CE318型太阳光度计关键技术及误差分析
CE318_太阳光度计技术手册
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
太阳光度计测量气溶胶光学厚度
气 溶 胶光 学 厚 度
时间
5
1020nm
•
气 溶 胶光 学 厚 度
4
3
2
1
0
23:13:57 03:48:09 08:40:04 01:15:27 07:25:51
时间
三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数 (β)和Angstrom波长指数(α)
2.1反演光学厚度原理
根据Beer-Lambert-Bouguer 定律,在地面直接测得 的太阳辐射E(W/ m2) 在给定波长上的表达式为: Eλ = E0λ R - 2exp ( - mτλ) Tgλ (1)
其中E0 为大气外界太阳辐照度(太阳常数) , R 为测量
时刻日地距离(天文单位,约等于1) , m 为大气光学
思考：
波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气
溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的
散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于＿？
算:
τrλ =p/p0×0. 0088λ- 4. 05 (4) 式中p0 为标准大气压(1013. 25 hPa) , p 为实际 大气压,λ单位为μm。
在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和
水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440 nm、
870 nm、1020 nm ,且这3 个通道只有气溶胶消 光和Rayleigh 散射,则式(3) 中τO3λ、τNO2λ都为 “0”。将式(2) 和(3) 结合,同时公式两边取对数, 则为:
3.2 最小二乘法线性拟合
• 设直线方程的表达式为： (2-6-1)
• 对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi），假定 自变量xi的误差可以忽略（实际实验中总有一个变量的误 差相对较小，可以忽略，作为X分量），则在同一xi下， 测量点yi和直线上的对应点a+bxi的偏差di如图（2-6-2） 所示：
CE318型太阳光度计关键技术及误差分析
CE318型太阳光度计关键技术及误差分析卞良1，2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；P122Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318Bian Liang 1,2, Li Baosheng1, Li Donghui2(1 School of Instrument 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 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 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, in 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。
MODIS可见近红外波段定标与真实性检验
MODIS可见近红外波段定标与真实性检验巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【摘要】提高卫星遥感数据的质量,进而实现定量化应用,其基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标.为检验Terra卫星MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)传感器的星上定标系数的准确性和可靠性,2007-05在北京遥感综合实验场网内蒙二连浩特实验场,采用反射率基辐射定标方法对MODIS可见-近红外波段开展定标与真实性检验.结果表明,场地定标系数和MODIS的星上系数非常吻合,相对差异小于6%,证明场地反射率基辐射定标方法定标和MODIS星上定标得到的定标系数均准确、可信度高.