CE318型太阳光度计关键技术及误差分析_精品文档.doc

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CE318型太阳光度计关键技术及误差分析

卞良作者简介：

卞良（1986—），男，硕士研究生，研究方向为大气气溶胶高精度光学遥感监测方法研究；李保生（1974—），男，博士，副研究员，主要从事干涉测量方法、气溶胶测量、地基遥感网络自动化方面的研究

，2李保生1李东辉2

（1合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009；

2中国科学院遥感应用研究所北京100101）

摘要：

大气气溶胶地基遥感监测由于其精度高、参数多、易于维护等特点，近几十年里发展迅速。

CE318型太阳光度计作为地基遥感监测的基本仪器，在美国NASA建立的气溶胶自动监测网AERONET的影响下，越来越普及。

中国正在逐步建立和完善以CE318为基础的气溶胶自动监测网。

本文简单介绍了CE318型太阳光度计的基本结构和功能，详细介绍了其高精度分光探测、高精度太阳跟踪和自动化测量三个方面的关键技术，并对仪器误差来源做了深入分析，为基于CE318的气溶胶地基遥感监测提供支持。

关键词：

CE318；太阳光度计；地基遥感；关键技术；误差分析

中图分类号：

P407；P111.41；P122

KeyTechnologiesandErrorAnalysisofSunPhotometerCE318

BianLiang1,2,LiBaosheng1,LiDonghui2

（1SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,HefeiuniversityofTechnology,AnhuiHefei230009,China;2InstituteofRemoteSensingApplications,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China）

Abstract:

Duetoitshighprecision,multi-parameter,easytomaintain,Ground-BasedRemotesensingmonitoringofatmosphericaerosolhasdevelopedrapidlyinrecentdecades.SunphotometerCE318isthemaininstrumentforground-basedremotesensingmonitoring.ItisbecomingincreasinglypopularundertheinfluenceofAERONETestablishedbyNASA.TheautomaticaerosolremotesensingmonitoringnetworkbasedonCE318isimprovinggraduallyinChina.ThispresentationbrieflyintroducedthebasicstructureandfunctionofCE318sunphotometer,andpresentedindetailitsthreekeytechnologiesofhighprecisionspectrometerdetection,highprecisionsun-trackingandautomatedmeasurement,inaddition,analyzeditserrorsources.ThesestudiesprovidesupporttoaerosolremotesensingmonitoringbasedonCE318.

Keywords:

CE318;Sunphotometer;Ground-basedremotesensing;Keytechnologies;Erroranalysis

CE318系列自动跟踪扫描太阳光度计（简称：

CE318）是由法国CIMEL公司生产的高精度太阳和天空辐射测量仪器，是目前进行大气气溶胶地基遥感观测的基本仪器。

基于CE318，美国NASA建立了致力于监测全球主要区域气溶胶光学特性的地基监测网络AERONET[1]。

CE318测得数据可以用来计算气溶胶光学厚度、反演大气透过率和大气水汽总量等信息[2]，也可以用来反演气溶胶粒子的单次散射反照率、粒子尺度谱分布和散射相函数等[3]，同时可为卫星遥感数据进行对比验证。

通过对CE318关键技术的分析，深入地把握仪器的工作原理和方式，进一步分析仪器的误差来源，有效地判断仪器工作状态，提高仪器观测精度。

1CE318的结构和功能

CE318仪器主要由传感器头、电动系统、电子控制盒三大部分组成。

传感器头又称光学头，是由各传感器组成，将温度和辐射信号通过传感器转换成电信号进行存储分析。

电动系统又称机械臂，主要由机械底座和马达组成，起到固定传感器头并带动其进行全球面扫描的作用。

电子控制盒主要是对仪器测量程序控制和步进马达系统控制，根据软件预设的扫描测量指令，控制马达系统使仪器高精度地对准太阳或者进行天空光扫描，获取太阳直射或者天空光辐射观测数据。

