CE318型太陽光度計關(guān)鍵技術(shù)及誤差分析

1、CE318型太陽光度計關(guān)鍵技術(shù)及誤差分析卞良 作者簡介：卞良(1986)，男，碩士研究生，研究方向為大氣氣溶膠高精度光學(xué)遙感監(jiān)測方法研究；李保生(1974)，男，博士，副研究員，主要從事干涉測量方法、氣溶膠測量、地基遙感網(wǎng)絡(luò)自動化方面的研究，2 李保生1 李東輝2 （1合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 安徽合肥 230009；2中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所 北京 100101）摘 要：大氣氣溶膠地基遙感監(jiān)測由于其精度高、參數(shù)多、易于維護等特點，近幾十年里發(fā)展迅速。CE318型太陽光度計作為地基遙感監(jiān)測的基本儀器，在美國NASA建立的氣溶膠自動監(jiān)測網(wǎng)AERONET的影響下，越來越普及。中國正在逐步

2、建立和完善以CE318為基礎(chǔ)的氣溶膠自動監(jiān)測網(wǎng)。本文簡單介紹了CE318型太陽光度計的基本結(jié)構(gòu)和功能，詳細介紹了其高精度分光探測、高精度太陽跟蹤和自動化測量三個方面的關(guān)鍵技術(shù)，并對儀器誤差來源做了深入分析，為基于CE318的氣溶膠地基遙感監(jiān)測提供支持。關(guān)鍵詞：CE318；太陽光度計；地基遙感；關(guān)鍵技術(shù)；誤差分析中圖分類號：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系列自動跟蹤掃描太陽光度計（簡稱：CE318）是由法國CIMEL公司生產(chǎn)的高精度太陽和天空輻射測量儀器，是目前進行大氣氣溶膠地基遙感觀測的基本儀器?；贑E

7、318，美國NASA建立了致力于監(jiān)測全球主要區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性的地基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)AERONET1。CE318測得數(shù)據(jù)可以用來計算氣溶膠光學(xué)厚度、反演大氣透過率和大氣水汽總量等信息2，也可以用來反演氣溶膠粒子的單次散射反照率、粒子尺度譜分布和散射相函數(shù)等3，同時可為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行對比驗證。通過對CE318關(guān)鍵技術(shù)的分析，深入地把握儀器的工作原理和方式，進一步分析儀器的誤差來源，有效地判斷儀器工作狀態(tài)，提高儀器觀測精度。1 CE318的結(jié)構(gòu)和功能CE318儀器主要由傳感器頭、電動系統(tǒng)、電子控制盒三大部分組成。傳感器頭又稱光學(xué)頭，是由各傳感器組成，將溫度和輻射信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號進行存儲分析。電

8、動系統(tǒng)又稱機械臂，主要由機械底座和馬達組成，起到固定傳感器頭并帶動其進行全球面掃描的作用。電子控制盒主要是對儀器測量程序控制和步進馬達系統(tǒng)控制，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)的掃描測量指令，控制馬達系統(tǒng)使儀器高精度地對準太陽或者進行天空光掃描，獲取太陽直射或者天空光輻射觀測數(shù)據(jù)。電子控制盒有多個接口，實現(xiàn)整個儀器的供電、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)裙δ?，還可以根據(jù)用戶需要發(fā)展其它擴展模塊功能。具體各部分組成及功能見表1。表1 CE318各單元部件及其功能組成部分包含部件功能傳感器頭兩個光電探測器探測與各自波段相符的光電響應(yīng)值光電四象限定位探測器實現(xiàn)傳感器頭精確對準太陽電動濾光輪（帶窄帶濾光片的圓形電動轉(zhuǎn)盤）通過旋轉(zhuǎn)濾光輪選擇