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)001【总页数】5页(P109-113)【关键词】定标与真实性检验;定标系数;反射率基辐射定标方法;MODIS【作者】巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【作者单位】中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;北京交通大学,土木建筑工程学院,北京,100044;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国气象局,国家卫星气象中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TP70120世纪90年代以来,随着卫星技术和遥感应用技术定量化的深入和发展,以及全球资源、环境变化和灾害遥感监测的需求,卫星遥感数据的定量化研究日益受到重视.遥感定量化的基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标,即将传感器记录的数字值转换成对应像元地物的实际辐射亮度值[1],辐射定标精度直接影响各种定量遥感产品的质量.目前国际上采用的辐射定标方法有：发射前的实验室定标、星上定标及发射后利用地面目标进行的在轨定标方法等[2].对于没有星上定标系统的传感器,在轨定标是提高卫星遥感数据精度和可信度,实现卫星遥感定量化的有效手段.即使卫星上有内定标表系统,也不能完全确定传感器的衰减变化导致的定标结果的改变[3],依然需要通过在轨定标来订正传感器特性的变化,确保遥感数据定量应用的可靠性和准确度.目前,场地反射率基辐射定标方法[4]是获取传感器入瞳处的辐亮度精度较高且行之有效的方法.MODIS具有完善的星上定标系统[5],也需要采用另一种独立的定标方法来确定传感器各种可能变化引起的定标结果的改变.本文作者针对Terra卫星的MODIS传感器的7个可见-近红外波段(中心波长分别为CH1：645 nm;CH2 ：858 nm;CH3 ：469 nm;CH4 ：555 nm;CH5 ：1 245 nm;CH6：1 640 nm;CH7：2 130 nm)于2007-06在二连浩特场地进行卫星同步地面测量,利用反射率基辐射定标方法进行MODIS传感器的可见-近红外波段定标与真实性检验研究.1 方法和实验1.1 反射率基辐射定标方法[6]反射率基辐射定标方法是当卫星飞越二连浩特实验场上空的同时,准同步进行场地地表面的反射比测量、场地周围大气消光测量、探空和常规气象观测及场区各采样点的定位信息获取.通过对地表及大气观测数据的处理和星-地光谱响应匹配,获得辐射定标计算所必须的中间参数.将这些参数输入6S辐射传输模型[7],计算获得卫星传感器入瞳处各波段的表观辐亮度或表观反射率.另外,对卫星观测图像进行地标导航,使卫星与地面实验区达到几何配准,提取实验区内卫星观测像元计数值并进行平均,将表观反射率与卫星平均计数值相比较,得到卫星各波段定标系数.反射率基辐射定标方法定标流程如图1所示.卫星传感器波段 i测量的表观辐亮度为式中：Rλ为探测器归一化的光谱响应;Liλ为波段i的表观辐亮度.表观辐亮度 Li与卫星探测到的计数值DCi的关系为式中：Ai为增益,DC0i为计数值的偏移量.卫星传感器入瞳处各波段表观辐亮度用表观反射率可表示为式中：θs、θv、φs、φv分别为太阳和卫星的天顶角和方位角;E0i为大气外界太阳辐照度;(r0/r)为平均与实际日-地距离之比;μs=cos θs为太阳天顶角的余弦.图1 反射率基辐射定标方法定标流程图Fig.1 Flow chart of the reflectance-based calibration method对于朗伯特性较好的地面目标,反射率基辐射定标方法的表观反射率可表示为式中：ρAi为大气本身产生的向上的散射反射率;τi是大气自身透过率;ρi为地表反射率;si为大气球面反照率;Tgi为吸收气体透过率.在太阳垂直入射和平均日-地距离条件下,表观反射率ρ**i 与卫星测量计数值的关系为式中ai为增益.1.2 实验1.2.1 实验场地二连浩特实验场属于北京怀来实验场网的一部分,位于内蒙二连浩特市东南侧,中心经纬度为112.13°和43.627°,平均高程为 950 m.实验场面积广阔,地势平坦,有稀少茅草和骆驼刺覆盖,但覆盖度低.地表层主要成分以浅色矿物为主,含细砾的中粗砂,其亮度高、表面均一,如图2所示.1.2.2 地面反射比测量图2 二连浩特实验场Fig.2 Erlianhot test site根据Terra卫星过二连浩特实验场的轨道及过境时间,于2007-06-01在二连浩特实验场地面进行准同步观测实验,利用FRASD野外光谱仪获取地表光谱数据.FR ASD野外光谱仪光谱范围为350～2 500 nm,光谱分辨率为VNIR,3 nm;SWIR,10 nm.在实验场区选择面积约为2 km×2 km的子区进行同步观测.在子区内选取42个采样点,对每个采样点进行2次参考板,10次目标,2次参考板的测量顺序,测量地表光谱数据,以减少太阳辐照度变化对测值的影响.每个采样点在1 min之内完成测量,同时利用GPS对各同步采样点进行精确定位.同步观测时间为卫星过顶前后1 h,整个同步测区共获取554组有效光谱数据.卫星过境时太阳天顶角和方位角、卫星天顶角和卫星方位角分别为24.41°、148.04°、3.12°和 -80.1°.1.2.3 大气光学特性测量地表光谱同步观测当天,在实验场区附近进行大气消光和气象探空观测,以获取实验场区上空气溶胶消光光学厚度、臭氧、水汽含量等大气光学特性参数.