太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究刘丽莹;郑峰;张国玉;徐毅刚;杨礼艳;吕文华;边泽强;崇伟;李野【摘要】太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的.研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导.因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程.线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性.而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FW H M),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2018(038)010【总页数】8页(P3004-3011)【关键词】太阳光谱辐射计;线谱扩展函数;信号传递模型;性能指标模型【作者】刘丽莹;郑峰;张国玉;徐毅刚;杨礼艳;吕文华;边泽强;崇伟;李野【作者单位】长春理工大学 ,吉林长春 130022;江苏省无线电科学研究所有限公司 ,江苏无锡 214127;长春理工大学 ,吉林长春 130022;江苏省无线电科学研究所有限公司 ,江苏无锡 214127;江苏省无线电科学研究所有限公司 ,江苏无锡214127;中国气象局气象探测中心 ,北京 100081;中国气象局气象探测中心 ,北京100081;中国气象局气象探测中心 ,北京 100081;长春理工大学 ,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O433.1引言太阳光谱辐射计是一种太阳光谱辐射的精细化测量仪器，利用分光技术测量较窄波长间隔内的辐射能量，并同时获取较宽谱段范围内随波长变化的功率谱分布信息。

太阳光谱辐射的测量在气象、光伏、农业、材料、环境、天文、海洋、植被等领域有着重要的应用意义，并随着各个相关领域中的研究对象与太阳辐射之间的光谱权重计算参数的应用越来越多，使得精细化太阳光谱辐射数据的诉求日益增加。

进入21世纪后，随着光谱仪器技术的日趋成熟，紧固可靠的小型化光谱仪器才开始被设计用于太阳光谱辐射的观测。

由于不同结构形式的光谱仪器测试的数据质量存在显著差异，所以光谱辐射计的仪器性能评估方法也逐渐开始得到重视[1-3]。

2003年，美国航空航天局(NASA)开始进行太阳辐射与气候实验(SORCE)项目任务[4]，旨在通过精细化的太阳光谱辐照度观测数据提高对太阳活动的理解，研究太阳的辐射变化如何影响大气和气候等各种问题，之后NASA在2012年又启动了行星辐射光学传感器(OSPREy)项目[5]，进一步加强对地球生态环境受太阳光谱辐射影响的观测。

世界气象组织(WMO)也开展了一系列与太阳光谱辐射观测相关的项目，尤其是瑞士达沃斯气象物理观象台/世界辐射中心的辐射工作组在2008年开始了300～1 100 nm谱段的精密太阳光谱辐射计技术开发项目[6]，2014年项目完成并开始进行连续的太阳光谱辐照度观测。

2014年中国国家公益性行业(气象)科研专项支持了分光谱辐射表研制及业务应用试验项目[7-8]，旨在研制气象应用所需的分光谱辐射表，进而能够将太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据，提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型。

本文旨在通过仪器模型和性能指标模型的研究，给太阳光谱辐射计系统设计和验证提供参考依据。

1 太阳光谱辐射特征与数据业务观测需求光谱辐射是与全辐射相对的概念，是指在特定波长处的单位波长间隔内的辐射量，是用于表征辐射能量随波长分布变化特性的物理量，包含了不同波长上承载的丰富信息。

太阳光谱辐射计通常以半球接收和直接接收两种形式测量观测点所在地理位置的太阳光谱辐照度水平，其光学前端主要分为余弦校正器接收系统和光筒接收系统，对应为半球总辐照度和法向直接辐照度。

前端的光学接收系统有两个作用：一是按照辐照度测量模型，在特定角度范围及响应函数形式下，将天空辐射能量收集并转换为辐照度量纲；二是将具有空间分布的天空辐射进行收集并转化为使用光纤入射的光束耦合进入光谱辐射计系统。

国际上普遍使用ISO9845标准作为太阳标准光谱辐照度数据标准，该标准是以1983年和1985年Bird(伯德)等的太阳光谱辐照度数据工作报告为基础，利用BRITE辐射传输模型进行计算得到的模拟数据。

长期以来该标准一直是地面上太阳能量吸收、反射和透射参数研究的参考标准。

然而，在实际测试环境下，不同地点、不同大气条件、不同观测方向等因素使得实际地面上的太阳光谱与标准光谱仍然存在较大差异，所以标准化组织对该标准正在进行修订，对最新修订版本提出了更为精细的测试条件参数(大气参数和倾斜角度等参数)的应用需求，以便提供与实际地理环境和测试条件相关的更多标准太阳光谱数据进行业务应用。

更为重要的是，ISO9845标准虽然为太阳能等相关应用领域提供参考标准，但其数据依据仍然是三十几年前的美国地区实验数据，早期实测的太阳光谱辐照度观测数据极少[9-10]，尤其是在中国地理分布上的有效性需要通过太阳光谱辐射计进行实验观测验证。

ISO9845标准的数据提供了太阳光谱从280～4 000 nm范围的光谱辐照度数据，以该标准光谱数据作为参考计算，300～1 100 nm一段覆盖了800 nm范围，能量约占太阳辐射总能量的75%，是太阳辐射能量最为集中和信息最为丰富的一段范围[11]。

