太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

光谱型太阳光度计混合定标方法

光谱型太阳辐射计可以直接测量得到太阳辐射变化,反映各个波段对应的辐射度信息,其直射通道全波段的仪器定标精度直接影响大气参数的反演精度。常用的Langley拟合法在大气强吸收波段定标精度不高,最终计算的可降水量、强吸收波段透过率数据均存在一定的误差。为了满足可见-近红外全波段太阳光谱的高精度测量需求,提出一种非吸收波段的Langley定标法和基于理论计算强吸收波段大气层顶太阳辐照度相结合的混合定标法,得到光谱辐射计全波段的定标值。因为仪器响应函数是随波长缓慢变化的,通过非吸收波段定标的仪器响应函数按波长线性插值得到强吸收波段下的仪器响应函数,再结合大气层顶太阳辐照度和仪器定标值之间的关系得到强吸收波段下的仪器定标值。通过对比Langley定标法、改进Langley法以及混合定标法的仪器定标值变化曲线发现,前两种方法在强吸收波段的定标值有明显的突变,而混合定标法计算的强吸收波段仪器定标值变化更平缓,符合仪器响应规律;通过对比不同定标法测量的大气透过率与CART理论计算透过率的相对偏差,发现混合定标法平均偏差减少了1.15%,误差的减小主要归因于混合定标法提高了强吸收波段大气透过率的测量精度。将改进Langley法和混合定标法计算得到的可降水量数据与国外同类型的POM辐射计测量得到的可降水量数据进行对比,混合定标法计算得到的可降水量与POM辐射计的计算结果几乎一致,相对误差在10%以下,而相对于改进Langley定标法平均减少了40%;对于测量的大气透过率,与POM辐射计测量的透过率数据进行对比,在940 nm水汽强吸收带处,混合定标法测量的相对误差减小了25%。因此混合定标法对于光谱型太阳辐射计直射通道全波段定标、可降水量计算以及强吸收波段透过率计算有应用价值,较好地改善了强吸收波段的定标精度。

沿海和内陆地区多波长光谱气溶胶标高的比较分析

大气气溶胶的光学特性是大气环境、大气辐射、激光大气传输和进行空中目标识别的重要影响因子之一,而光谱气溶胶标高(spectral aerosol scale height,简称SASH)是反映气溶胶高度分布特征的关键参量;在考虑无云状态下可见和红外波长范围的太阳辐射情况时,不仅仅要考虑总的气溶胶消光的组成,而且还要估计不同空间间隔范围内的有效高度。文章基于大气气溶胶浓度随高度指数衰减的原理,利用前向散射能见度仪和连续光谱的太阳辐射计,并辅以必要的温湿探测设备,同时测量了典型地区大气柱光学特性以及近地面层的大气水平光谱消光系数,建立多波长SASH的计算方法,获得了可见光波段(波长400,440,532,550和690 nm)的大气SASH的变化特征:无论是沿海还是内陆地区,随着波长值的增加,SASH减小;对于东南沿海某地,一般地,冬季SASH要大于夏季的SASH;而对于内陆合肥地区,冬季SASH要小于夏季的SASH。