气溶胶光学厚度测量,使用法国CIMEL公司的CE318自动跟踪太阳光度计,在距离场地12 km 处,自8：00-19：00采用等间隔时间自动测量太阳直射辐射强度.CE318光度计有8个光谱波段,见表1.表1 CE318波段配置Tab.1 CE318's band setting光谱波段 i 中心波长/nm 波段宽度/nm 1 1 020 10 2 1 640 60 3 870 10 4 670 10 5 440 10 6 500 10 7 936 10 8 340 2气象探空观测除常规两次探空观测外,在卫星过境时刻增加一次无线电探空观测.利用探空观测廓线,计算获得大气柱水汽含量(g/cm2).臭氧含量来自美国国家航空航天局臭氧总量绘图系统(NASA TOMS)数据[8].2 数据处理结果分析2.1 地表光谱数据处理对于每个地面采样点,将地面的10次测量和前后4次参考板测量数据分别进行平均,得到该采样点的地面和参考板的平均计数值.再将参考板BRF按测量时刻太阳天顶角进行插值计算,得到参考板的双向反射比.采样点的地表绝对反射比为式中：ρp(λ)是参考板BRF插值得到的测量时刻的参考板双向反射比;vp(λ)和vT(λ)分别是参考板和测量目标的平均计数值.将42个采样点的绝对反射比进行平均,得到场地的地表绝对反射比,如图3所示.从图3可知,二连浩特场地的可见光-近红外的光谱反射比在10%～40%之间,短波红外反射比在45%左右;0.4～0.75 μ m反射比随波长的增加递增较快,0.75～1.35 μ m 及 1.45～1.8 μ m 波段的地表反射比递增缓慢平稳.42个采样点在0.35～1.1 μ m波段范围的平均相对差异分别为3.1%,表明整个实验场区域地表反射离散度小,场地光学均一性好.曲线上3个跳跃部分是由于水汽吸收所致.图3 二连浩特沙地反射比Fig.3 Surface reflectance results of the test site利用地面反射率光谱数据与MODIS波段光谱响应函数卷积,计算获得MODIS对应波段的地面等效反射率为式中：ρi为 MODIS波段 i的等效地表反射率;RSRi(λ)为MODIS波段i的光谱响应函数.2.2 大气光学特性数据处理根据CE318光度计测量的直射太阳辐射和天空辐射数据,采用Langley方法反演所有波段大气气溶胶消光光学厚度.图4为2007-06-01二连浩特测量的大气光学特征曲线.图4 2007-06-01大气光学特征Fig.4 Optical properties of atmospheric aerosol on June 1,2007图4(a)为2007-06-01二连浩特测量数据拟合的各通道的Langley曲线.可以看出,测量结果的线性较好,自8：00至19：00测量期间气溶胶含量变化很小,大气状况很稳定.假定气溶胶粒子谱分布遵循Junge分布,可通过440 nm和870 nm两个通道的气溶胶光学厚度,推算出两个Junge参数：波长指数α和浑浊系数β,并由此导出波长为550 nm处的气溶胶光学厚度.图4(b)显示 Junge参数α和β.α反映气溶胶粒子组成情况,α越大,表明气溶胶小粒子含量越多;α越小,表明气溶胶大粒子含量越多.β反映气溶胶浓度的大小,β越小,表明能见度越好,大气越清洁,天气也越晴朗.可见,观测当天实验场区以大粒子气溶胶为主,气溶胶浓度很低,大气晴朗稳定,能见度很好,气溶胶对辐射传输的影响很小.2.3 定标系数计算与分析将MODIS可见光近红外波段的地面等效反射率、大气气溶胶光学厚度、探空廓线导出的水汽含量、臭氧含量及太阳和卫星几何位置的参数等输入到6S辐射传输模型,计算获得MODIS可见光-近红外波段卫星高度处的表观反射率和表观辐亮度.Terra MODIS过境时的大气参数分别为：气溶胶光学厚度0.143 4、水汽含量1.032 g/cm2、臭氧含量0.323 D.U..利用GPS数据进行星-地同步观测实验场区精确配准,提取MODIS传感器图像对应地表实验场区的像元平均计数值.由于MODIS波段空间计数值为零(即偏移量offset=0),依据式(2)和式(5)计算获得各波段定标系数,表2是此次场地定标实验计算获得的各波段定标系数.表2表明,2007-06-01场地辐射定标得到的反射率定标系数与MODIS星上定标系数结果一致性好,最大误差为0.013,相对差异小于3%.对于辐亮度的定标系数,场地辐射定标得到的结果与MODIS星上定标结果在近红外波段误差稍大,其他波段很接近,场地定标结果与星上定标结果相对差异小于6%.两种独立法获得定标系数有较好的一致性,证明此次场地定标系数可信度高,且MODIS的星上定标准确、可靠,在对我国的系列卫星进行交叉定标时可将MODIS作为标准参考传感器.