用于测量太阳总辐射的空间辐射计

简述了在不同航天任务上测量太阳总辐射的各种辐射计,以及这些辐射计的结构、仪器特性、原理和运行等。这些空间辐射计大多数采用电标定的原理,以腔体探测器作为感知太阳总辐射的传感器。讨论了空间辐射计寻日方式对太阳总辐射测量精度的影响。最后,结合以往宇航任务中太阳总辐射测量的历史和经验,简述了高精度测量太阳总辐射空间辐射计的发展趋势。     

卫星上绝对辐射计观测太阳时与太空的辐射交换

分析了卫星上用宽视场绝对辐射计（常温300K）观测太阳时与其视场内太空冷背景（4K）的辐射交换,它实际上是辐射计的接收腔向太空发射辐射,相当于辐射计接收了“负辐射”。视场宽时太空背景的这一“负辐射”量是不能忽略的,由于观测太阳（其视角很小为32’）的同时接收了充满其视场的太空“负辐射”,因此直接测得的数据比实际太阳辐射量值要小,需要加上这一“负辐射”量才能得到真正太阳辐射量值。研究出了用电功率补偿三步测量工作流程同时测量这一“负辐射”量和太阳辐照度的方法。在神州三号飞船轨道舱太阳常数监测器上的宽视场绝对辐射计采用这种工作流程测量了太阳辐照度,测得太空背景的“负辐射”值同计算值相同。     

太阳辐射计直射通道实验室定标方法研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递标准,将可调谐激光导入积分球,通过功率稳定、退相干等措施,形成均匀、稳定、无偏的辐照度场。利用替代定标技术,对太阳辐射计CE318的870nm直射通道的三个偏振通道(P1、P2和P3)和无偏通道(UP)的绝对光谱辐照度响应度进行了光谱扫描定标,获得这四个通道的光谱辐照度响应度,并预测了大气层顶太阳辐照度的信号值。最后,对定标过程的不确定度进行评价,三个偏振通道和无偏通道的定标不确定度分别达到了1.83%、1.98%、1.73%和1.2%,与Langley定标法定标精度相当。     

太阳辐照绝对辐射计及其在航天器上的太阳辐照度测量

介绍了我国自主研制的太阳辐照绝对辐射计(SIARs)的原理和结构,该辐射计主要有两个创新点,即把电加热导线埋入锥腔壁以提高光电等效性和用无源热电温度传感器代替有源电阻温度传感器。SIARs参加了第九届和第十届国际日射（强度）计比对（IPC IV和IPC X）, 同世界辐射基准（WRR）在02％以内符合。 置于世界辐射中心(WRC)的用于保存和传递WRR的世界标准（辐射计）组（WSG）上的两台SIARs已同WSG仪器进行了6年的比对测量,性能稳定,不确定度在0.2％以内。“神舟三号”飞船应用SIARs构成的太阳常数监测器进行了5个月的在轨测量,与同期国外星上测量数据在0.2％以内吻合。采用3台SIARs构成的“风云三号”卫星太阳辐射监测仪从2008年6月起也已经开始了长期的在轨测量。     

高光谱地基CO_2太阳辐射计的定标

介绍了一种用于大气CO2太阳吸收光谱地基观测的高光谱太阳辐射计,包括仪器的设计结果及相对光谱辐射亮度的测量原理。以可调谐红外激光器加积分球作为定标光源,详细介绍了波长、仪器线型函数的定标过程和方法。定标结果表明,在仪器有效工作波段(1560~1575nm)内,光谱分辨能力为0.097nm,杂散光水平在0.5%左右。定性比较了仪器的大气CO2太阳吸收光谱测量结果与LBLRTN软件的理论计算结果,两者在吸收峰的强度、位置、形状等方面都具有较好的吻合度。     