图1给出了ISO9845中的太阳光谱辐照度曲线分布情况，图1(a)为280～4 000 nm完整曲线，图1(b)为300～1 100 nm部分曲线。

同时，300～1 100 nm也刚好覆盖了硅探测器响应范围，光伏领域标准IEC 62805-2中给出的太阳光谱参考数据的谱段范围即为300～1 100 nm(数据的采样间隔为5 nm)。

图1 (a) 280～4 000 nm太阳光谱辐射分布曲线；(b) 300～1 100 nm太阳光谱辐射分布曲线Fig.1 (a) 280～4 000 nm distribution curve of solar spectral radiation;(b) 300～1 100 nm distribution curve of solar spectral radiation2 太阳光谱辐射计分光系统的基本形式及色散关系分光系统是太阳光谱辐射计的核心单元，对于分光系统来讲其核心元件是光栅，并且系统中每个元件及元件之间的匹配均会影响这个系统的响应。

光栅分光模块具有三种基本拓扑形式：平面反射光栅(plane reflection grating, PRG)，凹面全息反射光栅(concave holographic grating，CHG)和平面透射光栅(plane transmission grating, PTG)。

由于透射光栅的使用必须辅以入射和出射光学透镜，若要进行像差校正则要求入射和出射都至少是二片的透镜组，系统的参数相对复杂以及集成度不高使得该结构形式的光谱仪相对很少见。

因此，太阳光谱辐射计对分光系统拓扑结构的选择主要是在PRG形式和CHG形式二者之间进行。

目前，市场上的各种微型光谱仪系统中，采用平面反射光栅的CT(Czerny-Turner)结构是最常见的。

对于300～1 100 nm范围的宽谱段来讲，CT结构所采用的离轴光学系统存在较大的像差，这将使得入射狭缝在像面上成像的宽度产生渐变，约为几倍的变化。

为了使得像差最小化，CT光学结构的F数一般都设计为大于3，这将使得其收光效率受到限制。

通过比较PRG和CHG两种光学系统的光学特性，CHG形式的分光系统由于具有较低杂光、较高收光效率和较高可靠性的特点，十分适合于太阳光谱辐射计的设计。

首先，CHG形式具有更少的光学元件，光学表面越少就能够越降低光学表面产生的杂散光，这十分有助于提高系统的信噪比；其次，CHG系统具有相对较小的F数，具有更高的收光效率；最后，由于CHG形式中分光系统的光学元件仅包括一个光栅，所以系统具有更少的几何参数，使得装配公差更低从而使得系统装配更为简单可靠。

对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用要求，凹面平场光栅系统更适用于太阳光谱辐射计。

对于宽谱段(300～1 100 nm)光栅分光系统来讲，系统像差和高阶衍射杂光是必须解决的两个关键问题。

谱段越宽意味着越会产生由系统几何面型上渐变差异引起的离轴像差，即从短波端至长波端，像差会使得像面上单色狭缝像的宽度产生几倍的变化，而狭缝的成像宽度恰恰是决定光谱系统中最为重要的指标——光谱分辨率。

目前像差校正的方法主要有两种：一是用像差校正透镜进行校正；二是直接在光栅的周期参数上进行变间距修正。

经过调研，分光系统最终选取了HORIBA公司的Ⅳ型像差校正平场成像光栅，该光栅制造过程中的周期形貌既不是平行的也不是等距的，而是由计算机优化后得到的排布，使其在探测平面上能够产生接近理想成像效果。

下面对凹面平场Ⅳ型光栅的色散分光原理模型进行阐述，图2是以光栅中心为原点O建立坐标系统的凹面单光栅变间距平场校正几何结构关系图。

图2 平场凹面光栅色散的物像几何关系图Fig.2 Image geometric diagram of flat field concave grating dispersion当入射点A(x, y, 0)发射光线到光栅凹面上任意点P(u, w, l), 经光栅衍射到像面上点B(x′, y′, 0)，所经历的光程与光线经过路径AOB的光程之差为OPD=〈APB〉-〈AOB〉+Nmλ(1)其中，N=1/σ表示光栅空间频率或刻线密度，m是衍射级次。

由于在光栅表面上，坐标并不是独立的三维，在球面上的点坐标具有R2=(x-R)2+y2+z2关系形式，所以独立变量仅有二个维度。

则光程差可以表示为光栅表面上点的二维坐标幂级数形式(2)理想成像情况下，光程差为零。

而在实际的光学成像系统中，并不存在理想成像情况，所以经过光栅表面上不同点的光线所对应的坐标级次被称为像差，式(2)中Fij 被称为像差系数。

对于变间距光栅来讲，刻线间距σ也可以表示为光栅凹面上坐标w的幂级数形式的函数(3)其中，σ0是光栅中心的刻线间距，R是凹面的曲率半径。

在优化R和b2得到平场效果的基础上，再选择适当的参数b3和b4可以最小化球差和慧差。

经过平场和像差校正后的Ⅳ型光栅，能够在像面上得到比较理想的单色狭缝像的分布。