9、濾光片，得到相應(yīng)波段的觀測值，可裝偏振片進行偏振觀測。溫度傳感器實時實地測量溫度控制電路控制濾光輪轉(zhuǎn)動，控制各傳感器工作電子控制盒主CPU程序卡控制傳感器頭的測量程序輔CPU程序卡控制馬達系統(tǒng)的運行程序內(nèi)部電池為內(nèi)部電路板供電顯示屏顯示操作界面電纜連接接口面板（電動系統(tǒng)、電源、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器頭、感雨器等接口）為各接口連接單元供電，實現(xiàn)控制信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉涌谀K功能電動系統(tǒng)水平馬達水平面旋轉(zhuǎn)垂直馬達垂直面旋轉(zhuǎn)控制電路控制馬達旋轉(zhuǎn)程序2 CE318關(guān)鍵技術(shù)分析2.1 高精度分光探測CE318的分光方法是利用多個窄帶濾光片組成的濾光輪，由步進電機帶動濾光輪旋轉(zhuǎn)切換不同的濾光片實現(xiàn)分光。為了精確測

10、量某一個波段的太陽直接輻射，在濾光片的設(shè)計和制作等方面，CE318選用的窄帶濾光片要比其它普通濾光片有更高的技術(shù)要求，窄帶濾光片有較好的峰值透過率、較小的半波寬度和較高的背景截止深度，能從太陽輻射光譜中選擇通過特定的波段而不受其它波段太陽輻射的影響，保證了測量精度。CE318濾光片在不同環(huán)境溫濕條件下都有很好的光學(xué)穩(wěn)定性。儀器的光譜通道為340，380，440，500，675，870，936，1020，1640(nm)。波段范圍在340nm到1640nm之間，包含了紫外、可見光、近紅外、紅外波段，CE318裝置了兩種光電探測器，一種是增強型硅光電探測器，可以很好地探測可見光和紫外波段的輻射，一

11、種是銦鎵砷探測器可以很好地探測近紅外和紅外波段的輻射，兩種探測器穩(wěn)定的性能和光譜特性，保證了探測數(shù)據(jù)的高精度。2.2 高精度太陽跟蹤對準CE318通過計算太陽運行軌跡和四象限探測器微調(diào)相結(jié)合的方式實現(xiàn)高精度太陽跟蹤。太陽位置的運行規(guī)律是可循的，可以通過當?shù)氐慕?jīng)緯度和時間計算出來4。CE318在安裝過程中，需要向電子控制盒輸入安裝地點的經(jīng)緯度并核對系統(tǒng)時間，通過經(jīng)緯度和時間計算得到太陽位置，發(fā)送指令控制電動系統(tǒng)，利用水平垂直雙旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)太陽的初步對準。由于太陽位置計算公式本身存在著一定的誤差，儀器并不能完全對準太陽，可通過四象限探測器的光電探測效應(yīng)進行調(diào)整。如圖1所示，四象限探測器是由四個相同

12、的光電探測器組成5，每個光電探測器分別占據(jù)、四個象限，在太陽光成像到四象限探測器的探測面上時，會形成一個一定尺寸的光斑（圖1所示網(wǎng)狀圓形），此光斑分在四個象限部分分別為A、B、C、D，其光電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號值經(jīng)過放大后分別為VA、VB、VC、VD，若光斑圓心與四象限探測器圓心重合，即表示精確對準太陽，若沒有對準太陽，則其偏移量Vx、Vy可用VA、VB、VC、VD表示Vx=(VA+VD)-(VB+VC)，Vy=(VC+VD)-(VA+VB)。CE318在分析了四象限探測器的四個象限的電信號后，會根據(jù)偏移量Vx、Vy的大小發(fā)送相關(guān)調(diào)整指令，控制儀器電動系統(tǒng)進行微調(diào)，實現(xiàn)精確對準太陽。圖 1 四象限

