黃冬 , 李新 , 張艷娜 , 張允祥

( 1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所, 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征重點實驗室,安徽 合肥 230031;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230031 )

0 引 言

大氣氣溶膠是地球-大氣系統(tǒng)的重要組成部分, 在地球能量平衡、全球氣候變化乃至水量循環(huán)中都起著重要作用[1,2]。此外, 大氣氣溶膠也是影響光學(xué)衛(wèi)星傳感器定標(biāo)和遙感數(shù)據(jù)大氣校正精度的重要大氣參數(shù),它對輻射的吸收和散射作用主要取決于自身的性質(zhì), 因此需要進一步了解大氣氣溶膠的物理和光學(xué)特性,如氣溶膠光學(xué)厚度、散射相函數(shù)、單次散射反照率、復(fù)折射率、不對稱因子、粒子譜等參數(shù)[3,4]。

太陽光度計是最簡單、最直接的大氣氣溶膠被動遙感觀測儀器之一, 在對大氣氣溶膠遙感監(jiān)測手段中,地基太陽光度計具有較高的觀測精度, 它通過測量太陽直射信號和天空散射信號, 不僅可以獲取區(qū)域氣溶膠特性, 還可以用于衛(wèi)星產(chǎn)品精度驗證[5,6]。國內(nèi)外已經(jīng)開展了太陽光度計的研制和相關(guān)反演算法研究, 如法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE318是目前應(yīng)用較為廣泛的商業(yè)儀器, 該儀器設(shè)置有9個通道, 可以測量太陽和天空在可見光和近紅外的不同波段、不同方向、不同時間的輻射信號。美國Solar Light公司生產(chǎn)的MICROTOPS系列便攜式太陽光度計被應(yīng)用于海洋大氣氣溶膠觀測, 具備較好的操作性和便攜性。日本PREDE公司生產(chǎn)的POM系列太陽光度計也被廣泛應(yīng)用于地基觀測網(wǎng)進行大氣觀測, 其結(jié)構(gòu)與CE318相似并對軟件進行了優(yōu)化。此外, 美國NASA利用CE318在全球布設(shè)了AERONET氣溶膠觀測網(wǎng)系統(tǒng), 觀測全球主要區(qū)域的氣溶膠光學(xué)特性; 國內(nèi)也建立了CARSNET、SONET等區(qū)域性氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)[7]。但現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計仍存在不足之處, 例如野外溫度的環(huán)境變化對探測器的響應(yīng)具有較大影響。研究表明, CE318 1020 nm 通道隨溫度有明顯變化, 需要利用算法進行溫度校正處理, 極端低溫下進行Langley 定標(biāo), 如果不進行溫度校正, Langley 定標(biāo)系數(shù)的誤差可達2%[8]。同時, 該波段是AERONET氣溶膠物理和光學(xué)特性反演算法中的推薦波段之一, 溫度效應(yīng)會對反演結(jié)果產(chǎn)生較大偏差[9]。太陽光度計的溫度敏感性并不相同, 每個光度計都需要通過實驗室控制溫度系統(tǒng)來計算溫度校正系數(shù) , 對于沒有溫度控制系統(tǒng)的用戶較為不方便[8-10]。

為了解決太陽光度計在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用時面臨的環(huán)境溫度變化大、工作條件惡劣等問題, 本課題組研制出了一款具有溫控功能的全自動太陽光度計。本文介紹了儀器的整體設(shè)計和溫控模塊系統(tǒng)的設(shè)計, 并進行了儀器測試, 驗證分析了儀器設(shè)計的可靠性。

1 整體設(shè)計

全自動太陽光度計是一種能夠自動完成數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理的一體化自動觀測設(shè)備, 在地面可以測量太陽直射光和多角度天空光通量, 從而實現(xiàn)大氣溶膠光學(xué)厚度、大氣柱水汽含量、臭氧、單次散射消光比以及粒子譜分布的連續(xù)獲取。如圖1所示, 太陽光度計基本構(gòu)成包括光學(xué)頭部、二維跟蹤及控制模塊、軟件模塊等部分。光學(xué)頭部由光機部件、濾光片、光電探測器、前置電路、四象限探測器等組成, 用于探測各波段的光譜輻射信號。跟蹤模塊通過二維轉(zhuǎn)臺改變方位角和天頂角, 結(jié)合四象限定位, 帶動光學(xué)頭部自動精密跟蹤太陽?？刂颇K用于發(fā)送測量數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器狀態(tài)并接收控制指令以及進行數(shù)據(jù)存儲等。供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)儀器的電源和供電管理, 可接入220 V交流電和太陽能供電; 環(huán)境傳感器用于感知環(huán)境溫濕度以及降水狀況, 自動進行儀器保護; 通信模塊實現(xiàn)儀器觀測數(shù)據(jù)的本地和遠(yuǎn)程傳輸。軟件模塊用于接收、顯示、處理測量數(shù)據(jù), 并通過通信系統(tǒng)給儀器發(fā)送指令。

圖1 太陽光度計整體組成圖 (a) 和實物圖 (b)Fig. 1 Overall composition chart (a) and physical view (b) of sun photometer