表2 2007-06-01场地定标与星上定标比较Tab.2 Comparison between reflectances obtained from cross calibration and those of the on-board calibration for MODIS on June 1,2007光谱波段 i 1 2 3 4 5 6 7场地定标计算的ρi* 0.253 0.351 0.154 0.1887 0.41 0.420 0.394星上定标计算的ρi* 0.250 0.355 0.152 0.189 0.414 0.433 0.392场地定标的ai×10-05 5.33 3.24 3.87 3.46 3.75 3.35 2.83星上定标的ai×10-05 5.27 3.27 3.82 3.47 3.79 3.45 2.81 ai 相对差异/% 0.999 -1.009 1.304 -0.247 -1.052 -2.989 0.567场地定标计算的Li 125.31 108.00 95.88 108.72 58.09 30.90 11.59星上定标计算的Li 124.45 109.01 98.02 109.27 60.81 32.21 10.95场地定标的 Ai 0.0264 0.00996 0.0241 0.01994 0.00531 0.00246 0.000833星上定标的 Ai 0.0262 0.0101 0.02467 0.02 0.00556 0.00257 0.000787 Ai相对差异/% 0.68 -0.92 -2.42 -0.57 -4.58 -4.13 5.753 结论遥感定量应用的关键在于传感器的辐射定标.传感器的定标需要通过多种独立的方法相互验证.为了验证MODIS的星上定标系数的准确性,本文通过2007-06-01在二连浩特实验场的场地卫星同步观测实验,采用反射率基辐射定标方法对MODIS 可见-近红外波段进行辐射定标.通过对反射率基辐射定标方法得到的结果和星上定标结果进行对比分析,场地定标和星上定标这两种独立方法获得的定标系数有较好的一致性,证明两种定标方法的结果均准确、可靠.MODIS星上定标系数具有很高的可信度,今后对我国的系列卫星进行交叉定标时,可将MODIS作为标准参考传感器.致谢：实验数据的获取得到了中科院遥感所论证中心魏飞鸣、傅鹤、朱利、胡梅、郭丁、肖丹涛等同学的帮助,在此表示感谢!参考文献：[1]田庆久.遥感信息定量化理论、方法与应用[C]∥遥感知识创新文集.北京：中国科学技术出版社,1999：20-29.TIAN Qingjiu.Quantitative Theory,Method and Application of Remote Sensing Information[C]∥Thesis Compilation of Innovation About Remote Sensing Knowledge.Beijing：ChinaScience&Technology Publishing House,1999：20-29.(in Chinese)[2]Dinguirard M,Slater P N.Calibration of Space-Multispectral Imaging Sensors：A Review[J].Remote Sensing of Environment,1999,68：194-205.(in Chinese)[3]李小英.CBERS-02卫星CCD相机与WFI成像仪在轨辐射定标与像元级辐射定标研究[D].北京：中国科学院遥感应用研究所,2006.Li Xiaoying.In Flight Radiometric Calibration and Pixel Based Calibration for CCD Camera and WFI Imager on CBERS-02[D].Beijing：Institute of Remote Sensing Applications,CAS,2006.(in Chinese)[4]Slater P N,Biggar S F,Holm R G,et al.Reflectance and Radiance BasedMethods for the Cross Absolute Calibration of MultispectralSensors[J].Remote Sensing of Environment,1987,22(1)：11-37.[5]Xiong X,Sun J,Esposito J,et al.MODIS Reflective Solar Bands Calibration Algorithm and Onorbit Performance[J].Proceedings of SPIE-Optical Remote Sensing of the Atmosphere and Clouds Ⅲ ,2002,4891：95-104.[6]Biggar S F.In-Flight Methods for Satellite Sensor Absolute Radiometric Calibration[D].America：the University of Arizona,USA,1990.[7]Vermote E,Tanré D,Deuzé J,et al.Second Simula tion of the Satellite Signal in the Solar Spectrum(6S)[G].6S User Guide Version 2,1997. [8]What is the TotalColumn Ozone Amount Over YourHouse[EB/OL].(2007-07-09)[2007-07-09].http：∥/teacher/ozone-overhead-v8.html。
