双筒多视场太阳光度计研制

卷云的辐射特性对气候、大气能量平衡和天气都有重要收稿日期：20129 Received Date：20129基金项目：国家自然科学基金(61077081)资助项目的影响 ，是国际上-个十分活跃的研究课题。目前探测卷云的手段主要包括地基雷达观测、卫星反演和飞机取样。由于飞机取样价格昂贵，卷云的光学性质主要通过遥感的方法得到，即地基雷达观测和卫星多波段反演 。-些学者基第 5期 李建玉 等：双筒多视场太阳光度计研制 1023于可见光波段非吸收通道的反射对云光学厚度较敏感，而近红外波段水或冰吸收通道的反射对云粒子尺度较敏感的事实发展了反演云光学厚度和有效粒子半径的方法。NAKA-JIMA和KING利用多光谱扫描辐射计在0.75 皿、1.65 m和2.16 u肌波段测量的云层反射的太阳辐射确定云光学厚度和有效粒子半径 。也有利用 1.38 m波段水汽强吸收带的反射光来遥感卷云的反射率，进而得到卷云的光学厚度 。

由于卷云处在对流层上部到平流层下部的位置，并且通常在光学上很薄(地面上肉眼有时不可见)，给探测和研究带来了很大的困难。因此，需要发展新的探测手段及反演方法来获软云的光学性质。地基激光雷达主要用于在夜晚探测卷云的光学性质；王越和吕达仁等采用与 MO-DIS空基反演云参数原理相同的波长组合，提出了-种在白天利用透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法 ；KIKUCHI和 NAKMIMA利用地面天空辐射计 1.02 txm、1.6 m和2.2 m通道测得的云透射的太阳辐射确定水云或冰云光学厚度和有效粒子半径，并与云雷达相结合得到云有效半径的垂直廓线 ；YANG P等人通过对微窗口光谱特性的分析，提出-种利用地面红外辐射测量来反演卷云光学和物理特性的方法 ；邱金桓提出- 种通过可见和近红外波段不同视城的太阳直接辐射比值反演云光学特性的想法，并希望通过实验测量来验证。由于卷云中冰晶粒子尺度较大，前向散射强，在前向星度范围内，太阳光的强度随视场有明显的变化，且这些变化随卷云中冰晶粒子形状、粒子尺度和光学厚度变化。因此，测量前向星度不同视场的太阳光有可能区分卷云、水云和气溶胶，并提取粒子形状、尺度谱等信息。

传统单筒单视场太阳光度计主要用来测量晴朗无云天气条件下的气溶胶光学厚度和可降水量 ，其测量应用限于无云天气条件，本项 目研制的双筒多视场太阳光度计(binocular multi-FOV sun photometer，BMFOVSP)，不仅可以测量晴朗无云天气条件下的气溶胶光学厚度，还可通过直接测量两筒不同视城信号的比值来反演卷云的光学厚度和有效尺度，通过对窄视场前向星散射信息的分析来区别卷云和气溶胶。

本文提出的被动式双筒多视场太阳光度计主要利用可见到近红外3个波段(442 nm、670 nm、880 nm)在可变视场内的太阳透射和散射光反演卷云的光学厚度和尺度分布。该型太阳光度计摒弃了传统四象限跟踪法 ，首次采用 CCD图像处理技术 跟踪太阳，该技术解决了有云情况下采用四象限跟踪太阳会不准的问题。

2 仪器设计要求仪器进行设计时需达到如下设计要求：1)为了克服云的时空变化对探测与反演的影响，采用双筒设计，2个光筒采用两套光信号检测子系统(包括滤光片、探测器)，但性能要旧能-致。

2)依据云散射相关函数特性” ，最小 FOV越小，越有利于提高云前向散射相函数反演精度，但考虑太阳约32 min视场，设计最小 FOV为 0.8。(48 )。

3)2个光筒可同时探测 0.8。视场太阳光，这-步探测信号用于保证 2个筒探测-致性，不-致时根据两者信号作订正。

4)-个光筒探测 1.2。视场太阳光；另-光筒同时探测2.0。视场太阳光。

5)保证2个光筒0.8。视场设计偏差优于0.02。，其他视城优于0.05。。这是因为探测原理是基于不同FOV探测信号比值密切依赖于云的光学厚度与零度散射相函数。因此，必须保证FOV确定精度。FOV越小，FOV误差对光信号影响越大，因此，要特别保证0.8。FOV的确定精度。