全自動太陽光度計覆蓋可見-近紅外9個波段, 采用固化通道設(shè)計, 每個通道包含獨立的濾光片分光和硅/銦鎵砷光電探測器。這種設(shè)計方式的好處在于能顯著減少各通道測量的時間, 尤其在早晚時刻, 太陽高度角變化明顯, 需要盡可能地縮短測量時間。此外, 固化設(shè)計較容易使濾光片與探測器響應(yīng)相匹配, 避免各通道共用增益電阻, 便于擴大太陽光度計觀測波段的動態(tài)范圍。為滿足探測和反演的需要, 同時為便于校準(zhǔn)和比對, 試驗中選配了與CE318相同的觀測波段, 具體參數(shù)如表1所示。

表 1 太陽光度計主要參數(shù)Table 1 Main parameters of sun photometer

2 溫控系統(tǒng)

全自動太陽光度計功能設(shè)計覆蓋可見-近紅外340～1640 nm共9個觀測波段, 單一探測器有效響應(yīng)范圍難以滿足觀測需要, 因此根據(jù)觀測波段分別采用硅和銦鎵砷光電探測器。如圖2所示, 根據(jù)?濱松產(chǎn)品手冊?(http://www.hamamatsu.com.cn) 中探測器參數(shù)測試數(shù)據(jù)顯示, 溫度變化可以影響觀測波段的信號, 甚至達到0.3%/℃。為了減少溫度場的變化對濾光片中心波長的偏移、探測器響應(yīng)度、放大電路溫漂和孔徑光闌的影響, 9通道主體光學(xué)器件的精密溫控是保證觀測數(shù)據(jù)精確的重要前提?？紤]野外環(huán)境變化范圍, 提高加熱或者吸熱的效率, 降低功耗, 同時參考濱松探測器實驗室測試數(shù)據(jù), 將溫控系統(tǒng)的溫度控制在 (25 ± 0.2) ℃, 使其適用于野外觀測環(huán)境。為了便于實時監(jiān)測溫控狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的有效性, 每條輸出觀測數(shù)據(jù)中都包含溫控信息。

圖2 探測器溫度系數(shù) (源于濱松產(chǎn)品手冊)Fig. 2 The temperature coefficient of the detectors (from Hamamatsu product manual)

2.1 結(jié)構(gòu)

溫控系統(tǒng)內(nèi)含熱電制冷器 (TEC)、濾光片、探測器、前置放大電路板等重要元器件和部件。圖3 (a) 為溫控部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。將濾光片、探測器和前置放大電路安裝在光學(xué)主體內(nèi), 外部用隔熱材料包裹, 形成一個恒溫倉。為了在有限空間內(nèi)實現(xiàn)恒溫控制, 同時滿足在野外觀測條件下低能耗、高續(xù)航等需求, 采用體積小、功率低的TEC作為溫度控制設(shè)備。

光學(xué)主體前面貼有黑色聚四氟乙烯底座和熱電制冷器, 熱電制冷器緊貼后部外殼的導(dǎo)熱盤, 導(dǎo)熱盤吸收熱量并及時將熱傳遞到后部外殼圓周, 圓周上設(shè)計有散熱槽。TEC利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成。珀爾帖效應(yīng)是指當(dāng)電流流過由兩種不同半導(dǎo)體材料組成的電偶對時, 電偶對的一端放熱而另一端吸熱, 如果改變電流流入的方向, 放熱端和吸熱端也會隨之交換, 這一點適用于既需升溫又需降溫的溫控系統(tǒng)[11]。圖3 (b)為熱電制冷器的實物圖, 體積為 30 mm × 30 mm × 3.15 mm。熱電制冷器放置于一個絕熱底座的方形槽內(nèi),絕熱底座采用絕熱系數(shù)較高的黑色聚四氟乙烯材料, 起到消光、絕熱、固定熱電制冷器等作用。光學(xué)主體采用鋁材, 并做黑色陽極化處理。保溫材料采用應(yīng)用廣泛的高密度橡塑吸熱棉材料, 這種材料具有高密度、高彈性、良好的柔韌性等性能。

圖3 溫控系統(tǒng)整體示意圖 (a) 和TEC (b)Fig. 3 Schematic of temperature control system (a) and TEC (b)

2.2 電子學(xué)

利用數(shù)字溫度傳感器測量恒溫倉的溫度, 比較當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度, 將溫差帶入比例積分微分算法得到調(diào)整參數(shù), 并通過控制繼電器驅(qū)動TEC加熱或者制冷。溫控示意圖如圖4所示, 單片機、繼電器、TEC和溫度傳感器組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng), 具體實現(xiàn)電路如圖 5所示。圖中HOT、COOL為接收到的溫度傳感器的數(shù)據(jù), 通過該數(shù)據(jù)可確定儀器是需要制冷或制熱。TEMCTR_HOT、TEMCTR_COOL為驅(qū)動端, 用于驅(qū)動溫控系統(tǒng)進行恒溫控制。

