太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求,研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状,并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案,以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪,通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标,使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明:太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300~2 400 nm,光谱分辨率为3~10 nm,输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%~0.5%;积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300~2 500 nm,光谱分辨率为1~8 nm,太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪,可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。     

宽光谱棱镜型太阳光谱仪设计

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测,设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光,并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测;同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm;光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm,可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm,短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑,性能稳定可靠,分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估;DHI反映大气和云态;DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

用于光谱基准定标传递技术的传递辐射计研究综述

传递辐射计是实现卫星遥感仪器在轨光谱辐射定标传递的核心设备,也是地面实验室高精度光谱定标系统的关键。介绍了不同机构研制的覆盖350～700, 700～2 500 nm谱段的多个传递辐射计的结构组成、工作原理及辐射定标基准传递方式,及其异同点的比对,再通过它们在不同谱段的定标过程中所应用的关键技术的分析,说明每种技术的优缺点和所能达到的精度,及其应用条件。文中通过对国际上标准计量机构采用的光谱辐亮度基准定标传递过程的介绍,突出了传递辐射计系统的重要作用,再结合其对光谱仪等遥感器定标光源的定标监测应用,说明了传递辐射计在航天辐射定标领域的不可或缺性。最后,通过国内设计的新型传递辐射计的介绍,对传递辐射计未来研究的发展方向和关键问题进行了展望,并对传递辐射计搭配低温辐射计组成的未来实现可溯源国际单位制在轨基准定标传递系统所存在的研究难点予以预测分析。     

空间光学仪器及其校准检测技术 第一讲 空间光学仪器与航天相机

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪,光谱辐射计、激光主动遥感系统等的工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等.     

第一讲 空间光学仪器与航天相机

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等的工作原理、评价参数和参数校准检测技术。也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等。     

空间光学仪器及其校准检测技术——第五讲 空间激光测距仪和激光测高仪

讲座较系统地介绍了空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等问题.     

第二讲成像光谱仪

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等韵工作原理、评价参数和参数校准检测技术。也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等。     

空间光学仪器及其较准检测技术——第二讲成像光谱仪

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等韵工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为枝准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等.     

A spectral performance model for the High Resolution Dynamics Limb Sounder (6–18 μm)

A spectral performance model, designed to simulate the system spectral throughput for each of the 21 channels in the High Resolution Dynamics Limb Sounder (HIRDLS) radiometer, is described. This model uses the measured spectral characteristics of each of the components in the optical train, appropriately corrected for their optical environment, to determine the end-to-end spectral throughput profile for each channel. This profile is then combined with the predicted thermal emission from the atmosphere, arising from the height of interest, to establish an in-band (wanted) to out-of-band (unwanted) radiance ratio. The results from the use of the model demonstrate that the instrument level radiometric requirements for the instrument will be achieved. The optical arrangement and spectral design requirements for filtering in the HIRDLS instrument are described together with a presentation of the performance achieved for the complete set of manufactured filters. Compliance of the predicted passband throughput model to the spectral positioning requirements of the instrument is also demonstrated.     

紫外臭氧垂直探测仪高精度在轨光谱定标方法研究

为监测及修正紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在发射以及在轨运行过程中的光谱位置的偏移,采用了一种全新的高精度在轨光谱定标方法。利用高分辨率参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积,并将卷积结果与修正后的测量光谱进行匹配,建立了相关评价函数,计算参考光谱和测量光谱误差最小时的光谱偏移量。对于SBUS,利用此方法定标得出的光谱偏移量为0.10 nm。利用SBUS星上汞灯光谱验证了定标结果的最大误差为0.01 nm,满足仪器指标要求。实验结果证明了高精度在轨光谱定标方法的可行性及精度。     

