激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

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地基自动跟踪太阳辐射计可以测量太阳直射照度和天空漫射亮度，利用测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据可以反演气溶胶的光学特性，如光学厚度、相函数、粒子谱分布等，目前在全球气溶胶监测网[1]中得到广泛的应用，在气候变化研究、卫星遥感验证、大气环境监测等领域具有重要意义。反演结果的精度直接撒于太阳辐射计绝对定标的精度。

目前，太阳辐射计直射通道绝对辐照度响应度的定标溯源于高海拔点定标的结果。高海拔点定标初级参考太阳辐射计采用 Langley法[2 ]，在假设大气稳定的前提下，通过输出信号对数值与大气质量间的线性关系，通过线性拟合获得大气外界太阳辐射计响应常数 ，定标的重复性优于 1 。

由于 Langley法的实现对于高海拔点的海拔、日照、大气、气象条件有严苛要求，世界范围内也仅有少数地点符合初级参考太阳辐射计的定标要求，国内无此类高海拔定标点。经过定标的初级参考太阳辐射计采用交叉比对的方法将标准传递到用户太阳辐射计，精度随着传递链路的延长而逐渐降低，美国国家航空与航天局(NASA)的戈拉德航天飞行中心(GSFC)作为交叉比对的站点，用户辐射计定标的不确定度约为2 ]。由于Langley法定标的限制，发展实验室定标方法取代目前的高山Langley法成为重要的发展方向，并且有望获得更高的定标精度。

目前，在实验室对滤光片辐射计的定标方法有三种：灯-单色仪定标系统、使用均匀光源的光谱辐照度和辐亮度响应度定标系统(SIRCUS)和可调谐激光点阵扫描定标系统(LSF)[5]。传统的灯-单色仪方法由于光谱辐射通量低和相对较宽的光谱带宽等缺点使用受到限制，基于激光的方法克服了这些缺点，具体的实现方式有两种：SIRCUS系统是通过将可调谐激光导人积分球产生均匀辐照度场，LSF系统是通过激光点阵扫描产生均匀照度场6]。SII US定标方法具有光谱可调谐、照度均匀以及照度可溯源于高精度低温绝对辐射计等优点，但受到激光功率的限制，激光导人积分球光源的光谱辐照度低，约低于太阳光谱辐照度 2个量级，另外还需要确定待定标仪器的有效孔径光阑与积分球出口的距离。

通过几何测量方法和拟合方法均可获得有效孔径光阑与积分球出口的距离，但精度受到几何测量误差和拟合方法的限制[5 ]。LSF定标方法是利用激光在待定标仪器孔径光阑位置进行点阵扫描，获得均匀照度场，这种方法具有测量信噪比高、测量周期短以及功率可溯源于高精度低温绝对辐射计等优点，比较适合在实验室条件下对太阳辐射计进行定标[ 。

本文报道了实验室开展的太阳辐射计直射通道激光扫描定标方法研究，利用可调谐激光器作为光源，以太阳辐射计870 nn'l无偏直射通道作为实验研究对象，采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场，精确测量该通道中心波长位置处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度，最终在实收稿 日期：2012-06-07.修订日期：2012-09-05基金项目：国家(973计划)项目(2010CB950801)资助作者简介：徐文斌，1986年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生 e-mail：wbxu###aiofm.ac.cn256 光谱学与光谱分析 第33卷验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度，联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分获得该通道大气层外响应常数vo值 。通过查阅国内外相关文献，利用激光扫描方法定标太阳辐射计在国内外尚属首次使用。

1 激光点阵扫描法绝对定标原理激光点阵扫描法是采用可调谐激光器作为定标光源，以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为扫描前后激光功率测量探测器，通过固定太阳辐射计的二维高精度平移台实现对准直激光束的二维扫描形成均匀照度场，获得太阳辐射计直射通道中心波长处的绝对辐照度响应度，利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度 ，最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度，联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分获得该通道大气层外响应常数值。

