自校准连续细分光谱太阳照度仪

【作者】 李新； 郑小兵； 戎志国； 刘恩超； 张艳娜； 李文伟；

【机构】 中科院合肥物质科学研究院； 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室； 国家卫星气象中心；

【摘要】 太阳是整个地球系统的主要能量来源,太阳辐射是气候系统变化的关键因素。太阳辐射观测是气候和气象研究的重要基础。由于大气、海水的光谱选择性吸收和散射等效应,太阳辐射的不同谱段对地球-大气-海洋系统的作用存在差异,太阳细分光谱的观测,能够获知太阳光谱能量的改变以及太阳总能量(光谱能量积分)如何影响地球气候系统,近年来细分光谱的太阳辐射精确观测成为新的技术方向。太阳细分光谱辐射观测直接应用于气候研究、卫星观测真实性检验,同时对大气光学厚度,气溶胶粒子的观测为气象、环境、遥感研究提供基础数据。为实现太阳光谱辐射的精确观测,研制了细分光谱太阳照度仪。该仪器包括两路独立的棱镜光谱仪,光谱仪采用Fèry棱镜分光,陷阱式单元探测器探测,双光路耦合自校正仪器的衰减。太阳光通过入射狭缝,经过棱镜分光反射会聚到焦平面上,通过出射狭缝的单色光进入光电探测器,棱镜扫描依次探测出连续细分光谱的光通量。Fèry棱镜集色散、会聚于一体,仅产生单一级次光谱,有利于降低杂散光、提高光通量,该棱镜采用抗辐射、低吸收的融石英,分光范围覆盖了整个太阳光谱。陷阱式光电探测器由3片大面元Si光电二极管在电气上并联构成,入射光在3个光敏面上依次经历了5次反射后沿原路返回,吸收率接近100%,该探测器对入射光的偏振状态非敏感,光电转换效率、灵敏度和整体的稳定性较单片光电二极管显著提高。仪器采用独立双光路的设计,通过中间的耦合光路,一路色散单色光进入另外一路光谱仪,对该单色光进入棱镜前后的切换测量实现对棱镜透过率衰减的自校正。该仪器的光谱分辨率1nm—15nm,光谱探测范围400nm—1050nm,通过增加探测器可覆盖整个太阳光谱范围。为测试的仪器性能,开展了室外太阳辐照度观测和大气光学厚度观测比对试验,试验结果表明太阳辐照度观测值与理论值相符,大气光学厚度观测与CE318观测趋势一致,说明该仪器可以替代波段式太阳辐射计观测大气光学特性并具有连续光谱观测的优势。更多还原