用于多波段激光大氣透過(guò)率測(cè)量的太陽(yáng)輻射計(jì)

李建玉,劉 慶,徐文清,黃宏華,朱文越

(中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

1 引 言

當(dāng)前，獲取激光波段大氣透過(guò)率的主要方法之一是利用LOWTRAN，MODTRAN，PcModWin，F(xiàn)ASCODE等大氣輻射傳輸計(jì)算軟件包，依據(jù)所處地域的氣象特點(diǎn)及天氣因素選擇特定的模式進(jìn)行模擬計(jì)算[1-4]。這些軟件包利用經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)反演當(dāng)前大氣的光學(xué)傳輸特性，但需要實(shí)時(shí)確定大氣氣溶膠的組成、譜分布、總含量及溫度、濕度等氣象參數(shù)。我國(guó)幅員遼闊，周邊海域廣闊，不同地區(qū)的地理?xiàng)l件差異非常明顯，大氣條件同樣千差萬(wàn)別，因此，在計(jì)算大氣光學(xué)透過(guò)率的實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度方面存在一定的缺陷。另外一個(gè)方法是以激光為光源的主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)[5-7]，若一端發(fā)射，另一端接收，僅能得到近地層大氣透過(guò)率，很難得到斜程大氣透過(guò)率；或是利用后向散射的單端法，如激光雷達(dá)，但其探測(cè)距離有限，成本較高，且一臺(tái)激光器僅能用于實(shí)測(cè)某一特定激光波段的大氣透過(guò)率。還有一種被動(dòng)式的光學(xué)外差輻射計(jì)系統(tǒng)，利用太陽(yáng)光和紅外激光在非線性探測(cè)器中的光學(xué)混頻，實(shí)現(xiàn)中紅外波段整層大氣透過(guò)率的高分辨率實(shí)時(shí)測(cè)量[8-9]。這種激光外差光譜測(cè)量技術(shù)能得到非常高的光譜分辨率(λ/Δλ>106)，并能精確控制與激光波長(zhǎng)有關(guān)的測(cè)量波長(zhǎng)，但其固有困難之一是需要穩(wěn)頻的本機(jī)振蕩器，實(shí)驗(yàn)中激光器太靠近探測(cè)電子學(xué)裝置，且該系統(tǒng)涉及多個(gè)光學(xué)器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)激光器僅能測(cè)量單一激光波段，成本較高。因此，需要尋求一種低成本、高時(shí)效，并能同時(shí)獲取多個(gè)波段激光大氣透過(guò)率的方法。

以太陽(yáng)為光源的太陽(yáng)輻射計(jì)成本低、測(cè)量波段多，是目前地基遙感探測(cè)大氣透過(guò)率、氣溶膠和水汽總量的一種常用的監(jiān)測(cè)手段[10-11]。它不僅廣泛應(yīng)用于大氣探測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、氣候變化監(jiān)測(cè)等，也是衛(wèi)星遙感大氣訂正、定標(biāo)與可靠性檢驗(yàn)的重要工具[12-14]。本文研制了一臺(tái)可用于多個(gè)近紅外激光波段大氣透過(guò)率測(cè)量的新型太陽(yáng)輻射計(jì)，通過(guò)多個(gè)激光波段窄帶濾光片的直接輻射測(cè)量，再依據(jù)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的基于太陽(yáng)寬譜直接輻射測(cè)量獲取激光波段大氣透過(guò)率的方法[15]，進(jìn)而得到多個(gè)激光波段的大氣透過(guò)率，可彌補(bǔ)大氣光學(xué)透過(guò)率軟件包和激光雷達(dá)獲取激光波段大氣透過(guò)率的不足。該方法可用于激光探測(cè)、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光通信等激光工程應(yīng)用中。

2 多激光波段測(cè)量太陽(yáng)輻射計(jì)的研制

2.1 硬件整體設(shè)計(jì)