6)波长设计考虑主要基于两方面：①主要为了满足探测原理与反演的需要 ；②与 AERONET的几个通道相- 致，利于以后的标定与比较。

7)滤光片盘需要 8个位置 ，6块滤光片对称安装(1-5、2-6、37安装相同波长的滤光片，4和 8位置安装黑屏)。滤光片盘由-个步进电机带动，转动时保证双筒有同样的接收波长。

8)考虑到仪器可能在有云天气条件下工作，当有不均匀云时利用四个象限光强的分布来跟踪太阳会不准，采用 CCD图像处理技术对准太阳中心，当有不均匀云时，软件可以自动识别太阳光斑外周数据，找出太阳的中心位置，提高有云时的定位精度，跟踪精度要优于0.05。。

根据上面设计要求各筒的观测波长和视城如表 1所示表 1 BMFOVSP各光筒观测波长和视城Table 1 The observation wavelength and FOV angle ofBMFOVSP for each optical cylinder3 仪器硬件设计双筒变视场太阳光度计主要由工控机、底座箱、光学跟踪平台组成。工控机内装有图像采集卡、运动控制卡、I/O控制卡、信号采集卡，分别实现图像采集、电机控制、变视池制及增益控制、光电信号采集。底座箱内装有各种1024 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷拈电源、电机驱动器、恒温控制器、信号增益控制电路、I/O口驱动电路等。光学跟踪平台由CCD探测器、光电探测器及其恒温室、步进电机、跟踪和信号光筒及其光学器件等组成。图1给出了该仪器硬件组成总体框图。

图 1 仪器硬件组成总体框图Fig.1 The block diagram of instrument hardware composition图中采集卡和控制卡是仪器的核心部分，可完成双筒多视场太阳光度计的信号和图像采集、自动跟踪太阳、多个视池制等各项功能。为了达到足够高的测量精度，采用带有低噪音前放的高性能光伏探测元件，并能控制其恒温工作，采用程控增益的方法以达到较大的动态测量范围。数字CCD图像传感器和步进电机驱动相结合，使仪器运行时可 自动跟踪太阳，太阳影像中心采用圆黄算方法，即使太阳部分被云遮挡也能精准地跟踪太阳。

仪器各主要部件及其功能简介如下：1)图像采集卡与 CCD探测器相结合可得到跟踪光筒视场内太阳的影像。

2)运动控制卡采用 PCI-8144，主要实现对俯仰、水平和滤光片电机旋转的控制，该运动控制卡各轴都带有零位信号，结合光电开关可很快检测到俯仰、水平和滤光片零位。

3)I/O控制卡有很多输入输出口，利用这些 I/O口可实现很多功能。-方面通过 I/O口形成脉冲信号对两路变视场电机进行控制；另-方面通过检测光电开关送到 I/O的信号找视场零位，还可利用多个 I/O口对信号的增益进行控制。

4)考虑测量要求，选用凌华公司的24位高精度数据采集卡 USB DAQ，该卡采用 USB总线极具易用性，即插即用，提供可供 VB，VC，CBuilder，Dephi调用的动态链接库，封装底层驱动，应用程序操作极其方便。输入信号范围选0～5 V单极性接法，采集速度60 Hz。

5)恒温控制器采用 AI-518型人工智能 PID温度控制器，结合半导体制冷片既可对探测元件室进行制冷也可加热，-但预设某-温度控制范围便能保证探测器恒温工作，减少了温漂对信号的影响。

6)程控增益控制：通过 PGA207和PGA103可将增益控制在6挡，最大增益达到1 000倍，程序根据光的强弱自动选择放大倍数使得放大器输出信号幅度在适当范围。