An inter-comparison of far-infrared line-by-line radiative transfer models

A considerable fraction (>40%) of the outgoing longwave radiation escapes from the Earth's atmosphere-surface system within a region of the spectrum known as the far-infrared (wave-numbers less than 650 cm⁻¹). Dominated by the line and continuum spectral features of the pure rotation band of water vapor, the far-infrared has a strong influence upon the radiative balance of the troposphere, and hence upon the climate of the Earth. Despite the importance of the far-infrared contribution, however, very few spectrally resolved observations have been made of the atmosphere for wave-numbers less than 650 cm⁻¹. The National Aeronautics and Space Administration (NASA), under its Instrument Incubator Program (IIP), is currently developing technology that will enable routine, space-based spectral measurements of the far-infrared. As part of NASA's IIP, the Far-Infrared Spectroscopy of the Troposphere (FIRST) project is developing an instrument that will have the capability of measuring the spectrum over the range from 100 to 1000 cm⁻¹ at a resolution of 0.6 cm⁻¹. To properly analyze the data from the FIRST instrument, accurate radiative transfer models will be required. Unlike the mid-infrared, however, no inter-comparison of codes has been performed for the far-infrared. Thus, in parallel with the development of the FIRST instrument, an investigation has been undertaken to inter-compare radiative transfer models for potential use in the analysis of far-infrared measurements. The initial phase of this investigation has focused upon the inter-comparison of six distinct line-by-line models. The results from this study have demonstrated remarkably good agreement among the models, with differences being of order 0.5%, thereby providing a high measure of confidence in our ability to accurately compute spectral radiances in the far-infrared.     

基于粒子群优化支持向量机的太阳电池温度预测

建立通用而精确的太阳电池热模型对光伏系统的建模、输出功率与转换效率的损失分析至关重要. 基于复杂的太阳电池温度机理, 分别研究了太阳电池温度的稳态热模型(steady state thermal model, SSTM)和支持向量机(support vector machines, SVM) 方法建立的精确预测热模型. 首先, 基于空气温度、太阳辐射强度、风速3个最主要因素与太阳电池温度的近似线性关系, 在已有SSTM的基础上, 建立并校正了太阳电池的SSTM并采用差分进化算法提取模型的未知参数. 其次, 为提高SVM的模型预测精度, 采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO) 算法对SVM的核参数和惩罚因子进行动态寻优, 在确定输入/输出样本集并划分训练集和测试集的基础上, 建立了基于粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)的太阳电池温度精确预测热模型. 最后, 搭建实验平台, 在实验操作过程中减弱空气湿度、太阳入射角和热迟滞效应等因素对太阳电池温度的耦合. 通过实验对比表明, 建立的预测热模型性能可靠、全面、简洁, 其参数寻优算法优于遗传算法和交叉校验法, 模型预测精度优于反向传播神经网络(back propagation neural network) 和SSTM.     

激光光刀法三维测量系统中的光谱匹配问题

用激光光刀法三维工业测量系统在室外进行大型堆场体积测量时，太阳幅射形成强烈的背景噪声，严重影响激光光刀图像的对比度，甚至湮没掉光刀图像。通过埘太阳光谱特性、大气吸收特性、被测物体的反射特性、光学成像系统的透过特性及CCD图像传感器的光谱响应特性的分析，提出了激光波长的选择与CCD光谱响应特性的匹配原则，并给出了相应实验结果。     

一种基于单元型红外光谱辐射计的成像光谱数据获取系统设计

依据单元非成像型光谱辐射计的特点,提出了一种单元非成像型红外光谱辐射计的成像光谱数据获取系统.该系统采用在光谱辐射计前端加装扣描装置.结合同步控制器,实现光谱辐射计的空间扫描.利用光谱辐射计提供的接口,完成了采集获得的成像光谱数据的批量定标.该系统可达到500×500像素的空间分解能力,光谱范围667～5 000 cm-1,光谱分辨率为1 cm-1,空间视场角为150°,瞬时视场角为0.3°.将该系统应用于实际的场景光谱数据获取,通过对得到的实验数据分析和比较,说明本文给出的基于非成像光谱辐射计的成像数据获取系统,能够实现实际场景的成像光谱数据获取,能够满足实时性要求不太高的成像光谱数据获取.     

Spectroradiometer for Monitoring Near-Earth Ultraviolet Solar Radiation

An automated spectroradiometer for monitoring levels and doses of biologically active UV radiation has been developed. An original design of a double grating zero-dispersion monochromator is proposed. The main characteristics of the design have been tested and it has been shown that as to its parameters the spectroradiometer complies with the recommendations of the World Meteorological Organization for network meters of natural UV radiation. The results of monitoring the spectral distribution and daily doses of the solar UV radiation at the Minsk Ozone Station are presented, and the estimated values of their seasonal variations have been determined.__________Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 2, pp. 264–270, March–April, 2005.     

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1 nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO₂吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。