多激光波段測(cè)量近紅外太陽(yáng)輻射計(jì)主要由上位機(jī)、底座和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)組成。上位機(jī)主要用于通信控制和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)顯示。底座內(nèi)裝有供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、恒溫控制器和采集控制電路等。光學(xué)跟蹤系統(tǒng)有四象限精跟蹤探測(cè)系統(tǒng)、三路旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)光譜信號(hào)探測(cè)單元組成。圖1給出了該系統(tǒng)的硬件組成總體框圖。

圖1 近紅外太陽(yáng)輻射計(jì)的硬件組成框圖Fig.1 Hardware block diagram of infrared solar radiometer

其中：

(1)上位機(jī)即計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行波形信號(hào)的顯示；

(2)RS422作為串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；

(3)AVR單片機(jī)采集控制系統(tǒng)參與太陽(yáng)的追蹤、數(shù)據(jù)采集控制、溫控和通訊等功能；

(4)多路信號(hào)程控放大采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)早中晚寬動(dòng)態(tài)范圍的四個(gè)象限和不同光譜光強(qiáng)信號(hào)的采集；

(5)三路旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中俯仰和水平機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)探頭的俯仰和水平旋轉(zhuǎn)，另外一路負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)7個(gè)波段的濾光片；

(6)四象限精跟蹤探測(cè)系統(tǒng)采用小孔成像原理，使用四象限探測(cè)器加燕尾槽機(jī)構(gòu)，輕松實(shí)現(xiàn)跟蹤光軸與測(cè)量光軸的平行調(diào)整，并將太陽(yáng)光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，通過(guò)檢測(cè)各象限電壓信號(hào)的差值從而驅(qū)動(dòng)探頭自動(dòng)精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)；

(7)太陽(yáng)光譜信號(hào)探測(cè)單元實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的近紅外不同光譜信號(hào)由光強(qiáng)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

(8)溫度控制系統(tǒng)保證探測(cè)器在恒溫環(huán)境下工作，提高信號(hào)處理的精度，減少溫漂對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。

2.2 光學(xué)測(cè)量探頭設(shè)計(jì)

以改進(jìn)現(xiàn)階段獲取激光波段大氣透過(guò)率方法的不足為目的，要同時(shí)獲取近紅外激光波段(1.064，1.315，1.54 μm)的大氣透過(guò)率，需選取0.8～1.7 μm波段的銦鎵砷探測(cè)器。太陽(yáng)平行光經(jīng)透鏡聚焦后再經(jīng)一定帶寬濾光片濾波后入射到銦鎵砷探測(cè)器的感光面，探測(cè)器輸出的電信號(hào)再經(jīng)程控放大采集處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)即近紅外不同激光波段太陽(yáng)光強(qiáng)的變化信號(hào)。由衰減片、光闌、組合透鏡組成的光接收系統(tǒng)要滿足32′的太陽(yáng)視場(chǎng)，考慮跟蹤精度設(shè)計(jì)視場(chǎng)為1°，既能讓太陽(yáng)光斑完全進(jìn)入視場(chǎng)內(nèi)，又能保證1°視場(chǎng)外的雜散光不能進(jìn)入，設(shè)計(jì)了消色差的雙膠合透鏡，焦距f=136 mm，太陽(yáng)光斑大小約為1.26 mm，選擇探測(cè)器感光面不小于2.5 mm，既能讓太陽(yáng)光斑完全進(jìn)入探測(cè)器感光面，又有足夠余量用于調(diào)節(jié)燕尾槽來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量光筒和跟蹤光筒光軸的平行度，設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)量探頭如圖2所示。