圖4 恒溫控制流程圖Fig. 4 Flow chart of thermostatic control

圖5 溫控系統(tǒng)電路設(shè)計Fig. 5 Circuit design of temperature control system

3 外場試驗

測試中將全自動太陽光度計與來自SONET 觀測網(wǎng)的太陽光度計CE318 DP 進行同步觀測。根據(jù)Beer-Lambert-Bouguer定律, 儀器觀測信號值V為[5,6,12]

式中V0為太陽光度計定標(biāo)常數(shù),S為日地校正因子,m為大氣質(zhì)量數(shù),τ為大氣光學(xué)厚度。大氣光學(xué)厚度包括瑞利散射、臭氧吸收、氣溶膠吸收和散射三部分, 其具體表達式為

式中τr為瑞利散射光學(xué)厚度,τo為臭氧吸收光學(xué)厚度,τa為氣溶膠光學(xué)厚度。CE318溫度校正公式[10]為

式中V′是儀器觀測信號值校正到25 ℃時的等效信號值,V為儀器觀測信號值,C為溫度校正系數(shù),T為溫度。

如圖6所示, 測試當(dāng)日外界溫度變化分別為1～23 ℃和25～40 ℃, 溫差較大, 全自動太陽光度計溫控系統(tǒng)根據(jù)外界溫度自動加熱或散熱, 恒溫倉內(nèi)部溫度均保持在 (25 ± 0.2) ℃內(nèi)。結(jié)果表明, CE318 1020 nm通道校正前后反演的AOD存在差異, 溫度效應(yīng)明顯, 溫度校正前, 高溫時反演氣溶膠光學(xué)厚度偏小, 低溫時反演氣溶膠光學(xué)厚度偏大, 這主要是因為溫度變化改變了探測器的響應(yīng)度。

圖6 全自動太陽光度計與CE318在不同工作溫度下校正前后對比。 (a) 溫度在1～23 ℃變化范圍下AOD比較的結(jié)果;(b) 溫度在25～40 ℃變化范圍下AOD比較的結(jié)果Fig. 6 Comparison between sun photometer and CE318 before and after correction at different operating temperatures.(a) Comparison of AOD results in the range of 1～23 ℃; (b) comparison of AOD results in the range of of 25～40 ℃

根據(jù)式(1)、(2)、(3), 在不考慮溫度效應(yīng)時

根據(jù)式 (6) 可知, 校正前氣溶膠光學(xué)厚度的偏差與探測元件所處的溫度差 (T-25) ℃有關(guān),T高于25 ℃時, 校正前氣溶膠光學(xué)厚度偏低,T低于25 ℃時偏高。具有溫控功能的全自動太陽光度的反演結(jié)果與CE318校正后的結(jié)果變化趨勢一致, 偏差均在0.01以內(nèi)。

為驗證溫控系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定性, 將全自動太陽光度計放在敦煌進行野外觀測測試, 選取敦煌溫度變化較大的6月和12月兩個月的溫度數(shù)據(jù)進行長期溫控精度分析, 結(jié)果如圖7所示。從圖中可看出, 敦煌輻射校正場在6月份的儀器環(huán)境溫度變化范圍為10～53 ℃, 在12月份的儀器環(huán)境溫度變化范圍為 -21～12 ℃, 儀器環(huán)境的溫差變化最大達到43 ℃, 但是儀器控溫系統(tǒng)內(nèi)部的溫度系統(tǒng)始終保持在 (25 ± 0.2) ℃。

圖7 6月和12月環(huán)境溫度和溫控系統(tǒng)溫度變化情況。(a) 6月環(huán)境溫度和溫控系統(tǒng)的溫度; (b) 6月溫控系統(tǒng)的溫度和25 ℃偏差; (c) 12月環(huán)境溫度和溫控系統(tǒng)的溫度; (d) 12月溫控系統(tǒng)的溫度和25 ℃偏差Fig. 7 Temperature change in July and December. (a) Environmental temperature and controlling temperature in June;(b) deviation of controlling temperature in June; (c) environmental temperature and controlling temperature in December; (d)deviation of controlling temperature in December

由此表明, 在溫差較大的野外環(huán)境中, 太陽光度計的溫控系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性, 從而也驗證了溫控系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié) 論

闡述了自研全自動太陽光度計整體設(shè)計和基于ETC 的溫控系統(tǒng)設(shè)計。在合肥將全自動太陽光度計和CE318進行了同步觀測, CE318溫度校正前后的觀測結(jié)果存在較大差異, 全自動太陽光度計反演的氣溶膠光學(xué)厚度與CE318溫度校正后的結(jié)果一致, 偏差在0.01以內(nèi), 說明溫控系統(tǒng)設(shè)計的有效性。并將其放在敦煌進行長期的野外觀測, 結(jié)果表明, 全自動太陽光度計經(jīng)受住了環(huán)境惡劣、溫差大的野外觀測測試, 溫度均保持在 (25 ± 0.2) ℃內(nèi), 驗證了溫控系統(tǒng)設(shè)計的可靠性, 能夠在野外長期穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)的設(shè)計也為同類觀測設(shè)備溫控設(shè)計提供了一種思路。