光谱型太阳辐射计可以直接测量得到太阳辐射变化, 反映各个波段对应的辐射度信息, 其直射通道全波段的仪器定标精度直接影响大气参数的反演精度。 常用的Langley拟合法在大气强吸收波段定标精度不高, 最终计算的可降水量、 强吸收波段透过率数据均存在一定的误差。 为了满足可见-近红外全波段太阳光谱的高精度测量需求, 提出一种非吸收波段的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, 得到光谱辐射计全波段的定标值。 因为仪器响应函数是随波长缓慢变化的, 通过非吸收波段定标的仪器响应函数按波长线性插值得到强吸收波段下的仪器响应函数, 再结合大气层顶太阳辐照度和仪器定标值之间的关系得到强吸收波段下的仪器定标值。 通过对比Langley定标法、 改进Langley法以及混合定标法的仪器定标值变化曲线发现, 前两种方法在强吸收波段的定标值有明显的突变, 而混合定标法计算的强吸收波段仪器定标值变化更平缓, 符合仪器响应规律; 通过对比不同定标法测量的大气透过率与CART理论计算透过率的相对偏差, 发现混合定标法平均偏差减少了1.15%, 误差的减小主要归因于混合定标法提高了强吸收波段大气透过率的测量精度。 将改进Langley法和混合定标法计算得到的可降水量数据与国外同类型的POM辐射计测量得到的可降水量数据进行对比, 混合定标法计算得到的可降水量与POM辐射计的计算结果几乎一致, 相对误差在10%以下, 而相对于改进Langley定标法平均减少了40%; 对于测量的大气透过率, 与POM辐射计测量的透过率数据进行对比, 在940 nm水汽强吸收带处, 混合定标法测量的相对误差减小了25%。 因此混合定标法对于光谱型太阳辐射计直射通道全波段定标、 可降水量计算以及强吸收波段透过率计算有应用价值, 较好地改善了强吸收波段的定标精度。

为实现夜间可靠跟踪恒星并测量整层大气透过率,采用直驱力矩电机和圆光栅绝对编码器作为伺服部件,研制一套二维直驱跟星转台。该转台具有定位精度高、环境适应性好及野外长期运行免维护的优点,能够实现夜间长期跟踪目标恒星并自动换星功能。结合搭载其上的由望远镜、CCD相机和滤轮等组成的图像采集系统,搭建了测量实验平台。搭建的测量实验平台采用主-从式控制方式,上位工控机对图像采集系统进行相应控制,同时向下位机反馈转台方位偏差;下位机跟星转台控制系统采用装载Linux系统的ARM7数字处理器为控制核心,并内置自研的星图。通过上、下位机协同软件开发实现整层大气透过率测量的完整功能。开展了转台功能验证实验,整层大气透过率测量和激光雷达的对比实验。结果表明,二维直驱跟星转台能够实现夜晚长期跟踪目标恒星并自动换星测量,转台搭载的望远镜系统根据恒星的图像数据能够可靠地反演出夜间整层大气透过率,满足测量实验的功能要求。

为满足对天空背景辐射进行实时光谱测量和特征提取的需求,基于光纤光谱仪研制了一台一体化天 空背景辐射计,可测量340～1030 nm波长范围内的天空背景辐射光谱,波长分辨率优于0.5 nm, 具有定点测量、全天空扫描测量两种工作模式。在介绍系统总体结构的基础上,描述了光学组件、 转台系统、跟踪模块、嵌入式控制系统及恒温控制模块等硬件部件的结构,以及上位机软件的 设计思路、设备工作流程和定标方式。最后分析经光谱辐射定标后的测量数据,初步验证设备 工作的可靠性,为天空背景辐射的实时测量及光谱特性研究提供了有效手段。

天空背景辐射是指大气粒子对太阳光的吸收和散射形成的大气层内散射光亮度的空间分布,在科学研究及工程应用方面发挥重要作用。简要介绍了几种 地基天空背景辐射测量仪器,并从大气气溶胶粒子光学特性反演,大气柱中水汽、臭氧、NO2等气体含量反演,及云的分布判别几个方面阐述了地基天空背 景光谱辐射分布在大气光学方面的应用,为后续的研究提供参考。最后,提出几点根据全天空背景光谱辐射进行环境感知及天气识别等方面的研究目标。

为获取更精细的背景辐亮度分布信息，提出基于光纤光谱仪和二维转台对全天空背景光谱辐射进行测量的方法。可实现定点观测及全天空扫描两种工作方式。详细介绍了测量原理、系统的组成、定标的原理及方法等。经过一次全天空扫描可获得649个光谱辐射亮度采样样本，每个样本的光谱分辨率为0.5 nm。各个样本测量位置作为像素点，相应位置上各波段的辐亮度值作为灰度值，可得到各波段的全天空背景光谱辐射分布图。该方法为之后的科学研究提供了更详细的信息。