CE318型太阳光度计定标方法研究
置为阈值，按照中心波长由长到短阈值分别为
253、266、372、278、99、208、89。图 1 显示了 2020
年12月30日500 nm原始观测值曲线和处理前
后均值曲线的变化。图1a显示原始数据在多个
54
陕西气象
2021(4)
时间点上三次观测值有明显的差异，未经处理的 三次观测均值曲线如图lb所示，在1 0 ：17—11：
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陕西气象
董金芳，何慧娟，王娟.CE318型太阳光度计定标方法研究*+• 陕西气象&0 21(4) = 52-56. 文章编号！ 0 0 6-4354(20 21) 04- 0 0 52- 0 5
2 02 0 ⑷
CE318型太阳光度计定标方法研究
董金芳12,何慧娟#，王娟#
(1.陕西省农业遥感与经济作物ห้องสมุดไป่ตู้象服务中心，西安 71 0 0 16； 2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重；实验室，西安 71 0 0 16)
(2)
LnV =LnV0 —LnR2 +Ln"g—3#。 (3) 在大气状态稳定的情况下，大气垂直气溶胶
光学厚度#保持不变，以相对大气质量3为自变 量工，LnV SLnR2为因变量夕，在没有气体吸收的
通道"g近似为14和夕满足斜率为一#、截距为 LnV0的线性关系，如式(4)所示。
LnV + LnR2 = —3#+ LnV0。
根据Beer-Lambert定律阐述的物质对光的
CE318_太阳光度计技术手册
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
太阳光度计天空辐射亮度观测
太阳光度计天空辐射亮度观测的浅析【摘要】目前ce-318太阳光度计被各广泛应用于气象观测中，为了使人们了解ce-318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法，使观测数据更好地发挥作用，本文介绍了太阳光度计在天空观测（主要在大气气溶胶的观测）方面的应用，并将根据观测资料讨论太阳光度计的后续研究方向。
【关键词】太阳光度计；天空亮度；气溶胶1.引言全自动太阳光度计ce-318，是一种自动跟踪扫描太阳辐射计。
测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性，如粒度谱、相函数等。
大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系。
悬浮在大气中的大气气溶胶颗粒的直径通常小于10，它们对大气辐射传输和水循环均有重要的影响[1]。
近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件[2]等现象都与大气气溶胶密切相关。
由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用ce-318 获得的太阳直接辐射数据来反演南京地区的大气气溶胶光学厚度，并对反演所得的结果进行分析，从而判断南京地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。
2.测量仪器和测量原理2.1 ce-318型太阳光度计图1 ce-318太阳光度计结构示意图[3]本文采用的是测量仪器是全自动太阳分光光度计ce-318，待测的天空亮度能直接从测量仪器中读出。
ce-318由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成，光学头带有两个瞄准筒：一个用于测量太阳直射辐射不带聚光透镜，另一个用于天空辐射测量带有聚光透镜。
在光学头上还装有四象限探测器用于太阳自动跟踪时的微调。
控制箱内装有2个微处理器，分别用于数据获取和步进马达系统的控制。
在全自动测量状态，如附设的“湿度传感器”探测到降雨，控制箱将置光度计于停机状态，以保护仪器的光学系统。
步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度，由时间方程来控制太阳的初步跟踪，用四象限探测器系统作精密跟踪。
内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析
