陷阱探测器温控装置的设计

陷阱探测器是太阳光谱辐照度仪中的核心部件,其响应率会随温度变化,为了保证在野外大温度范围内太阳光谱辐照度的长期高精度观测,需要对其进行自动的温度控制。提出了使用半导体制冷器(TEC)来进行温控的方法,分别设计了基于DSP和基于ADN8830两种温控电路来实现TEC的驱动控制,基于DSP的方法使用数字温度传感器DS18B20作为温度传感器,通过开关-PID算法产生控制信号来驱动TEC,基于ADN8830的方法使用热敏电阻作为温度传感器,采用内部的集成算法来进行温度控制。通过实验对两种温控电路的效果进行了比较测试,结果表明,相较于基于DSP的方法,基于ADN8830的温控方法简单且效率高,能够在-10℃～40℃的范围内,快速、有效地控制陷阱探测器的温度,使其稳定工作在25±0.12℃的范围内。     

太阳光谱辐照度仪波长扫描设计北大核心CSCD

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求,为精确监测太阳光谱辐照度,研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成,其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构,是保障仪器测量精度的关键。为此,设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置,采用定时器主从方式控制电机旋转,并利用STM32驱动线阵CCD工作,结合CCD检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制,闭环控制精度小于2个像元宽度。最后,对线阵CCD的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试,测试结果表明CCD质心位置检测的标准差为0.0693,最大偏差不超过0.3像元宽度,系统运行时闭环精度小于2个像元宽度,满足波长扫描的重复性和稳定性要求。     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN40模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

太阳光谱辐照度仪自动跟踪装置的设计与测试

为了实现太阳光谱辐照度的高精度观测,提出了视日运动轨迹和光电跟踪相结合的太阳自动跟踪方案,详细论述了视日运动跟踪计算原理和基于四象限探测器的跟踪装置设计。为检测该装置的跟踪精度,设计了基于线阵CCD探测器的跟踪精度检测系统,并开展了室外观测实验。测试结果表明,太阳跟踪精度为±0.030°,稳定性优于1.4%,所设计的太阳跟踪装置在跟踪精度和稳定上均能够满足太阳光谱辐照度观测的高精度跟踪要求。     

超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

无人值守的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计

介绍了自行研制的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计。仪器的光谱范围为400～2500 nm,包括三个分光探测单元,可实现太阳总辐照度、天空漫射辐照度、太阳直射辐照度和漫总比的长期自动测量。为验证光机系统设计的合理性,对外场实验数据进行了分析。通过与传统人工测量漫总比数据的对比,发现两种方法的漫总比偏差小于2%。仪器具备与传统测量方式相当的辐照度测量精度,在卫星遥感器自动化定标中具有一定的优势。     

基于四象限探测器进行太阳跟踪的偏差分析

为了实现基于四象限探测器的太阳自动跟踪,首先分析了四象限光电探测器工作原理,并说明了选择四象限探测器的依据,介绍了使用四象限探测器进行太阳跟踪的装置,深入研究了太阳光斑几何位置与小孔光阑、四象限探测器安装位置可能存在的偏差影响,对四象限探测器与Ⅰ-Ⅴ转换电路系统进行了一致性分析,评价了一致性对跟踪精度的影响,最后介绍了跟踪时四象限探测器电压值存在偏差的原因和合理性.实验证明,基于四象限探测器的跟踪装置适用于高精度太阳跟踪.     

基于可调谐激光器的太阳光谱辐照度仪定标方法

太阳光谱辐照度仪是利用棱镜分光技术对太阳直射辐射进行连续光谱测量的新型仪器,为了实现高精度观测要求,开展了基于可调谐激光器的系统级定标方法研究。使用激光导入积分球产生的均匀辐照度场作为定标光源,利用标准辐照度探测器作为传递标准,将低温绝对辐射计的辐射标准传递到太阳光谱辐照度仪。在仪器的870 nm波段进行了定标实验,与标准灯法、Langley法得到的定标系数进行比对,偏差分别为2.84%和4.08%,验证了该方法的可行性。根据不确定度评估规范,这种定标方法的不确定度优于0.882%,可以用于高精度的太阳光谱辐射观测。     

连续光谱地表反射特性自动观测辐射计的光机设计

介绍了连续光谱地表反射特性自动观测辐射计(SCR)的光机系统设计.SCR辐射计的光谱范围为400~2 400 nm,能够实现地表反射率的长期自动观测.所设计的SCR辐射计使用经过定标的漫反射参考板作为反射率标准,漫反射参考板通过转臂自动切入、切出测量光路.为保证参考板在野外的长期适用性,设计了参考板清洁机构.对易发生失效的转臂进行静力学分析.结果表明:转轴位置会发生应力集中,且距离转轴位置越远,变形量越大,变形引起的参考板水平误差在0.3°以内,满足应用需求.为验证SCR辐射计测量数据的准确性和仪器的可靠性,设计了SCR辐射计和SVC光谱仪的比对试验.试验结果表明:两台仪器所测量的反射率具有相同的变化趋势,二者偏差普遍在±1%以内,最大偏差在±3.5%以内.SCR辐射计能够实现较高精度的反射率数据自动测量,在卫星遥感器外场自动化定标和高频次定标方面具有重要应用前景.     

可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块,其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm),讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成,分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm),近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm),光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光,线阵探测器探测信号,光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关,装调结果的好坏能反映光机设计的优劣,针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明:3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm,15 nm和20 nm,达到了仪器的设计指标,验证了光机设计、装调的合理性。