西藏地面太阳总辐射与紫外线的观测

地面太阳光谱记录了太阳光经历大气层的烙印与信息,为大气环境、生态保护等研究提供实地依据。西藏高原空气稀薄,地面太阳辐射超强,观测西藏地面太阳光谱为太阳能利用提供实地数据。文章较系统地报道了西藏地面太阳光谱的实地观测结果,为相关高原科学研究提供高精度数据。利用RAMSES光谱仪、CMP6太阳总辐射仪和NILU-UV太阳紫外辐射仪对西藏不同地区、不同季节太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线进行了全方位的实地观测研究。观测研究了高海拔的西藏拉萨和那曲以及低海拔的北京和成都的光谱特征;研究了拉萨二分二至当地正午（北京时间13:55时）太阳光谱观测结果;对西藏地面光谱与AM1.5和AM0标准光谱进行了对比研究。观测研究了西藏拉萨和那曲太阳总辐射、太阳紫外线强度特征。研究发现拉萨夏季可见和红外区光谱光强度甚至超过AM0光谱相应波长的强度,即：拉萨地面可见光和红外光强度偶尔超过大气层顶部的相应波长光强,是由部分云的反射增量所致;拉萨光谱谱峰出现在波长476.6 nm左右,在2017年的夏至观测到的最大值为2.331 W·m-2·nm-1。然而,对太阳紫外线（280～400 nm）光谱的观测发现地面太阳紫外区的光谱强度总是明显低于AM0光谱相应区光强,表明短波的紫外光被大气臭氧有效吸收。虽然拉萨海拔3 680 m,但通过对拉萨当地正午太阳紫外光谱分析发现拉萨地面波长小于300 nm的太阳紫外光谱强度几乎为零,表明波长小于300 nm的太阳紫外线被大气层吸收,没有到达地面。同时,研究了西藏高海拔太阳光谱与北京、成都低海拔太阳光谱特征,揭示了各地大气成分、含量等诸多信息。报道了2010年7月-2013年12月期间西藏太阳总辐射的观测结果;结果显示拉萨当日太阳总辐射最大值中约18%超过了太阳常数（1 367 W·m-2）。观测发现拉萨太阳总辐射瞬时最大值达到了1 756.09 W·m-2（2011年6月24日）。报道了2008年7月-2013年12月期间西藏太阳紫外线的观测结果;结果显示拉萨和那曲UVA日最大值平均值约为67 W·m-2,UVB日最大值平均值约为5.1 W·m-2;拉萨和那曲当日太阳紫外线A和紫外线B最大值变化趋势保持了很好的一致性,在5年多的观测期间紫外线强度没有出现明显的增强或减弱趋势。     

锚链式水下多光谱辐射计的设计

研发了一种向下光谱辐照度和向上光谱辐亮度的锚链式水下多光谱辐射计,主要用于深层海水的测量。解决了水下光学窗口的污染问题。采用高灵敏度光电探测器与高精度ADC相结合的方法探测了深层海水的微弱光信号。电池的使用采用了时钟控制和间断供电方式。通过电感式Modem实现了数据的实时传输。     

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。     

西藏日食太阳辐射观测研究

日食现象会对地球太阳辐射、大气气象以及人类活动等造成相应的影响。2020年6月21日（夏至）在西藏发生了一次日食现象,西藏阿里日环食最大食分达到了0.995,拉萨地区日偏食食分也高达0.953。两地日食均发生在当地正午前后。本研究利用罕见的日食出现机会,对西藏阿里和拉萨日食过程中的太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线变化特征进行了同步观测研究。观测表明阿里日环食在当地正午（北京时间14:41分）前后持续了约3小时27分钟;拉萨日食出现时间比阿里滞后约26 min,持续时间比阿里短3分28秒。实地观测表明在日食期间,阿里光谱观测中最强单色（476.6 nm）光峰值从初亏（13:01分）时刻的1 669.234 mW·m-2·nm-1陡然衰减到食甚（14:44分）时刻的61.936 mW·m-2·nm-1,损失约96.0%;相应时刻太阳总辐射强度从1 221.217 W·m-2衰减到56.086 W·m-2,也损失约95.4%。拉萨日食期间最强单色（476.6 nm）光峰值从初亏（13:27分）时刻的1 563.876 mW·m-2·nm-1亏损到食甚（15:13分）时刻的26.391 mW·m-2·nm-1,亏损约98.3%;相应时刻太阳总辐射强度从1 605.663 W·m-2衰减到28.169 W·m-2,也亏损约98.2%。观测研究发现拉萨太阳紫外线B剂量率从初亏的60.8 W·m-2减弱到食甚的0.9 W·m-2值,减弱了98.5%。该次日食对西藏地面各种太阳辐射强度造成95%以上能量损失。     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

太阳辐射观测仪余弦误差修正方法

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度,针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差,研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素,提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法,以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求,利用TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真,利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光,并实测余弦误差.实测结果表明,余弦器外露配合挡光环形式下,入射角小于±80°,余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差,提高太阳辐射观测准确度.     

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。     

基于MATLAB的黑体辐射量计算

介绍了黑体辐射理论,利用MATLAB求解了普朗克黑体辐射公式在有界域λ1～λ2内的积分,通过实例对梯形法和辛普森法两种数值积分方法进行了分析和比较。并在此基础上对距黑体一定距离处探测器表面的辐照度值E进行了研究。通过分析可知,利用梯形法和辛普森法能够方便求出黑体在有界域内的辐出度值。此外,利用MATLAB编制的相应的计算界面,能够实现辐出度和辐照度的快速计算。     

基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

基于LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

基于P-N结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟

通过分析实际P-N结与理想模型之间的差别,建立了P-N结二极管及太阳能电池的数学模型;利用Matlab中的系统仿真模块库建立仿真模型,设置参量,求解模型方程并绘制了图形.对太阳能电池在一定光照下旁路电阻及串联电阻取不同数值时对其开路电压、短路电流及填充因子的影响做了模拟,并与实际测得的硅太阳能电池伏安特性进行了比较.模型分析与实验测量的结果表明等效的旁路电阻和串联电阻分别影响电池的开路电压和短路电流.仿真结果与实验测量结果一致.