4 仪器光学平台设计根据设计要求设计了太阳光度计光学平台，图2中2个粗光筒可用于探测不同波段不同视场的太阳直接辐射光谱强度。

太阳光图2 光学平台示意图Fig.2 The sketch diagram of the optical platform因测量需要，选择两对波段带宽分别为 10 Bin、11 Bin、14 nm的442 nm，670 nlTl、880 Bin 3种滤光片，共6个，可实现多光谱测量。设计了滤光片转盘放置在组合透镜和变视场片之间，转盘上均匀对称分布着6块滤光片和2个用于背景测量的黑色不透光块，由混合式步进电机驱动，运动控制卡通过程序自动控制转盘上滤光片的定位和切换，两变视场片由I/O控制卡输出脉冲信号驱动电机来回切换，转盘转动-圈可完成不同视场各波段的光谱测量。为了避免光电探测元件采集时出现饱和，光阑处可根据季节及地区太阳光的强弱加适当的衰减片，在电路中还设计了增益控制电路来提高探测精度和解决饱和问题。图2中测量光路历程如下：太阳平行光经两粗光筒内的衰减片、光阑、组合透镜、滤光片、可变视嘲透镜将-定波段不同视场的太阳辐射光会聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转化成电压信号并进行前置放大和滤波，再由数据采集卡对电压信号进行采集和显示。两光筒的光接收系统都满足 的太阳视场，考虑跟踪精度设计最小视场为0.8。，设 汁测量光路示意图如图3所示。

组合透镜/ 可变视场 透锷 、 光电探测器图3 测量光路示意图Fig.3 The sketch diagram of the measurement beam path第 5期 李建玉 等：双筒多视场太阳光度计研制 1025图3中 为视城，d为视城对应的视场片上光孔的直径 为各透镜的焦距，由图中可以得到：詈，×cg号故在， 都不变的情况下，视城 0是由d决定的。后面通过视场的光经准直透镜 后再经会聚透镜将透过视场的光最终会聚到探测面，由于探测面小于视场面故在探测面上形成-个缩小-半的像。

5 仪器软件设计该高精密仪器软件设计的关键有以下几点：①能否有云条件下精准跟踪太阳；②测量方法的选择(能尽量缩减测量时间)；③精确调准变视场步数，让太阳光斑能完全通过视常下面对该几点关键进行--介绍。

5.1 CCD图像跟踪仪器需要在有云天气条件下进行测量，当有不均匀云时利用四个象限光强的分布来跟踪太阳会不准，故该双筒多视场太阳光度计摒弃了传统太阳光度计的四象限跟踪法，首次采用 CCD图像处理技术跟踪太阳。该技术可 自动识别太阳光斑外周数据 ，找出太阳的中心位置，提高有云时的定位精度。由太阳视城约为 32 ，CCD探测面上太阳光斑直径像素有 164，设定的跟踪像素为 ±3，故可计算图像实际跟踪精度如下： ×32 ±o585 (2)仪器的水平转动和俯仰转动由步进电机驱动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，其传动比为 1：120，当蜗杆随步进电机转动-个步距角 1.8。且步进电机 2细分时，蜗轮只转动0.45 ，考虑太阳光斑直径像素计算误差及步距角等误差，可认为仪器最低跟踪精度高于 1 。

BMFOVSP采用的 CCD图像跟踪算法主要有 3步：①实验室内利用平行光管找到CCD视场中心，并设定-矩形区间；②采用圆弧法计算太阳光斑中心；③将太阳光斑中心与视场中心进行比较，当两间距大于矩形框-半时，快速驱动水平和俯仰电机使太阳光斑进入矩形区内，当两间距小于矩形框-半时，精细调整水平和俯仰电机直至两中心间距在 .4-3像素内。

为了实现太阳的全 自动跟踪，在仪器的水平和俯仰步进电机旁装有零位定位光电开关，实现初始位置的定位。采用天文学中太阳高度角和方位角的计算，得到实时太阳高度角和方位角，驱动电机运转，仪器初步指向太阳后，记下正确的方位角和高度角，并启动精准跟踪，即CCD图像跟踪技术，采用的快速驱动和精准驱动的方法可始终将太阳控制在区间范围内，并随时检测太阳位置变化，如果暂时丢失 目标，仍可以更正跟踪方向，-旦 目标出现就可以很快捕获太阳。

5.2 测量方法信号的测量主要是变视场片左右移动时精确地控制，及变视场片的走动步数的设定。两片变视场片分别由两个电机带动，为了保证变视场的精确控制 ，设计了变视场片零位，并利用光电信号通过 I/O来检测零位，软件上同时设定了静态逻辑变量，每次开始测量时用来检测变视场片的位置，防止电机向外走动时与仪器两边的壁长时间相抵触，向内走动时与内壁相咬合而再次向外时走不出。变视场步数由实验室内用平行光管通过显微镜的观察反复调试得到〖虑到云变化得很快，所有波段和多个视场测量结束所用时间越短越好，设计了两变视场片同时变动和视城交叉测量的方法。测量总流程图如图4所示，测量时间约30 S。