圖2 光學(xué)測(cè)量探頭剖視圖Fig.2 Cutaway view of optical equipment probe

2.3 總體工作流程

太陽(yáng)輻射計(jì)的工作流程如圖3所示。工控機(jī)的控制軟件發(fā)送命令給采集控制系統(tǒng)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)零位檢測(cè)找到水平和俯仰零位后控制二維旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)回到正南和水平初始位置，根據(jù)天文視日軌跡粗跟蹤方法使多激光波段測(cè)量探頭指向太陽(yáng)，并啟動(dòng)四象限精跟蹤，使探頭精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。太陽(yáng)平行光經(jīng)測(cè)量光筒內(nèi)的防塵窗口、消雜散光光闌和消色差透鏡聚焦后，通過(guò)一定帶寬濾光片濾波后入射到近紅外探測(cè)器的感光面，探測(cè)器輸出的與光強(qiáng)成正比的電信號(hào)經(jīng)AD采集處理后，經(jīng)串口通信傳送給工控機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。通過(guò)濾光片轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，可將7個(gè)波段和背景信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。循環(huán)跟蹤和采集，可得到全天時(shí)間序列變化0.8～1.7 μm中0.87，0.94，1.05，1.064，1.31，1.54，1.62 μm 共7個(gè)近紅外波段與太陽(yáng)直接輻射成正比的電信號(hào)，對(duì)測(cè)量的各波段電信號(hào)采用Langley法和改進(jìn)的Langley法進(jìn)行相對(duì)定標(biāo)得到該儀器的定標(biāo)值，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的基于太陽(yáng)寬譜直接輻射測(cè)量獲取激光波段大氣透過(guò)率的方法[15]，可實(shí)測(cè)得到近紅外多波段激光大氣透過(guò)率。

圖3 近紅外太陽(yáng)輻射計(jì)的工作流程Fig.3 Workflow of infrared solar radiometer

2.4 軟件設(shè)計(jì)

為近紅外多波段激光大氣透過(guò)率測(cè)量太陽(yáng)輻射計(jì)開(kāi)發(fā)的軟件有上位機(jī)控制軟件和下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行程序兩部分組成。上位機(jī)控制軟件安裝于上位機(jī)主控系統(tǒng)中進(jìn)行儀器控制和數(shù)據(jù)接收，通過(guò)串口通訊完成儀器的主從式控制。圖4給出了太陽(yáng)輻射計(jì)的軟件主界面(圖4(a)中，上圖顯示各波段原始信號(hào)，下圖顯示各波段透過(guò)率及水汽總量)及其數(shù)據(jù)批處理和定標(biāo)對(duì)話框。該軟件作為儀器的控制軟件和人機(jī)交互接口，用于引導(dǎo)和控

圖4 太陽(yáng)輻射計(jì)的軟件界面Fig.4 Software interface of solar radiometer

制太陽(yáng)輻射計(jì)進(jìn)行太陽(yáng)直接輻射測(cè)量的整個(gè)過(guò)程，同時(shí)實(shí)時(shí)處理和顯示測(cè)量結(jié)果，生成測(cè)量數(shù)據(jù)文件，便于瀏覽和直接分析。下位單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行程序作為太陽(yáng)輻射計(jì)的硬件監(jiān)控與管理程序，開(kāi)發(fā)環(huán)境為AVR Studio，所用編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。

2.5 儀器定標(biāo)結(jié)果

選擇晴朗無(wú)云天氣，對(duì)該儀器進(jìn)行了Langley法和改進(jìn)的Langley法定標(biāo)，定標(biāo)結(jié)果如圖5所示。對(duì)于有水汽吸收較多的1.31 μm波段，采用與0.94 μm波段一樣的改進(jìn)的Langley法進(jìn)行定標(biāo)[16-17]，由圖可見(jiàn)該天各波段的定標(biāo)結(jié)果相關(guān)性都在0.99以上，標(biāo)準(zhǔn)偏差也很小，適于定標(biāo)。

圖5 太陽(yáng)輻射計(jì)定標(biāo)結(jié)果Fig.5 Results for solar radiometer calibration

2.6 儀器性能指標(biāo)