，，- 、 、v ， - 、v ，- 、v/ ---、v ，- 、v ，- 、v ， - 、、v ， - 、 、v ，- 、、v ，- 、、：：)< ：：)< ：：，c ：，< ，：：)c ：：)c ，：：，c ：：)c ：：，< ：：，>：：：，：：：t：'：：：t ：：：：《，：：：：：：：：t，：：：： ：：：t：：：t，：：：：t：Fig.1 A lattice formed by Gaussian laserbeams at the plane of aperture利用可调谐激光器产生高斯光束，波长设置为通道中心波长 。，对太阳辐射计孔径进行二维扫描，激光在孔径平面扫描示意图如图 1所示，扫描时需要控制激光光斑直径，并且激光光斑直径撒于太阳辐射计有效孔径光阑面积[g]，假设有效孔径光阑直径为D，激光光斑直径为d ，则有D ≥ 2. 2 (1) 厶利用光斑大小调整后的光束在覆盖太阳辐射计有效孔径光阑的区域内沿着z方向和 方向分别以恒定的步距 和Ay进行扫描， 方向和 方向的采样点数分别为N 和N 。

激光光斑直径和扫描步距的比值对照度均匀性的影响在有关文献中做了报道g ，步距大型扫描范围需满足以下条件r Ay≤ dL/2N 位 ≥ 2D (2)l Ay≥ 2D假设激光束功率为尸I，则全部激光阵列的辐射功率为N N P ，激光扫描面积为 N △z Ay，则形成的均匀照度场照度大小 E为E - - L N AzcAy (3)假设太阳辐射计绝对光谱辐照度响应度为Re( )，输出为DN (j-l，2，，N ；是-1，2，，Ny)，则在中心波长 。处的绝对照度响应度为- - ㈥ 实际测量过程中，激光束功率采用标准传递探测器[”]进行测量，假设 和 分别是扫描前标准功率探测器测量激光束的信号值与背景值， 和 z分别是扫描结束后标准功率探测器测量的信号值与背景值，Rc，s( )是标准功率探测器绝对功率响应度，直接溯源于低温绝对辐射计，则有P - ㈣ 将(5)式代入(4)式可得∑∑DN &：cAy盹( 。)- 丽 ( )由于太阳辐射计相对光谱照度响应度等于其相对光谱功率响应度乘以有效孔径光阑面积，其相对光谱功率响应度可采用灯-单色仪系统获得，在扫描波长位置处归-化的相对光谱辐照度响应度与相对光谱功率响应度曲线相同。

由上标准功率探测器的光谱功率响应度为R髑( )，假设接收的光谱辐射通量为 ( )，输出电压为Vs(A)，则有Vs( )- · s( )R稿( ) (7)假设太阳辐射计相对光谱功率响应度为R ( )，接收的光谱辐射辐射通量为 ( )，输出电压为 ( )，则有( )- ( )R m( ) (8)由于单色仪出射光为汇聚光，标准功率探测器和太阳辐射计接收的光通量可能存在差异，但两个仪器测量同-输出光斑，有( ) K西s ) (9)式中，K为比例系数，由于求相对光谱功率响应度，可以设K-1，联合式(7)，式(8)和式(9)，可得相对光谱功率响应度为㈨ ) (1O)由归-化的相对光谱功率响应度曲线，联合RE( 。)，可获得太阳辐射计直射通道绝对光谱辐照度响应度R ( )。

根据R ( )和大气层外的太阳照度谱数据点 ( )，可得太阳辐射计直射通道在大气层顶的定标常数 值为V0 lRE )E ( ) (11)式中 为单色仪扫描直射通道最小波长， z为单色仪扫描直射通道最大波长。

第 1期 光谱学与光谱分析 2572 定标系统概述本文定标的太阳辐射计为法国CIMEL公司研制，型号为CE318-2。CE318是多通道的滤光片辐射计，共有 8个太阳直射通道，通道半峰全宽(FWHM)约为 10 nln，仪器全视城为 1.2 oI j。

绝对辐照度响应度定标系统如图 2所示 ，可调谐钛宝石激光经衰减、分束后，-束入射至波长计，进行激光波长的实时监测，另-束经过起偏、功率稳定、透镜聚焦和功率进- 步稳定后入射至待定标太阳辐射计上，太阳辐射计和标准功率探测器放置在高精度二维电控平移台上，太阳辐射计有效孔径光阑相对于激光光束进行二维点阵空间扫描，在太阳辐射计有效孔径光阑上形成空间均匀的激光照度常标准功率探测器在二维扫描前后测量激光绝对功率，在每个扫描点，太阳辐射计进行单次信号采集。光束轮廓仪用于测量入射的激光光斑直径。激光功率控制器(LPC)和远控探测器(RD)组合使用进行功率稳定。远控探澳0器后放置-个 1 mn1左右的凶光阑， l以有效的减小杂散光和后向反射的影响。

