CE318型太阳光度计关键技术及误差分析

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1、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

2、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 Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318 Bian Liang 1,2, Li Baosheng1, Li Donghui2(1 School of Instru

3、ment Science and Opto-electronics Engineering, Hefei university of Technology, Anhui Hefei 230009, China; 2 Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)Abstract: Due to its high precision, multi-parameter, easy to maintain, Ground-Based Remote sensing

4、 monitoring of atmospheric aerosol has developed rapidly in recent decades. Sun photometer CE318 is the main instrument for ground-based remote sensing monitoring. It is becoming increasingly popular under the influence of AERONET established by NASA. The automatic aerosol remote sensing monitoring

5、network based on CE318 is improving gradually in China. This presentation briefly introduced the basic structure and function of CE318 sun photometer, and presented in detail its three key technologies of high precision spectrometer detection, high precision sun-tracking and automated measurement, i

6、n addition, analyzed its error sources. These studies provide support to aerosol remote sensing monitoring based on CE318.Key words: CE318; Sun photometer; Ground-based remote sensing; Key technologies; Error analysisCE318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CE

7、318，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AERONET1。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。1 CE318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

8、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1 CE318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

9、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2 CE318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

10、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

11、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

12、的光电探测器组成5，每个光电探测器分别占据、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

13、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（principal plan，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，

14、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。3 CE318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

15、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HAMAMATSU PHOTONIC公司生产的S1336系列硅光电二极管，如图2所示，该光电探测器对于各个波段的温度效应影响，在300nm到900nm之间基本没有，对于CE318的主要影响表现在1020nm波段，以工作标准温度为基准，每变

16、化1摄氏度，探测精度误差可达到0.3%左右，如果有30多摄氏度的温度差异，CE318的光电探测器在1020nm处的数据误差就将达到10%以上，这样的误差是巨大的，如果不考虑温度效应的误差影响，利用此观测数据计算和反演得出的结果必将出现错误。 图2 S1336系列硅光电二极管温度效应曲线3.1.2 仪器视场角误差CE318仪器的固有视场角一般为1左右，这样的固有视场角的原因，导致进入仪器的辐射量除了太阳直接辐射的以外，还有一部分天空散射光，实际测得的辐射值可用公式表示如下7：E= E0,exp(-m)+ Ldd （1）由公式（1）可见，视场角引入的散射光辐射为Ldd这部分，其中Ld为天空散射光亮

17、度，为立体角。由于天空散射光的影响，使得仪器测得的太阳辐射值比实际值要大，这样计算出来的总光学厚度比实际值要小。根据辐射传输方程，天空散射光辐射与立体角大小如下式8：E()=FmP()+ q() （2）式中F为辐射通量密度（又称辐照度），m为大气质量数，为仪器的立体角，为单词散射反照率，是总的光学厚度，P()是总的散射相函数方程，q()表示多次散射作用效果，表示散射角度。由式（2）知，太阳光度计的立体角天空辐射测量值的影响呈线性关系，若视场角误差达到5%，则对于天空辐射测量值得影响也可达到5%，这么大的误差会给计算反演过程带来很大的误差和不确定性。3.1.3 光电探测器灵敏度误差光电探测器灵敏

18、度与入射光波长有着密切的关系，光电探测器的光谱响应特性可以反映光电探测器灵敏度特性。CE318可见光探测器是S1336系列的硅光电探测器，近红外光探测器是J22系列的1.7m铟镓砷探测器。图3和图4分别为这两种光电探测器的灵敏度光谱响应曲线。如图3所示，硅光电探测器在温度25摄氏度的光谱响应范围，按照一般定义约为500nm1050nm，其灵敏度峰值在约970nm波长处，主要光谱范围在可见光范围内，所以该探测器在CE318测量时主要用来探测可见光光谱通道的辐射。如图4所示，1.7m铟镓砷探测器在22摄氏度的光谱响应范围约为900nm1680nm，其灵敏度峰值约1600nm处，主要光谱范围在近红外

19、和红外光范围内，所以该探测器在CE318测量时主要用来测量近红外和红外光谱通道的辐射。由于探测器型号差异、探测器个体差异、探测器不同波段响应差异等原因，CE318光电探测器响应带来的误差也需要在模拟信号转换成数字信号的电路系统中考虑，灵敏度与光电响应标准值的差别多少，直接影响了观测数值与实际辐射值的误差大小。 图3 硅光电探测器灵敏度光谱响应曲线 图4 铟镓砷探测器灵敏度光谱响应曲线（T=22C）3.2 仪器定标误差整层大气的总的气溶胶光学厚度为，在计算总光学厚度的时候，与太阳光度计的定标常数V0,、太阳光度计实测值V等有关系，则由仪器定标误差引起的总光学厚度误差可以表示为9：=V0,/(mV