最終研制的近紅外多激光波段測(cè)量ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)實(shí)物圖如圖6所示，儀器的性能指標(biāo)如表1 所示。

表1ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)的性能指標(biāo)

Tab.1 Performance index of ISP02 infrared sun-photometer

性能指標(biāo)測(cè)量中心波長(zhǎng)/μm0.87,0.94,1.05,1.064,1.31,1.54,1.62接收視場(chǎng)角/(°)1半高帶寬/μm(0.87,0.94,1.05,1.064)@10 nm,(1.31,1.54,1.62)@12 nm跟蹤精度/(')±1透過(guò)率測(cè)量精度優(yōu)于10%水汽總量測(cè)量精度優(yōu)于15%溫控誤差/℃40±0.5工作環(huán)境溫度/℃-30～55

3 試驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析

將研制的0.8～1.7 μm近紅外多激光波段測(cè)量ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)與日本SKYNET網(wǎng)通用的POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)在合肥開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)。由于POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)無(wú)直接測(cè)量的激光波段，采用外推法獲取激光波段大氣透過(guò)率[18]。

3.1 非激光波段透過(guò)率的對(duì)比

圖7分別給出了ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)在合肥地區(qū)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透過(guò)率與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)對(duì)應(yīng)波段的對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，兩臺(tái)儀器在同一天測(cè)得的透過(guò)率的變化趨勢(shì)基本一致，0.87 μm透過(guò)率均方根誤差均小于1%，1.62 μm透過(guò)率均方根誤差均小于5%(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。

圖7 POM02型和ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)在0.87 μm和1.62 μm透過(guò)率的對(duì)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反演的水汽總量的對(duì)比

圖8給出了ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)在合肥地區(qū)4天水汽總量與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)測(cè)量的水汽總量的對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，兩臺(tái)儀器水汽總量在同一天的變化趨勢(shì)基本一致，以POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)測(cè)量的水汽總量為基準(zhǔn)，平均相對(duì)誤差都小于7%。

圖8 ISP02型與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)測(cè)量的水汽總量對(duì)比Fig.8 Comparison of total water vapor between ISP02 sun-photometer and POM02 sun-photometer

3.3 實(shí)測(cè)各激光波段透過(guò)率與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)的外推結(jié)果對(duì)比

圖9分別給出了ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)在合肥地區(qū)采用實(shí)測(cè)法[15]提取的1.064，1.315，1.54 μm透過(guò)率與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)采用外推法[18]獲取的透過(guò)率對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，兩臺(tái)儀器各激光波段透過(guò)率在同一天的變化趨勢(shì)非常一致，1.064 μm透過(guò)率均方根誤差均小于1%，1.315 μm透過(guò)率均方根誤差均小于6%，1.54 μm透過(guò)率均方根誤差均小于2%。

3.4 ISP02和POM02兩臺(tái)太陽(yáng)輻射計(jì)外推的3.78 μm透過(guò)率對(duì)比

圖10給出了ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)和POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)在合肥地區(qū)采用外推法提取的3.78 μm透過(guò)率對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，兩臺(tái)儀器3.78 μm透過(guò)率在同一天的變化趨勢(shì)基本一致，3.78 μm透過(guò)率均方根誤差均小于5%。

圖9 ISP02實(shí)測(cè)的1.064，1.315，1.54 μm波段透過(guò)率與POM02型太陽(yáng)輻射計(jì)外推結(jié)果對(duì)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

圖10 兩個(gè)太陽(yáng)輻射計(jì)外推的3.78 μm透過(guò)率對(duì)比Fig.10 Comparison of transmittance at 3.78 μm extrapolated by ISP02 sun-potometer with the result by POM02 sun-photometer

綜上對(duì)比試驗(yàn)和誤差分析，ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果可靠，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，采用實(shí)測(cè)法獲取的多個(gè)激光波段透過(guò)率測(cè)量誤差都在10%以內(nèi)。