电子控制盒有多个接口，实现整个仪器的供电、数据采集传输等功能，还可以根据用户需要发展其它扩展模块功能。

具体各部分组成及功能见表1。

表1CE318各单元部件及其功能

组成部分

包含部件

功能

传感器头

两个光电探测器

探测与各自波段相符的光电响应值

光电四象限定位探测器

实现传感器头精确对准太阳

电动滤光轮（带窄带滤光片的圆形电动转盘）

通过旋转滤光轮选择滤光片，得到相应波段的观测值，可装偏振片进行偏振观测。

温度传感器

实时实地测量温度

控制电路

控制滤光轮转动，控制各传感器工作

电子控制盒

主CPU程序卡

控制传感器头的测量程序

辅CPU程序卡

控制马达系统的运行程序

内部电池

为内部电路板供电

显示屏

显示操作界面

电缆连接接口面板（电动系统、电源、数据传输、传感器头、感雨器等接口）

为各接口连接单元供电，实现控制信号和数据传输等接口模块功能

电动系统

水平马达

水平面旋转

垂直马达

垂直面旋转

控制电路

控制马达旋转程序

2CE318关键技术分析

2.1高精度分光探测

CE318的分光方法是利用多个窄带滤光片组成的滤光轮，由步进电机带动滤光轮旋转切换不同的滤光片实现分光。

为了精确测量某一个波段的太阳直接辐射，在滤光片的设计和制作等方面，CE318选用的窄带滤光片要比其它普通滤光片有更高的技术要求，窄带滤光片有较好的峰值透过率、较小的半波宽度和较高的背景截止深度，能从太阳辐射光谱中选择通过特定的波段而不受其它波段太阳辐射的影响，保证了测量精度。

CE318滤光片在不同环境温湿条件下都有很好的光学稳定性。

仪器的光谱通道为340，380，440，500，675，870，936，1020，1640（nm）。

波段范围在340nm到1640nm之间，包含了紫外、可见光、近红外、红外波段，CE318装置了两种光电探测器，一种是增强型硅光电探测器，可以很好地探测可见光和紫外波段的辐射，一种是铟镓砷探测器可以很好地探测近红外和红外波段的辐射，两种探测器稳定的性能和光谱特性，保证了探测数据的高精度。

2.2高精度太阳跟踪对准

CE318通过计算太阳运行轨迹和四象限探测器微调相结合的方式实现高精度太阳跟踪。

太阳位置的运行规律是可循的，可以通过当地的经纬度和时间计算出来[4]。

CE318在安装过程中，需要向电子控制盒输入安装地点的经纬度并核对系统时间，通过经纬度和时间计算得到太阳位置，发送指令控制电动系统，利用水平垂直双旋转轴，实现太阳的初步对准。

由于太阳位置计算公式本身存在着一定的误差，仪器并不能完全对准太阳，可通过四象限探测器的光电探测效应进行调整。

如图1所示，四象限探测器是由四个相同的光电探测器组成[5]，每个光电探测器分别占据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限，在太阳光成像到四象限探测器的探测面上时，会形成一个一定尺寸的光斑（图1所示网状圆形），此光斑分在四个象限部分分别为A、B、C、D，其光电效应产生的电信号值经过放大后分别为VA、VB、VC、VD，若光斑圆心与四象限探测器圆心重合，即表示精确对准太阳，若没有对准太阳，则其偏移量Vx、Vy可用VA、VB、VC、VD表示Vx=（VA+VD）-（VB+VC），Vy=（VC+VD）-（VA+VB）。

CE318在分析了四象限探测器的四个象限的电信号后，会根据偏移量Vx、Vy的大小发送相关调整指令，控制仪器电动系统进行微调，实现精确对准太阳。

图1四象限探测器原理示意图

2.3自动化测量

CE318根据自动测量程序实现自动太阳跟踪扫描观测，自动将数据存储并定时传到计算机保存，实现野外长期无人值守工作，其高精度、高稳定性的自动观测是其重要的特征。

CE318主要依据大气质量数的变化，进行自动的太阳直接辐射测量或者天空光辐射扫描测量。

太阳直射辐射，是程序控制光学头对准太阳后，直接探测太阳光直射辐射在各波段的响应值，获取观测数据。

天空辐射测量有两种扫描方式：

ALM扫描（almucantar，平纬圈扫描）和PPL扫描（principalplan，太阳主平面扫描）。

ALM扫描指光学头的太阳天顶角不变，观测方位角扫描；PPL扫描是指光学头观测方位角不变，太阳天顶角扫描。

这两种扫描方式都可以反演大气气溶胶的微物理和光学特性参数，在气溶胶稳定的大气状态下进行太阳光晕测量和大范围散射角度天空光测量，以便推算汽溶胶的颗粒分布、相位函数和光学厚度[6]。

测量获取的数据，会存储在CE318的电子控制盒里面的存储单元里，通过RS232串行接口通信，可以将数据根据设置的自动传输时间，传输到接收端的计算机上保存，也可以通过DCP卫星通信无线远程传输到服务器端。

CE318配有太阳能电板可通过太阳能供电工作；外接的智能雨水传感器，下雨时为保护仪器可以自动停止仪器工作。

3CE318误差分析

利用CE318进行地基遥感观测计算AOD和反演气溶胶光学特性过程中，存在着多种误差，根据误差来源可以分为仪器自身误差、仪器定标误差和反演计算误差三个方面。

3.1仪器自身误差

3.1.1温度效应误差

CE318仪器正常工作温度为摄氏零下30度到60度，工作温差范围达到90度，所以温度效应误差也是必须考虑的问题。

温度会影响整个仪器的工作，其作用的对象主要是光电探测器和电子电路系统，包括系统中的各个元器件。

CE318探测可见光波段的光电探测器是HAMAMATSUPHOTONIC公司生产的S1336