13、探測器原理示意圖2.3 自動化測量CE318根據(jù)自動測量程序?qū)崿F(xiàn)自動太陽跟蹤掃描觀測，自動將數(shù)據(jù)存儲并定時傳到計算機保存，實現(xiàn)野外長期無人值守工作，其高精度、高穩(wěn)定性的自動觀測是其重要的特征。CE318主要依據(jù)大氣質(zhì)量數(shù)的變化，進行自動的太陽直接輻射測量或者天空光輻射掃描測量。太陽直射輻射，是程序控制光學(xué)頭對準太陽后，直接探測太陽光直射輻射在各波段的響應(yīng)值，獲取觀測數(shù)據(jù)。天空輻射測量有兩種掃描方式：ALM掃描（almucantar，平緯圈掃描）和PPL掃描（principal plan，太陽主平面掃描）。ALM掃描指光學(xué)頭的太陽天頂角不變，觀測方位角掃描； PPL掃描是指光學(xué)頭觀測方位角不變，

14、太陽天頂角掃描。這兩種掃描方式都可以反演大氣氣溶膠的微物理和光學(xué)特性參數(shù)，在氣溶膠穩(wěn)定的大氣狀態(tài)下進行太陽光暈測量和大范圍散射角度天空光測量，以便推算汽溶膠的顆粒分布、相位函數(shù)和光學(xué)厚度6。測量獲取的數(shù)據(jù)，會存儲在CE318的電子控制盒里面的存儲單元里，通過RS232串行接口通信，可以將數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的自動傳輸時間，傳輸?shù)浇邮斩说挠嬎銠C上保存，也可以通過DCP衛(wèi)星通信無線遠程傳輸?shù)椒?wù)器端。CE318配有太陽能電板可通過太陽能供電工作；外接的智能雨水傳感器，下雨時為保護儀器可以自動停止儀器工作。3 CE318誤差分析利用CE318進行地基遙感觀測計算AOD和反演氣溶膠光學(xué)特性過程中，存在著多種誤

15、差，根據(jù)誤差來源可以分為儀器自身誤差、儀器定標誤差和反演計算誤差三個方面。3.1 儀器自身誤差3.1.1 溫度效應(yīng)誤差CE318儀器正常工作溫度為攝氏零下30度到60度，工作溫差范圍達到90度，所以溫度效應(yīng)誤差也是必須考慮的問題。溫度會影響整個儀器的工作，其作用的對象主要是光電探測器和電子電路系統(tǒng)，包括系統(tǒng)中的各個元器件。CE318探測可見光波段的光電探測器是HAMAMATSU PHOTONIC公司生產(chǎn)的S1336系列硅光電二極管，如圖2所示，該光電探測器對于各個波段的溫度效應(yīng)影響，在300nm到900nm之間基本沒有，對于CE318的主要影響表現(xiàn)在1020nm波段，以工作標準溫度為基準，每變

16、化1攝氏度，探測精度誤差可達到0.3%左右，如果有30多攝氏度的溫度差異，CE318的光電探測器在1020nm處的數(shù)據(jù)誤差就將達到10%以上，這樣的誤差是巨大的，如果不考慮溫度效應(yīng)的誤差影響，利用此觀測數(shù)據(jù)計算和反演得出的結(jié)果必將出現(xiàn)錯誤。 圖2 S1336系列硅光電二極管溫度效應(yīng)曲線3.1.2 儀器視場角誤差CE318儀器的固有視場角一般為1°左右，這樣的固有視場角的原因，導(dǎo)致進入儀器的輻射量除了太陽直接輻射的以外，還有一部分天空散射光，實際測得的輻射值可用公式表示如下7：E= E0,exp(-m)+ Ldd （1）由公式（1）可見，視場角引入的散射光輻射為Ldd這部分，其中Ld為

17、天空散射光亮度，為立體角。由于天空散射光的影響，使得儀器測得的太陽輻射值比實際值要大，這樣計算出來的總光學(xué)厚度比實際值要小。根據(jù)輻射傳輸方程，天空散射光輻射與立體角大小如下式8：E()=FmP()+ q() （2）式中F為輻射通量密度（又稱輻照度），m為大氣質(zhì)量數(shù)，為儀器的立體角，為單詞散射反照率，是總的光學(xué)厚度，P()是總的散射相函數(shù)方程，q()表示多次散射作用效果，表示散射角度。由式（2）知，太陽光度計的立體角天空輻射測量值的影響呈線性關(guān)系，若視場角誤差達到5%，則對于天空輻射測量值得影響也可達到5%，這么大的誤差會給計算反演過程帶來很大的誤差和不確定性。3.1.3 光電探測器靈敏度誤差光