内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析马晓红;余涛;高海亮;陈兴峰;谢玉娟;韩杰【摘要】利用2010年6月在内蒙古贡格尔辐射校正场(简称内蒙古辐射校正场)实测的地表反射率和大气气溶胶数据,分析了该辐射校正场的地表反射率和大气气溶胶特性,并与敦煌辐射校正场相关数据进行了对比分析.结果表明:内蒙古辐射校正场地表反射率的相对方差小于5％,表现出较好的均一性；在天气晴朗的情况下,各通道的大气气溶胶光学厚度可达0.1 ～0.2；内蒙古辐射校正场地理条件优越,交通便利且定标成本低,可作为我国备用的卫星传感器辐射校正场,用于开展卫星传感器的在轨辐射定标及遥感数据真实性检验实验,以进一步提高国产卫星遥感数据定量化应用的可靠性与精度.%Using surface reflectance data and atmosphere aerosol data measured at the Inner Mongolia radiometric site in June, 2010, this paper analyzed the surface reflectance characteristics, atmosphere aerosol properties and geography conditions and made a comparison between the Inner Mongolia test site and the Dunhuang radiometric calibration site. The results show that the relative deviation of reflectance is less than 5% , indicating that the site has good uniformity, that the aerosol optical thickness of each channel is up to 0.1 ~0.2 during the fine weather, that the transportation is very convenient and that the cost of the calibration experiment is low. Therefore, the Inner Mongolia radiometric site not only can be used to carry out on - orbit radiometric calibration and validation experiments as the spare radiometric calibration site, but also can improve reliability and accuracy of homemade satellite remote sensing data.【期刊名称】《国土资源遥感》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】6页(P31-36)【关键词】辐射校正场;内蒙古辐射校正场;地表反射率;大气气溶胶光学厚度【作者】马晓红;余涛;高海亮;陈兴峰;谢玉娟;韩杰【作者单位】河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454000;中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;国家航天局航天遥感论证中心,北京100101【正文语种】中文【中图分类】TP722.4随着对地观测卫星数量的不断增加，遥感数据的应用已经进入到定量化阶段，而卫星传感器的辐射定标是遥感数据定量化应用的前提。
大气校正
二类水体大气校正算法说明书子模块介绍：该模块的主要任务是针对太湖流域二类水体水质，通过对遥感器水色波段的大气校正，计算出可见光波段的归一化离水辐射率，为水体水色信息的提前做准备。
1.输入数据:MODIS TERRA 几何校正后产品MODIS产品中太阳和卫星天顶角、方法角数据集大气辅助数据产品（臭氧含量、压强）CE318太阳光度计辅助数据（用于大气气溶胶光学厚度计算）2.输出数据海洋水色产品（离水辐射率）3.算法说明3.1大气校正模块说明来自大气外层的太阳光通过大气的瑞利散射和气溶胶散射，其中一部分返回到卫星水色扫描仪，一部分直射和漫散射到达海面．到达海面的直射光，一部分由于镜面反射可能会穿过大气到达卫星水色扫描仪，另一部分经水面折射穿过水面，受到水色因子如叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等颗粒的散射后，再经水面折射穿过大气到达卫星水色扫描仪．水次表面的另一部分继续向下到达真光层深度或到达海底又部分反射。