3.5 實(shí)測(cè)的1.315 μm透過(guò)率與激光大氣傳輸評(píng)估軟件對(duì)比

將ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)11月和12月在外場(chǎng)試驗(yàn)1.31 μm波段實(shí)測(cè)提取的1.315 μm透過(guò)率與激光大氣傳輸評(píng)估軟件CLAP[19]依據(jù)實(shí)測(cè)大氣參數(shù)模式計(jì)算的1.315 μm透過(guò)率進(jìn)行對(duì)比和誤差分析，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可見(jiàn)，ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)實(shí)測(cè)的1.315 μm透過(guò)率與激光大氣傳輸評(píng)估軟件CLAP的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，誤差均小于2%，且變化趨勢(shì)一致性也很好，表明多激光波段測(cè)量ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果具有一定的可靠性。

圖11 ISP02型太陽(yáng)輻射計(jì)實(shí)測(cè)的1.315 μm透過(guò)率與激光傳輸評(píng)估軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)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 外場(chǎng)試驗(yàn)1.315 μm波段透過(guò)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖12給出了該外場(chǎng)試驗(yàn)地區(qū)9月份和11月低到12月中旬試驗(yàn)期間每天晴朗時(shí)間段1.315 μm波段透過(guò)率的平均值統(tǒng)計(jì)，圖13是兩個(gè)試驗(yàn)期間晴朗時(shí)間段所有數(shù)據(jù)的頻率分布。由圖12可見(jiàn)，該地區(qū)9月到12月份1.315 μm波段透過(guò)率白天晴朗天氣狀況下取值70%～91%，9月份透過(guò)率波動(dòng)明顯比11月和12月大，且透過(guò)率值也小于11月和12月。從圖13頻率分布可見(jiàn)，初秋該地區(qū)頻率分布呈多個(gè)峰值點(diǎn)，而進(jìn)入冬季，僅單個(gè)峰值點(diǎn)，表明由秋季進(jìn)入冬季，該地區(qū)透過(guò)率明顯變好，大氣清潔且穩(wěn)定。

圖12 晴朗時(shí)間段1.315 μm波段透過(guò)率均值統(tǒng)計(jì)Fig.12 Statistic of 1.315 μm transmittances in sunny days

圖13 晴朗時(shí)間段1.315 μm透過(guò)率頻率分布

4 結(jié) 論

本文研制了可用于近紅外多激光波段大氣透過(guò)率測(cè)量的近紅外型太陽(yáng)輻射計(jì)，對(duì)儀器的硬件系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、工作流程及其軟件進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并給出了該儀器能實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)0.8～1.7 μm內(nèi)0.87，0.94，1.05，1.064，1.31，1.54，1.62 μm等7個(gè)波段信號(hào)的測(cè)量。依據(jù)建立的基于太陽(yáng)寬譜直接輻射測(cè)量獲取激光波段大氣透過(guò)率的方法，最終得到1.064，1.315，1.54和3.78 μm這4個(gè)近中紅外波段的激光大氣透過(guò)率。該儀器根據(jù)實(shí)測(cè)的寬波段提取的1.064，1.315，1.54 μm透過(guò)率與POM02外推的激光大氣透過(guò)率的對(duì)比誤差都小于6%，兩臺(tái)儀器外推的3.78 μm透過(guò)率的對(duì)比誤差都小于5%；并將秋冬季節(jié)外場(chǎng)試驗(yàn)得到的1.315 μm透過(guò)率與激光大氣傳輸評(píng)估軟件CLAP依據(jù)實(shí)測(cè)大氣參數(shù)模式計(jì)算的透過(guò)率進(jìn)行對(duì)比，誤差小于2%。由此表明，ISP02型近紅外太陽(yáng)輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果可靠。最后，利用該儀器得到外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)1.315 μm透過(guò)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該儀器獲取的近紅外激光大氣透過(guò)率對(duì)實(shí)際大氣中的激光應(yīng)用具有參考價(jià)值。