鵬, 方偉, 弓成虎, 等. 雙錐腔互補償型絕對輻射計 [J]. 光學 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, 顧行發(fā), 余濤, 等. 星載光學遙感器可見近紅外通道輻射定標研究進展 [J]. 遙感信息, 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] 楊振嶺, 方偉, 王凱, 等. 小視場絕對輻射計視場測量及修正項計算 [J]. 光學 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)

賈瑞棟(1989-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，助理研究員，2014年于哈爾濱工程大學獲得碩士學位，主要從事太陽輻射監(jiān)測儀機械結(jié)構(gòu)設計等方面的研究。

E-mail: 1016463342@qq.com王玉鵬(1972-)，男，山東沂水人，博士，副研究員，2008年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事空間遙感技術(shù)、精密太陽跟蹤、太陽光譜及總輻射測量等方面的研究。

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

國家自然科學基金(41474161); 863國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (2015AA123703) 資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China (41474161); 863 National High Technology Research and Development Program (2015AA123703)

TP73

A

10.3788/fgxb20173808.1097