经折射回到卫星水色扫描仪．因此，可能到达卫星水色扫描仪的总辐射量为（为简洁，省略波长 ）：L t=L r+L a+t L f+T L g+t L w（1）式中：L r－大气分子单次和多次散射；L a－气溶胶单次和多次散射以及气溶胶与大气分子间的多次散射；L f －白帽散射；L g－太阳耀斑；T－大气直射透过率；L w－离水辐亮度；t－大气漫射透过率。
对于太阳耀斑Lg，若像元处在耀斑区，则其值非常大，无法准确的去除其影响，实际上这一块图象数据是无效的；而在非耀斑区，其值又比较小，可以忽略不计。
故本算法未考虑其影响，则上式可表示为：L t=L r+L a+t L f+t L w（2）水色大气校正的目的是从传感器接收到的辐亮度值中去除大气的散射贡献，从而计算得到载有水体信息的离水辐亮度。
由于大气分子成分及含量比较稳定，L r已能比较精确的计算得到。
关键是气溶胶散射，由于气溶胶含量在空间域及时间域上变化较大，要准确计算其散射比较困难，各种大气校正方法的不同也主要体现在对气溶胶散射的处理上。
光照度计示值误差校准结果不确定度主要影响因素分析
电流值的相对标准不确定度 u= rel (i)
0= .1% 3
0.058% ，由电流的不
确定度带给光强的标准不确定度
u(I=2 ) 94.34× 6× 0.058= % 0.328(cd) ，乘以灵敏度系数c1，不 确定分 u5 = 0.348lx 。
4 来源于长度的不确定度因素
1 来源于被检照度计的不确定度因素
敏度系数 = 0.023lx 。
c
2
，
度计的显示值，测量结果（单位：lx）分别为102.3、101.8、
本装置中光度头与灯丝平面的调整是根据两根位于光轨两
101.9、102.0、102.2、102.4、102.5、102.3、102.6、102.8。每 侧同一位置的铅锤线形成的平面和与光路平行的对准器调节
光照度计是测量光照度的计量器具。它由光度头和显示器
发光强度标准灯是照度校准装置的主要标准器，标准灯的
两部分组成，光度头包括余弦修正器、V(λ)修正滤光器和光电 光强值与照度标准值成正比，直接影响照度校准准确性。从发
接收器，显示器有数字式或指针式。当光电接收器接收到通过 光强度一级标准灯的检定证书得 I (i) = 94.34cd ，测量结果的相
个测量点测量2次，取平均值作为测量结果，则测量重复性分 的，在实验中会受到空气流动，地板震动的影响，同时实验人
= u1
u= (E) s(E) 2
0.22(lx) 。
目前市面上常用的照度计多采用数字液晶显示。本次实验
所用照度计的显示器在100.0 lx测量点的分辨力为0.1 lx，该项不
确定分量属于均匀分布可采用B类方法评定，则分辨力分
c1
=∂∆E ∂I
=− 1 l2
=−1.061m−2 ，不确定分 u4
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CE318型太阳光度计关键技术及误差分析卞良1，2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；P122Key Technologies and Error Analysis of Sun Photometer CE318Bian Liang 1,2, Li Baosheng1, Li Donghui2(1 School of Instrument 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 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 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, in 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 analysis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。
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V A、V B、V C、V D，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V x、V y可用V A、V B、V C、V D表示V x=(V A+V D)-(V B+V C)，V y=(V C+V D)-(V A+V B)。
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V x、V y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（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，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]：Eλ= E0,λexp(-mτλ)+ ∫L d dω（1）由公式（1）可见，视场角引入的散射光辐射为∫L d dω这部分，其中L d为天空散射光亮度，ω为立体角。