Pig.2 Schenmtic diagram of absolute spectral irradiance responsivity calibration system相对光谱功率响应度定标系统如图3所示，卤钨灯出射的发散光经过两个反射镜(调整光路)和离轴抛物面镜(聚焦)会聚到单色仪的入射狭缝处，上位机控制单色仪进行波长选择，通过单色仪中光栅的色散，产生不同波长的单色光，出射光通过透镜聚焦到太阳辐射计和标准功率探测器上，标准功率探测器的输出信号通过数据采集器采集。太阳辐射计和标准功率探测器的位置通过高精度二维平移台进行调节。

3 结果与不确定度分析3.1 标准传递探测器的光谱功率响应度标准功率探测器在 3501 064 nlTi波段内进行了绝对光谱功率响应度的定标，如图4所示，绝对光谱功率响应度溯源于中国科学院安徽光机所的低温绝对辐射计(CryoRad 1)，Fig.3 Schematic diagram of relative spectral power responsivity calibration system258 光谱学与光谱分析 第 33卷对8654900 nm范围内的绝对功率响应度可以通过内部插值的方 法获 得[1 。R鹋(870.728)处 的绝 对 功率 响应 度 为6.992 39×10 。V ·nW- 。

3.2 870 am通道中心波长绝对辐照度响应度根据厂家提供的设计参数可知，太阳辐射计有效孔径光阑面直径 D约为 1.96 mm，根据式(1)和式(2)有 d ≤0.89haq1，缸 -Ay≤0.445 mm， ≥ 3.92 mm 和 ≥3.92 mm。实验过程中，设置可调谐钛宝石激光器输出波长为870.728 nm，激光功率控制为0.013 rnw，通过激光光束分析仪测量落在太阳辐射计有效孔径上的光斑大小约为 0.8mm(n图 5所示)，太阳辐射计在二维平移台的 z和Y方向的扫描步距为 0.4ⅡⅡn，扫描矩阵大小为6 Hm×8 mm。为了减少测量过程中激光光束的波动对定标结果的影响，在太阳辐射计扫描定标前后用标准功率探测器进行测量，并扣除探测器的背景值～相关数据代入式(6)计算得到中心波长绝对辐照度 响应 度 RE(870.728)为 2 178.9 Counts·(W ·m )400 600 800 1 000Wavelength/nmFig.4 Spectral power responsivity ofthe standard detectorFig.5 Analysis of laser spot3.3 870 am通道归-化相对光谱辐照度响应度由于太阳辐射计的相对光谱辐照度响应度是太阳辐射计的相对光谱功率响应度与有效孔径光阑面积的乘积，太阳辐射计的孔径面积不随波长变化，因此归-化的相对光谱辐照度响应度与相对光谱功率响应度曲线相同。采用灯-单色仪系统扫描太阳辐射计，根据厂家提供的透过率参数，如图 6中细线所示 ，扫描带宽设定为 20 nrn，式(11)中的 J 设定为860 nm， z设定为 880 D.m，扫描间隔设定 1 nm，每改变-个波长，将单色仪出射光束导入到标准功率探测器和太阳辐射计中心进行测量，利用太阳辐射计采集信号与标准功率探测器1]测量信号的比值确定同-输入功率对应太阳辐射计通道响应输出，结果如图 6中粗线所示。从图中可以看到，相对光谱辐照度响应度曲线相对于滤光片光谱透过率曲线有0.5 nm左右的偏移，理论上在窄带宽(<1O nrn)情况下，相对光谱辐照度响应度曲线应与滤光片光谱透过率曲线形状-致，但由于入射光在滤光片与探测器平面之间的相互作用，导致测量的相对光谱辐照度响应度曲线中心波长相对于滤光片中心波长向右偏移。

3.4 870 am通道大气层外响应常数 y0联合获得的中心波长处绝对辐照度响应度 R (870.728)和归-化的相对光谱辐照度响应度 ，可得 870 nm通道绝对光谱辐照度响应度，如图7中粗线所示～Re( )和2004年的大气层外的太阳照度谱数据 E ( )1 代人式(11)积分可得太阳辐射计870 nm通道在大气层顶的定标常数 值为21 213.470 Counts，积分曲线如图 7中细线所示。