18、電探測器靈敏度與入射光波長有著密切的關(guān)系，光電探測器的光譜響應(yīng)特性可以反映光電探測器靈敏度特性。CE318可見光探測器是S1336系列的硅光電探測器，近紅外光探測器是J22系列的1.7m銦鎵砷探測器。圖3和圖4分別為這兩種光電探測器的靈敏度光譜響應(yīng)曲線。如圖3所示，硅光電探測器在溫度25攝氏度的光譜響應(yīng)范圍，按照一般定義約為500nm1050nm，其靈敏度峰值在約970nm波長處，主要光譜范圍在可見光范圍內(nèi)，所以該探測器在CE318測量時主要用來探測可見光光譜通道的輻射。如圖4所示，1.7m銦鎵砷探測器在22攝氏度的光譜響應(yīng)范圍約為900nm1680nm，其靈敏度峰值約1600nm處，主要光譜

19、范圍在近紅外和紅外光范圍內(nèi)，所以該探測器在CE318測量時主要用來測量近紅外和紅外光譜通道的輻射。由于探測器型號差異、探測器個體差異、探測器不同波段響應(yīng)差異等原因，CE318光電探測器響應(yīng)帶來的誤差也需要在模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路系統(tǒng)中考慮，靈敏度與光電響應(yīng)標準值的差別多少，直接影響了觀測數(shù)值與實際輻射值的誤差大小。 圖3 硅光電探測器靈敏度光譜響應(yīng)曲線 圖4 銦鎵砷探測器靈敏度光譜響應(yīng)曲線（T=22°C）3.2 儀器定標誤差整層大氣的總的氣溶膠光學(xué)厚度為，在計算總光學(xué)厚度的時候，與太陽光度計的定標常數(shù)V0,、太陽光度計實測值V等有關(guān)系，則由儀器定標誤差引起的總光學(xué)厚度誤差可以表

20、示為9：=V0,/(mV0,) （3）由公式（3）可見，儀器的定標誤差直接影響了CE318觀測數(shù)據(jù)計算AOD的值。對儀器進行定標是為了減小儀器誤差、確保儀器觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠程度的，如果得出的定標常數(shù)誤差過大，則由儀器觀測數(shù)據(jù)計算反演出來的各項參數(shù)必將包含更大的誤差，如果再以這些結(jié)果去給衛(wèi)星遙感進行對比驗證，其衍生的誤差將無法估量。CE318的儀器定標主要有三種方法，標準光源的室內(nèi)定標、Langley法定標和對比定標。這幾種常用的定標方法都會產(chǎn)生定標誤差。標準光源的室內(nèi)定標簡單易行，室內(nèi)環(huán)境可控性大，但是不同標準光源存在著5%-10%的相對誤差，因此存在著較大的不確定性10。目前，室內(nèi)定標使用

21、的標準光源多為積分球輻射源，通過精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計和高精度的電源控制，可以實現(xiàn)較高的面均勻性和輸出穩(wěn)定性。但是仍然在各個波段仍然存在著2%-3%的綜合不確定度，如表2所示11。表 2 積分球輻射源不確定度波長/nm標準燈積分球8燈全開亮度值(Wcm-2·sr-1·nm-1)不確定因子/%綜合不確定度/%標準值/(W·cm-2·nm-1)不確定度/%測量幾何波長定位穩(wěn)流4409.48×10-72.26.43×10-0.22.65001.79×10-62.11.46×10-0.2

