基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法

本发明涉及光学参数测量仪器定标研究领域，具体涉及一种基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法。

背景技术：

1、太阳辐射在大气中经过散射会形成天空光谱亮度，通过测量到达地面的天空光谱亮度，可以反演获得大量的大气成分和状态的信息，从而在大气科学领域中有诸多的应用。光谱辐射计作为一种广泛使用的仪器，可以用来测量大气透过率、水汽总量以及光学厚度等大气光学参数。在散射通道测量中，需要将仪器的输出信号转换为全天空辐亮度的实际数值，即是定标过程，然后对所有波长的光谱辐亮度进行积分便可以获得天空光谱亮度。传统太阳辐射计散射通道的定标常采用绝对辐射定标，这依赖于光谱辐亮度已知的室内稳定光源，比如积分球，通过建立光谱型辐射计输出的数字信号值与积分球的实际辐射亮度之间的定量关系，得到散射通道的定标值，又因为辐射计在测量时有不同的积分时间，所以在不同积分时间之下均有一组定标值，再加上积分球在调整不同亮度之间需要进行冷却，这使得此种定标方法花费时间较长，定标效率不高。同时积分球定标是一种维护和保养成本较高的仪器，也使得定标的成本大大提高；且随着时间变化，积分球的稳定性发生变化，定标精确度也会受到影响。

2、因此亟需提出一种可进行实时且精确度高的散射通道定标方法来减少成本，提高定标效率和定标精度。

技术实现思路

1、为解决光谱辐射计散射通道定标效率低的问题，本发明提供一种基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法，不需要依赖外部辐亮度已知的稳定光源，节约了成本，同时提高了定标效率。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法，包括如下步骤：

4、步骤1)当大气状况满足干净稳定时，在非吸收波段利用langley法计算离散定标值，结合大气层顶太阳辐照度，计算得到离散的仪器响应值：

5、在直射测量模式下，仪器测量到达地面的太阳光谱的电压响应为：

6、v(λ)＝i0(λ)k(λ)t(λ)            (1)

7、式中：v(λ)为仪器测量值，i0(λ)为大气层顶太阳辐照度，k(λ)为仪器响应函数，t(λ)为太阳辐射经过大气层的斜程透过率，λ为光谱辐射计测量的波长；

8、当大气质量因子为0时，大气斜程透过率t(λ)为1，此时仪器所测值即为定标系数，则直射通道全波段定标系数v0(λ)表示为：

9、v0(λ)＝i0(λ)k(λ)            (2)

10、大气层顶太阳辐照度i0(λ)表示为：

11、i0(λ)＝∫i0(λ')φ(λ-λ')dλ'          (3)

12、式中：φ(λ-λ')是仪器函数，λ'是大气层顶太阳辐照度的波长；

13、仪器响应函数k(λ)在一个窄的波段范围内假设其波长之间线性变化，即：

14、k(λ)＝a+bλ              (4)

15、其中，a，b为系数；

16、通过相邻间隔离散的仪器响应值k，插值拟合得到全波段连续的仪器响应函数k(λ)；

17、得到仪器响应函数k(λ)之后，再次结合大气层顶太阳辐照度i0(λ)，根据公式(2)，计算得到光谱辐射计直射通道定标值；

18、步骤2)在实际测量中，光谱辐射计直射通道获得大气直射辐照度，利用直射通道定标值计算实时大气透过率，再次结合大气层顶太阳辐照度以及仪器的光学参数，计算得到散射通道实时定标值，计算公式如下：

19、

20、式中，ca(λ)是散射通道全波段定标系数，d是衰减片的透射率，ων是光谱辐射计的视场角，i0(λ)是大气层顶太阳辐照度，t(λ)是大气透过率，v(λ)是光谱辐射计实时测量的太阳直射辐射，λ为光谱辐射计测得的波长。

21、本发明的有益效果是：

22、(1)本发明可以在不依赖辅助材料的情况下进行光谱辐射计实时的定标，并计算得到天空光谱亮度的总辐亮度。对比积分球定标，本发明不需要依赖外部辐亮度已知的稳定光源，节约了成本，同时提高了定标效率；

23、(2)本发明可以提高定标精度，积分球性能随着时间变化而逐渐变得不稳定，而太阳是一个稳定光源，在直射通道定标精确度较高的基础上，本发明的定标精度可以得到保证。

技术特征：

1.一种基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于太阳直射辐照度的光谱辐射计散射通道实时定标方法，包括：通过非吸收波段的Langley定标法和基于理论计算强吸收波段大气层顶太阳辐照度相结合的混合定标法，得到光谱辐射计直射通道全波段的定标值；通过直射通道定标准确获得到达辐射计光学采集系统的光谱辐照度以及大气透过率；利用实时测量的透过大气的太阳直射辐射以及大气透过率，结合大气层顶太阳辐照度以及仪器的光学组件参数，得到全波段散射通道实时定标值。本发明在不使用其他辅助材料的前提下，将光谱辐射计直射通道定标传递到散射通道定标，将在同时测量太阳直射光和大气散射光的设备中得到应用。

技术研发人员：李建玉,汤笑笑,戴聪明,孙凤莹,朱文越,魏合理
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12