为高精度监测太阳光谱辐照度变化, 设计一款高精度太阳光谱辐照度仪用于获得太阳光谱辐照度数据。该辐照度仪设计了三种光路完成性能指标, 其主光路用于测量光谱辐照度, 参考光路用于波长标定, 太阳跟踪光路用于室外精密跟踪太阳。详细介绍了辐照度仪主光路的设计, 主光路采用 Féry 棱镜进行色散与会聚, 辐照度仪入射狭缝通过 Féry 棱镜成像到棱镜焦平面。通过旋转棱镜, 在辐照度仪焦平面通过两个单元探测器获得 380～2500 nm 光谱辐照度。通过理论分析和实验验证, 在 380～2500 nm 光谱范围内仪器的光谱分辨率小于 40 nm。采用标准灯对太阳光谱辐照度仪进行光谱响应范围验证, 结果表明仪器的光谱范围满足测量需求。

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求, 为精确监测太阳光谱辐照度, 研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成, 其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构, 是保障仪器测量精度的关键。为此, 设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置, 采用定时器主从方式控制电机旋转, 并利用 STM32 驱动线阵 CCD 工作, 结合 CCD 检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制, 闭环控制精度小于 2 个像元宽度。最后, 对线阵 CCD 的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试, 测试结果表明 CCD 质心位置检测的标准差为 0.0693, 最大偏差不超过 0.3 像元宽度, 系统运行时闭环精度小于 2 个像元宽度, 满足波长扫描的重复性和稳定性要求。

传统滤光片辐射计在测量紫外(UV)波段时带外泄漏影响严重。将日盲型光电管作为UV滤光片辐射计的探测单元,采用搭建的比对测量装置对日盲型UV滤光片辐射计各通道进行系统级相对光谱辐射功率响应度测量,再利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的光谱辐射照度标准灯对UV滤光片辐射计进行绝对光谱辐射照度响应度定标。采用单色仪系统完成UV滤光片辐射计与溯源至美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准探测器的对比,两者结果最大相差2.09%,验证了辐射标准传递的准确性。最后,通过立体角构建,将232~400 nm辐射标准传递到了大口径大动态范围UV积分球辐射源中。

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。 传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量, 新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量, 可以大大降低测量的不确定度。 该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源, 然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑, 进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。 研究主要集中在四个方面: (1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器, 其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值, 通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率, 可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差, 结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%; (2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号, 并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响, 测量重复性优于0.1%; (3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异, 采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数, 分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度, 在450, 632.8和850 nm波长下, 当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25; (4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异, 采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正, 测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。 最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置, 可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。 实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。 测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价, 测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题, 基于高温黑体辐射源, 2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。 组建氘灯副基准灯组, 实现基准量值的独立复现、 保存和传递。 在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系, 为各应用领域提供最高溯源标准。 针对基准系统中温度测量、 带宽、 信噪比、 荧光等主要误差源, 逐一突破关键测量技术, 提升基准的测量准确度: 将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体, 采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证, 在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K, 将200 nm的测量不确定度减小0.2%; 针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差, 提出基于微分求积的七点带宽修正法, 在200 nm, 误差减小0.86%; 提出绝对和相对互补型测量原理, 将200 nm的测量重复性误差减小约20倍; 采用选择性滤波技术, 成功消除系统内荧光对测量结果的影响。 3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K, 腔底不均匀性小于0.17 K, 测量期间黑体温度漂移小于0.2 K, 双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。 氘灯副基准的标准测量不确定度为: 200~250 nm, Urel=4.0%~1.3%; 250~330 nm, Urel=1.3%~1.2%; 330~400 nm, Urel=1.2%~1.9%, 整体技术指标达到国际先进水平。 研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白, 使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对, 与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。 在250~400 nm重合波段, 两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%, 在声称的不确定度范围内一致。

针对自研的太阳光谱辐照度计入射光学系统的结构特征,分析了引入余弦误差的因素,研究了直、漫射辐照度以及漫射-总辐射比的余弦校正方法,开展了实验室余弦响应特性测量和多种仪器的敦煌外场比对试验.结果显示,余弦误差与积分球入口黑色阳极化内壁及结构有关,在入射角为60°时,440 nm、500 nm、670 nm和870 nm波段太阳光谱辐照度计的余弦误差为4.3%~9.1%;由太阳光谱辐照度计获取的直射辐照度反演得到的大气光学厚度受到余弦误差的严重影响,余弦校正前后与CE318太阳光度计反演结果相比,偏差分别为0.11~0.13和小于0.012;基于天空辐亮度各向同性分布假设, 余弦校正后四个波段漫射辐照度数值提升6.8%~10%.基于天空辐亮度分布数据,提出了一种漫射辐照度的精确校正方法,仿真结果显示,余弦校正后的漫射辐照度与理论数据一致,初步验证了该方法的可行性.

目前, 气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、 数据差异大的观测瓶颈, 已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求, 具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。 在此背景下, 为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题, 开展了深入的科学研究与技术开发工作。 重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法, 首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。 光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构, 具有低杂散光、 高收光效率和高可靠性的特点, 尤其适用于长期无人值守的户外观测。 系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适, 在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小, 不同波长通道的带宽基本一致, 使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm, 像素采样间隔小于0.5 nm。 对于太阳辐射观测来讲, 这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。 其次, 在观测数据的基础上, 阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。 太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集, 将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI), 法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量, 阐述了基于GHI, DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。 其中, GHI是地表实际辐照度水平, 适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式, 可用于计算日照时数和分析大气参量。 并且, 进一步分析了观测形式、 光谱特征与地理(经度、 纬度、 海拔高度、 大气质量)及气象参数(云量、 大气吸收)之间的互易演算关系。 与传统的波长积分式辐射观测相比, 太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。 从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出, 不同波长之间的辐射能量变化显著, 而这些变化与大气变化密切相关。 因此, 太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息, 更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道, 利用特征波长维度的辐射信息, 可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、 臭氧、 水汽等大气参数。 通过精密太阳光谱辐射计, 可将纳米分辨率水平的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、 光伏资源评估与生态环境等研究; 同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、 农业、 生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

提出了一种天基预警系统对弹道中段目标红外探测的仿真方法。利用卫星工具箱的红外模块(Satellite Tool Kit/Electro-Optical Infrared Sensor, STK/EOIR)对中段目标红外辐射的特性进行了研究。首先,提出了基于STK/EOIR的弹道中段目标动态红外辐射特性仿真方法，分析了EOIR目标红外辐射的计算模型和传感器接收模型。然后,给出了典型目标在中波、中长波以及长波红外波段的红外辐照度的仿真结果。最后,对比分析了观测角、观测距离对天基凝视传感器接收目标红外辐照度的影响。仿真结果表明，中段目标红外辐射的强度能满足天基凝视传感器的探测灵敏度要求。