22、2.57004.71×10-62.04.38×10-51.02.38705.97×10-62.05.13×10-51.02.39406.05×10-62.14.97×10-0.22.610206.06×10-62.14.76×10-52.03.0注：參照標準1000W鹵鎢燈（編號93004）；工作條件：8.500A；穩(wěn)流精度：0.05%。Langley法定標的要求是大氣條件穩(wěn)定，而這一條件是比較難以把握的，因此利用Langley法定標也存在著

23、較大的不確定性，而且Langley曲線的確定是由儀器自身觀測數(shù)據(jù)進行擬合得到的，儀器自身原因帶來的觀測誤差則難以把握，擬合時采用的數(shù)學(xué)方法也會產(chǎn)生不確定的誤差。標準光度計的對比定標要求對比參照的標準太陽光度計的標準高，這種對比定標的方法，最大的誤差來源就是標準儀器相對于標準的偏差程度。由于用于參照的標準光度計選擇的不同，標準光度計的誤差難以把握，進行對比定標的誤差不確定度更大。3.3 計算反演誤差利用儀器觀測數(shù)據(jù)進行AOD（氣溶膠光學(xué)厚度）計算和參數(shù)反演時，要用到很多的數(shù)學(xué)原理和方法，這些方法在處理這樣復(fù)雜的問題時，會給計算反演的結(jié)果帶來誤差，其中最重要的是AOD計算的誤差，可用以下公式表達1

24、2：a,=-m+V0, /V0, -V/V+(2d0/d0-2d/d)/m-r,-g, (4)公式（4）中，m/m表示大氣質(zhì)量數(shù)m的計算誤差；(V0, /V0, )/m是太陽光度計的定標誤差；(V/V)/m是太陽光度計的測量誤差；(2d0/d0-2d/d)/m是日地距離計算誤差，d0是日地平均距離，d是觀測時日地實際距離；r,是大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度的計算誤差；g,是除水汽外其它吸收氣體光學(xué)厚度的計算誤差。在計算AOD的這些誤差因素中，除了儀器測量的誤差和定標誤差之外，其余各項誤差都是在數(shù)據(jù)處理的過程中計算相關(guān)參數(shù)引入的誤差，使用準確的計算公式可以減小這些計算誤差的產(chǎn)生，降低對氣溶膠光學(xué)厚度

25、的影響。AOD作為反演氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)時的重要部分，計算AOD時的誤差a,，比然會引起后續(xù)反演計算時的誤差，根據(jù)誤差傳遞原則，最終得出的結(jié)果必然存在更大的誤差和不確定性。因此，計算AOD和氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)反演時的誤差控制的主要方法是對計算參數(shù)精度的把握和數(shù)學(xué)方法的科學(xué)合理應(yīng)用。4 小結(jié)隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，CE318作為地基遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本儀器，將在大氣氣溶膠網(wǎng)絡(luò)化、自動化監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。本文介紹了CE318的基本結(jié)構(gòu)和各組成部件的功能，并從高精度分光探測、高精度太陽跟蹤對準、自動化測量三個方面分析了該儀器的關(guān)鍵技術(shù)，較為深入地把握了CE318的工作原理和方法。進一步分析了

26、CE318在儀器自身、儀器定標和計算反演三個方面的誤差，明確了儀器的誤差來源，為儀器維護、提高儀器穩(wěn)定性、提高儀器觀測精度和觀測數(shù)據(jù)分析等方面提供了支持，對基于CE318的大氣氣溶膠地基遙感觀測的高精度發(fā)展有著一定的參考意義。參考文獻：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 instrumen

27、t network and data archive for aerosol characterization. REMOTE SENS. ENVIRON, 66 (1), 1-16.2. Che H, Zhang X, Chen H, Damiri B, Goloub P, Li Z Q, Zhang Y, Zhou H, Dong F, Li D and Zhou T.2009.Instrument calibration and aerosol optical depth validation of the China Aerosol Remote Sensing Network, Journal of Geophysical Research, 114.3. Dubovik O, Smirnov A, Holben B N, King M D, Kaufman Y J, Eck T F and Slutsker I.2000: Accuracy Assessment of Aerosol Optical Properties Retrieval from AERONET Sun an