定标用太阳辐射计 2009年在 NASA的 GSFC中心定标的 值为 22 041.399 Counts，两次定标结果的相对偏差为3.75 。

1.21.O0.80.6O.40.2O850 855 860 865 870 875 880 885W avelength/nmFig.6 Comparison of relative spectral irradiance responsivityand filter transmittance profile of 870 am channel藿警2 5000860 865 870 875 880W avelength/nmAbsolute spectral irradiance responsivity of 870 nmchannel and integration of responsivity and solar spectral irradiance口0- ∞N 硝-只Ho、宁 、宁0 0 0 O O O O × × × × × × ×O 0 O 0 0 O O 8 7 6 5 4 3 2 -事u， - I 岛。ds2 8薹0 -量8 ∞粤鬟l0U，Ⅱ0 鑫 ⅡIO O O 似 m加 m姗 ㈣ o第 1期 光谱学与光谱分析 2593.5 不确定度分析 定标精度。

依据国际通行的测量不确定度评估规范 ]，系统考察了不确定影响因素的来源，得到了如表1所示的太阳辐射计 4 结 论直射通道 值不确定度分析结果。

不确定度源 贡献标准功率探测器测量值单色仪相对光谱响应度定标精度二维平移台步长定位精度激光光源不稳定性IlOO min激光波长的不稳定性大气层外太阳照度谱数据合成不确定度4.15×10-44.87×10-30.80×10-41.90×10-43.27×lO-e2.O0×10-z2.O6×10-z从表 1可知，激光点阵扫描方法获得的 870 nrn.通道绝对光谱辐照度响应度 RE( )测量不确定度为0.49 ，Vo值合成不确定度为2.06 ，与Langley法传递的用户太阳辐射计的定标不确定度相当，在不确定度贡献中，大气层外太阳照度谱数据不确定度[1 ]贡献占主要部分，通过提高大气层外太阳照度谱数据的测量精度，有望进-步提高这-方法的l ferences介绍了激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道的原理，在实验室条件下，用可调谐激光经功率稳定产生的高斯光束，在太阳辐射计有效孔径光阑面进行二维扫描形成空间均匀的辐照度场，获得 870 nrn通道中心波长处绝对辐照度响应度，通过单色仪扫描方法获得整个通道相对光谱辐照度响应度，最终获得大气层外 870 nlTl通道响应常数 值，实验结果与 2009年 GSFC定标结果的差异仅在 3.75 以内，定标不确定度达到 2.06 ，与Langley法传递的用户辐射计的定标不确定度相当，初步验证这-方法的可行性，成为绝对定标太阳辐射计新的有效技术途径，太阳辐射计其他无偏直射通道也可以采用相同方法进行定标。在此基础上，改进实验过程，如在光路中放置监视探测器以消除激光光源波动对定标结果的影响以及在每个扫描位置点进行多次测量，将进-步提高太阳辐射计响应常数 值定标精度，从而有望替代传统的高山Langley法定标，提高重复性。

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] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n n M rL[ rLrLrL rLr-rL rL rL rL rL[ [ rL260 光谱学与光谱分析 第 33卷Research on Absolute Calibration of Sun Channel of Sun PhotometerUsing Laser Raster Scanning M ethodXU Wen-bin，LI Jian-jun，ZHENG Xiao-bingKey Laboratory of Optical Calibration and Characterization，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy ofSciences，Herei 230031，ChinaAbstract In the present paper，a new calibration method of absolute spectra1 irradianee responsivity of sun channel of sun pho-tometer was developed.A tunable laser was used as source and a standard tranfer detector，calibrated against cryogenic absoluteradiometer，was used tO measure laser beam power.By raster scanning of a single colimated laser beam to generate the uniformirradiance field at the plane of efective aperture stop of sun photometer，the absolute irradianee responsivity of center wavelengthof the 870 nm unpolarized sun channels of sun photometer was obtained accurately.The relative spectral irradiance responsivityof corresponding channel was obtained by using lamp-monochromator system and then used to acquire the absolute spectral irra-diance responsivity in the laboratory.On the basis of the above results，the top-of-the-atmosphere responsive constant VO wasobtained by integration with extraterrestrial solar spectral irradiance data.Comparing the calibration result with that fromGSFC，NASA in 2009，the difference iS only 3.75 .In the last，the uncertainties of calibration were evaluated and reached tO2.06%.The principle feasibility of the new method was validated。

Keywords Calibration；Raster scanning；Uniform irradiance field；'Spectral irradiance responsivity；Sun photometer(Received Jun.7，2012；accepted Sep.5，2012)