第34卷，第3期 2014年3月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量
刘恩超，李新，张艳娜，季文伟，郑小兵
Vol, 34 ,No. 3 -pp609-613
March，2014
中国科学院安微光学精密机械研究所，中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安微合肥230031
摘要为了实现对太阳辐射的绝对测量和大气特性的精确反演，研制了光谱覆盖范围在0.4～1.0m的高精度太阳光谱辐照度仪。太阳辐照度仪采用Fery棱镜实现人射太阳光的色散，闭环控制光谱扫描机构的方法实现光谱扫描。论文详细介绍了太阳辐照度仪光谱扫描测量部分的设计。给出了Fery棱镜的设计要求，实现单一元件完成光谱色散：利用陷阱探测器进行光谱采集，保证广测量精度：结合探测器的性能参数，说明了温控的需求和方法；介绍了光谱扫描结构的设计方法，实现了精确的波长定位；给出了音圈电机的参数、稳定性和供电要求，实现了0.025%的波长定位误差。开展室外观测实验，实现0.4～1.0m波段的太阳细分光谱扫描测量，并分别与可见一短波红外光谱仪和自动太阳光度计(CE318)进行了对比。结果表明，辐照度仪的光谱扫描测量结果的吸收峰波长值吻合，与CE318全天测量数据的相对偏差小于0.13%，
可见波段的光学厚度的相对偏差小于2%，近红外波段的相对偏差小于4%。关键词辐照度仪；Fery棱镜；音圈电机；陷阱探测器；光学厚度
中图分类号：TH744.1
文献标识码：A
引言
D0I: 10. 3964/j. issn. 1000-0593 (2014)03-0609-05
精度和测量漂移的稳定性为0.01%，1～35nm的分辨率可以满足要求6]。另外，研制平均波长误差△入/入<0.025%的光谱扫描技术，实现太阳光谱的无失真传递，保证波长的精
高精度太阳辐照度仪是在0.4～1.0um波段对地面接
收到的太阳直射辐射进行高精度和连续光谱观测的仪器 0.4～1.0um波段的辐射占据了太阳总辐射能的大约 60%)，包含了大气窗口、人眼可见波段等，是对人类生存和环境影响最为重要的波段。细分光谱太阳辐射的地面精确观测，可以为气象和气候预报输人参数，对整层大气光学性质进行分析，实现卫星对地观测的定标和真实性检验，了解太阳辐射的不同谱段对地球-大气-海洋系统的不同影响
国内外近十年开展了多项细分光谱太阳辑照度的观测仪器研究。美国SORCE卫星上的光谱辐照度监测仪（SIM）3」，欧空局ATLAS卫星上的太阳光谱辐射计(SOLSPEC)均用于空间平台上的太阳分光谱观测。地面观测仪器中，比较典型的有日本PREDE公司的全波段太阳光度计PGS100[]，采用光栅分光和线阵列光电二极管测量，实现直射太阳光谱辐照度的自动测量，其数据可用于计算大气光学厚度、大气吸收峰值和气溶胶特性等参数。根据理论分析和历史观测数据，0.41.0um波段的太阳总辐射相对变化小于0.5%[]。为实现这一微幅的观测，太阳辑照度观测仪器需要保证辐射和波长测量精度。根据可见/近红外波段的仪器参数需求，
收稿日期：2013-04-19，修订日期：2013-07-20
确度。
本文结合0.4～1.0um波段高精度太阳光谱辐照度仪的研制，重点介绍了该仪器核心组件即光谱扫描测量部分的设计、集成和测试工作。该仪器采用Fery棱镜进行色散，实现了1～15nm的光谱分辨率，利用单一光学元件满足测量的波长范围；采用陷阱式单元探测器测量输出的光谱数据，保证了测量的精度；基于DSP的闭环光谱扫描机构来驱动梭镜的转动，实现广太阳细分光谱的扫描测量。为保证仪器的性能，给出了Fery棱镜的几何参数关系、陷阱探测器设计及温控系统的稳定性、光谱扫描机构的选用及供电要求。开展野外观测试验，并分别与可见-短波红外光谱仪和自动太
阳光度计(CE318)的测量值作了对比。 1太阳光谱辐照度测量原理
光谱辐照度是在单位波长间隔内、通过单位面积的光辐射通量，其定义如式(1)所示，
E(a)=d)
d4da
基金项目：公益性行业（气象)科研专项（GYHY200906036）和国家(973计划）项目(2010CB950801)资助
作者简介：刘恩超，1985年生，中国科学院合肥物质科学研究院博士研究生
(W · cm nm)
e-mail ; liuecl@ aiofm .ac .cn
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