图4 测量流程图Fig.4 The measurement flow chart6 仪器主要技术指标双筒多视场太阳光度计 BMFOVSP外观示意图如图5所示，仪器采用的基于 VB的实时测量监控软件如图6所示，该仪器在设计时对各项指标要求很高，仪器所能达到的性能和指标如表2所示。

第 5期 李建玉 等：双筒多视场太阳光度计研制 1027Hefei Dec.，24，20l1 二：二 v0I8cHl - BMFOV 670FOV1.2CHl BMFOV 670FOV0.8CH2- BMFOV 670FOV2.OCH2l0 l1 l2 13 14 15 16 17Beijing Time/h图9 气溶胶光学厚度比较Fig.9 Comparison of AOT将 BMFOVSP在670 nlTI波段的两通道1.2视场x寸0.8视惩2.0视场对0.8视场的比值作图分别如图10(a)～(b)，图中给出了2012年3月28日、3月29日和4月 1日3天的比值变化。各天2.0/0.8都大于 1.2/0.8，且都大于 1.0，说明2.0。视秤收的太阳能量大于1.2。视场，说明1.2。视秤收的太阳能量大于0.8。视场，符合常理。晴天1.2。视场只比0.8。视场大 1.5%左右，2.0。视场只比0.8。视场大5% ～6%，说明晴天(气溶胶情况下)太阳直射光占了能量的绝大部分。

但有云情况下，发生了明显的变化，比值显然增大。3月 28日这天上午和中午较晴朗，太阳方向偶尔出现几朵白云，如图中几处峰值，下午开始云增多且变厚，2.0/0.8和1.2/0.8开始逐渐增大。15：0o以后，前向0.8。～1.2。和O.8。～2.0。散射角范围内薄云的散射能量明显高于其他两天，说明云中可能是以大粒子的冰晶为主，即冰云，说明该仪器具有识别冰云的能力。3月31日全天晴朗无云，故2.0/0.8和 1.2/0.8比值变化平缓，4月1日也较晴朗，但上午能见度较低，大气中水汽较重，太阳方向有很薄的薄云(太阳方向些许泛白，肉眼不可见)，使得上午2.0/0.8比值较大且有波动，而 1.2/0.8变化不明显且较平缓，进入下午能见度增高，大气中水汽散去，天空晴朗无云，2.0/0.8比值变小且趋于平缓。总体来看，晴朗无云或是有很薄的薄云时，I.2/0.8比值变化平缓且稳定在 1.01～1.02；晴朗无云时，2.0/0.8在 1.05～1.09变化；有水汽-EL彳艮薄薄云时，2.0/0.8在1.10～1.15变化；有较厚的云时，1.2/0.8在 1.02以上，2.0/0.8在 1.10以上。由此可见不同FOV探测信号比值密切依赖于云的光学厚度，当然也与云中粒子有效尺度有关。说明该设备具备识别云及其种类的能力。

萋量譬1.41.31.21.11.09 l0 j1 12 l3 l4 5 6 17 18 l9(a)蔫 1.18 结 论本文介绍了-种不仅可以测量晴朗无云天气条件下的气溶胶光学厚度，也可通过直接测量不同视场信号的比值来反演卷云光学性质的仪器，给出该仪器的设计要求、软硬件设计、光学平台设计及仪器达到的性能指标，并详细分析了该仪器的几点设计关键。该仪器具有两个光筒，多个可变视场，采用 CCD图像跟踪技术，具有较高的跟踪精度，高于1fO同样利用 Langley法对仪器进行了标定，得到仪器的标定值，将仪器在合肥地区进行实验，初步得到各通道2.0//0.8和1.2/0.8视场的比值变化，并结合天气状况进行了初步分析表明：不同视场的信号强度的比值能反映大气中云参数的变化。并将该仪器的测量结果与日本的POM02型太阳光度计对应通道的测量结果进行对比，对比结果表明新研制的双筒多视场太阳光度计BMFOVSP的测量结果是可靠的，测量精度优于1%。该设备将在地基光学设备遥感卷云特陛参数中得到应用