1 临沂大学资源环境学院(山东省水土保持与环境保育研究所), 山东 临沂 276000
2 华东师范大学地理科学学院, 崇明生态研究院, 地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200241
目前, 无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、 林业、 环境等领域的定量监测中。 然而, 现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法, 仍然存在一定的缺陷, 如需要依赖地面参考板、 无法适应光照条件变化、 得到的结果不准确等, 从而影响了多光谱遥感数据定量化应用的效果。 为了解决该问题, 提出了一种可以利用无人机搭载的多光谱相机, 直接对地表反射率进行测量的新方法。 该方法具有非常强的适应能力, 即使在环境光照强度变化的条件下, 仍然能够得到准确的地表反射率。 其中, 如何利用倾斜状态下的光强传感器获取准确的太阳辐照度, 是需要解决的关键问题。 对此, 提出了一种利用两个或者更多朝向不同方向的光强传感器, 实现太阳直射和散射辐照度测量的新方法。 利用此方法即可将相机记录的数字量化(DN)值直接转换为地表反射率。 为了验证本方法的实际效果, 设计了具体的实验验证方案, 对不同日期不同光照条件下获取的无人机遥感数据进行验证。 实际测试结果表明: 利用该方法, 得到黑、 灰、 白三张参考板的反射率在5个多光谱(蓝、 绿、 红、 红边和近红外)波段中最大的平均绝对误差为3.34%, 其对应的标准差为2.11%; 三张参考板在所有波段中最大的平均绝对误差为2.94%, 其对应的标准差为1.84%。 由此可见, 在光照强度变化的条件下, 利用该方法实现地表反射率的准确测量是可行性的。 该方法极大地简化了无人机遥感数据转换为地表反射率的过程。 对多光谱无人机的设计, 以及无人机遥感数据的定量化应用, 都具有重要的参考价值。
无人机遥感 多光谱相机 地表反射率 辐射校正 太阳辐照度 UAV-based remote sensing Multispectral camera Land surface reflectance Radiometric calibration Solar irradiance 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1581
西藏大学太阳紫外线实验室, 西藏 拉萨 850000
日食现象会对地球太阳辐射、 大气气象以及人类活动等造成相应的影响。 2020年6月21日(夏至)在西藏发生了一次日食现象, 西藏阿里日环食最大食分达到了0.995, 拉萨地区日偏食食分也高达0.953。 两地日食均发生在当地正午前后。 本研究利用罕见的日食出现机会, 对西藏阿里和拉萨日食过程中的太阳光谱、 太阳总辐射和太阳紫外线变化特征进行了同步观测研究。 观测表明阿里日环食在当地正午(北京时间14:41分)前后持续了约3小时27分钟; 拉萨日食出现时间比阿里滞后约26 min, 持续时间比阿里短3分28秒。 实地观测表明在日食期间, 阿里光谱观测中最强单色(476.6 nm)光峰值从初亏(13:01分)时刻的1 669.234 mW·m-2·nm-1陡然衰减到食甚(14:44分)时刻的61.936 mW·m-2·nm-1, 损失约96.0%; 相应时刻太阳总辐射强度从1 221.217 W·m-2衰减到56.086 W·m-2, 也损失约95.4%。 拉萨日食期间最强单色(476.6 nm)光峰值从初亏(13:27分)时刻的1 563.876 mW·m-2·nm-1亏损到食甚(15:13分)时刻的26.391 mW·m-2·nm-1, 亏损约98.3%; 相应时刻太阳总辐射强度从1 605.663 W·m-2衰减到28.169 W·m-2, 也亏损约98.2%。 观测研究发现拉萨太阳紫外线B剂量率从初亏的60.8 W·m-2减弱到食甚的0.9 W·m-2值, 减弱了98.5%。 该次日食对西藏地面各种太阳辐射强度造成95%以上能量损失。
西藏 日食 太阳光谱 总辐射 紫外线B Tibet Solar eclipse Solar spectrum Global solar irradiance UVB 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3892
国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
分别将光子晶体薄膜、红外隐身涂层和普通迷彩布作为待测样品贴在60 ℃热源上,并置于室外环境进行红外隐身实验。研究结果表明,太阳光对光子晶体薄膜8~14 μm波段隐身效果影响较小,在绝大部分角度范围内,对3~5 μm波段隐身效果影响也较小;墙壁和大气辐射对光子晶体薄膜3~5 μm和8~14 μm波段隐身效果影响都较小。光子晶体薄膜在中、远红外双波段隐身效果优于另外两种传统红外隐身材料。
材料 光子晶体 红外隐身 太阳辐照 墙面辐射 辐射温度 激光与光电子学进展
2019, 56(3): 031601
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春130033
2 上海卫星工程研究所载荷与地面应用技术研究室, 上海 200240
为了在有限的太阳观测窗口内获得高质量的太阳光谱数据,需保证太阳进入观测窗口时仪器已完成自身预热。为保证仪器预热时间的一致性,需在轨实时预报预热开始时刻,需对每轨太阳开始进入仪器观测窗口的时间进行短时间高精度预报。详细介绍了一种由卫星平台当前广播时间和轨道瞬根推导预报时刻太阳角度的方法。利用该方法预报某一太阳同步轨道卫星本体坐标系下的太阳角度,并将预报结果与STK仿真结果进行比对。该预报方法在预热时间内的最大角度误差为0.5°,导致预热时间最大偏差为20 s,满足1 min的指标要求。分析了预报方法中的主要误差来源,为后续卫星载荷的在轨太阳角度短期预报提供了借鉴与参考。
测量 太阳角度预报 太阳同步轨道 轨道瞬根 太阳辐照度光谱仪
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了获得太阳辐照度绝对辐射计中吸收腔的最优结构参数, 需要对结构中吸收腔-热连接-热沉构成的传热链进行热分析。基于Ansys软件的有限元方法, 给出了上述传热链的仿真模型, 并计算得到了仿真结构的温度响应曲线; 通过改变吸收腔的结构参数(尺寸、材料等), 探究了不同参数下传热状态的变化及其原因; 通过分析仿真结果确定了吸收腔最优结构参数。仿真结果表明：在环境温度为常温(298 K)、加热功率为50 mW的情况下, 吸收腔最优结构参数为壁厚0.07 mm/锥顶角30°/帽檐宽度2.2 mm/银质, 此时辐射计的时间常数为11.501 s、响应度为1.391 K; 同等条件下进行实验, 测得时间常数为11.487 s, 响应度为1.397 K, 与仿真结果相比, 误差分别为0.12%和0.43%。仿真结果基本符合理论推导, 所得数据具有足够的可靠性, 证明该模型可以指导绝对辐射计优化设计, 提高其工作性能。