20、0,) （3）由公式（3）可见，仪器的定标误差直接影响了CE318观测数据计算AOD的值。对仪器进行定标是为了减小仪器误差、确保仪器观测数据质量和可靠程度的，如果得出的定标常数误差过大，则由仪器观测数据计算反演出来的各项参数必将包含更大的误差，如果再以这些结果去给卫星遥感进行对比验证，其衍生的误差将无法估量。CE318的仪器定标主要有三种方法，标准光源的室内定标、Langley法定标和对比定标。这几种常用的定标方法都会产生定标误差。标准光源的室内定标简单易行，室内环境可控性大，但是不同标准光源存在着5%-10%的相对误差，因此存在着较大的不确定性10。目前，室内定标使用的标准光源多为积分球辐射

21、源，通过精密的光学结构设计和高精度的电源控制，可以实现较高的面均匀性和输出稳定性。但是仍然在各个波段仍然存在着2%-3%的综合不确定度，如表2所示11。表 2 积分球辐射源不确定度波长/nm标准灯积分球8灯全开亮度值(Wcm-2sr-1nm-1)不确定因子/%综合不确定度/%标准值/(Wcm-2nm-1)不确定度/%测量几何波长定位稳流4409.4810-72.26.4310-61.20.50.60.22.65001.7910-62.11.4610-51.10.50.40.22.57004.7110-62.04.3810-51.00.50.20.22.38705.9710-62.05.1310

22、-51.00.50.20.22.39406.0510-62.14.9710-51.40.50.20.22.610206.0610-62.14.7610-52.00.50.20.23.0注：参照标准1000W卤钨灯（编号93004）；工作条件：8.500A；稳流精度：0.05%。Langley法定标的要求是大气条件稳定，而这一条件是比较难以把握的，因此利用Langley法定标也存在着较大的不确定性，而且Langley曲线的确定是由仪器自身观测数据进行拟合得到的，仪器自身原因带来的观测误差则难以把握，拟合时采用的数学方法也会产生不确定的误差。标准光度计的对比定标要求对比参照的标准太阳光度计的标准高

23、，这种对比定标的方法，最大的误差来源就是标准仪器相对于标准的偏差程度。由于用于参照的标准光度计选择的不同，标准光度计的误差难以把握，进行对比定标的误差不确定度更大。3.3 计算反演误差利用仪器观测数据进行AOD（气溶胶光学厚度）计算和参数反演时，要用到很多的数学原理和方法，这些方法在处理这样复杂的问题时，会给计算反演的结果带来误差，其中最重要的是AOD计算的误差，可用以下公式表达12：a,=-m+V0, /V0, -V/V+(2d0/d0-2d/d)/m-r,-g, (4)公式（4）中，m/m表示大气质量数m的计算误差；(V0, /V0, )/m是太阳光度计的定标误差；(V/V)/m是太阳光度

24、计的测量误差；(2d0/d0-2d/d)/m是日地距离计算误差，d0是日地平均距离，d是观测时日地实际距离；r,是大气分子瑞利散射光学厚度的计算误差；g,是除水汽外其它吸收气体光学厚度的计算误差。在计算AOD的这些误差因素中，除了仪器测量的误差和定标误差之外，其余各项误差都是在数据处理的过程中计算相关参数引入的误差，使用准确的计算公式可以减小这些计算误差的产生，降低对气溶胶光学厚度的影响。AOD作为反演气溶胶光学特性参数时的重要部分，计算AOD时的误差a,，比然会引起后续反演计算时的误差，根据误差传递原则，最终得出的结果必然存在更大的误差和不确定性。因此，计算AOD和气溶胶光学特性参数反演时的

25、误差控制的主要方法是对计算参数精度的把握和数学方法的科学合理应用。4 小结随着技术的发展和成熟，CE318作为地基遥感监测网络的基本仪器，将在大气气溶胶网络化、自动化监测领域发挥越来越重要的作用。本文介绍了CE318的基本结构和各组成部件的功能，并从高精度分光探测、高精度太阳跟踪对准、自动化测量三个方面分析了该仪器的关键技术，较为深入地把握了CE318的工作原理和方法。进一步分析了CE318在仪器自身、仪器定标和计算反演三个方面的误差，明确了仪器的误差来源，为仪器维护、提高仪器稳定性、提高仪器观测精度和观测数据分析等方面提供了支持，对基于CE318的大气气溶胶地基遥感观测的高精度发展有着一定的

26、参考意义。参考文献：1. Holben B N, Eck T F, Slutsker I, Tanre D, Buis J P, Setzer A, Vermote E, Reagan J A, Kaufman Y J, Nakajima T, Lavenu F, Jankowiak I and Simirnov.1998.AERONET-A federated instrument network and data archive for aerosol characterization. REMOTE SENS. ENVIRON, 66 (1), 1-16.2. Che H, Zhang

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