太阳辐照度绝对辐射计 传热链 有限元方法 吸收腔最优结构参数 Solar Irradiance Absolute Radiometer(SIAR) thermal circuit finite element method optimal structural parameters of the cavity
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 通用光学定标与表征重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光，利用线阵CCD反馈控制光谱扫描，波长覆盖范围为400~2 500 nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标，在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描，得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程，实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较，分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5 nm.用定标好的仪器进行室外测量，将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对，可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比，显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.
太阳辐照度仪 Fèry棱镜 光谱扫描 光谱定标 大汽吸收峰 Solar irradiance spectrometer Fèry prism Spectral scanning Spectral calibration Atmospheric absorption peak
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
针对绝对辐射计光电不等效性来源复杂、实验测量难度大的特点，提出了修正太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)光电不等效性的有限元单元法。结合SIAR的测量方法，对真空中辐射计的腔温响应进行了实验测试。基于有限元单元法，建立了与实验腔温度响应相对误差仅为0.14%的有限元模型，对接收腔的温度响应进行了实验测试。测试结果显示: 入射光功率为73.8 mW时，接收腔与热沉之间的温度差异约为0.85 K，响应的时间常数为29.8 s。运用建立的有限元模型对SIAR的光电不等效性进行了评估和修正。 结果表明: 太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性来源主要为不同加热途径和不同加热区域引起的偏差，SIAR的光电不等效性因子N为0.999 621±0.000 004。该修正模型完善了仪器的修正体系，提高了测量精度，为绝对辐射计的发展提供了可靠的数据来源。
太阳辐照度绝对辐射计 有限元单元法 光电不等效性 温度响应 Solar Irradiance Absolute Radiometer(SIAR) finite element method non-equivalence temperature response 光学 精密工程
2016, 24(10): 2370
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了确定一种新型间接测量太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度分布方法的测量误差范围，对其进行了进一步研究。从理论公式出发，分析了该测量方法的误差源;使用球面小定日镜、CCD相机、漫反射板、中性密度滤光片等设备进行了能流密度测量的实验，使用MATLAB软件对实验数据进行处理，得到了漫反射板上聚焦光斑的能流密度分布和总能量;实验时借助全站仪测量并计算了定日镜中心的光线入射角，根据定日镜的面积和反射率、太阳直射辐射值、余弦效率等计算了光斑能量的理论值，并与测量得到的聚焦光斑总能量比较，得出了实验条件下该方法测量光斑总能量以及能流密度的相对误差为35%。该测量误差在允许范围内，进一步证实了该能流密度测量方法的正确性和可行性。
测量误差 能流密度测量 聚焦光斑 太阳能热发电 measurement error flux density measurement concentrated solar irradiance solar thermal power plant
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
利用有限元软件对低温绝对辐射计热沉在测量过程中的动态响应进行了研究，分析了影响热沉平衡温度的关键因素和不同结构下热沉对应的温度变化，并对比了304号不锈钢、6061铝合金和无氧高导铜材料作为热链接时热沉的响应状态。结果表明，低比热容和低热导率的热链接材料是未来低温辐射计发展的首选。另外，对辐射计结构进行合理的调节可以实现对热沉平衡温度的有效控制。
测量 低温绝对辐射计 有限元法 太阳总辐照度 温度场 光学学报
2016, 36(10): 1012004
1 国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 国科学院大学, 北京 100049
为了提高星载光辐射测量精度，满足在轨测量数据向世界辐射参考标准溯源的需求，运用有限元单元法对太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)的光电不等效性进行修正。SIAR 采用典型的正圆锥腔结构及加热丝直接埋入银锥腔工艺，其光电不等效性源于激光加热照射时一次反射引起的偏差。针对该偏差定量修正难度较大的特点，结合SIAR 腔组件的实际结构，建立与实验测量结果最大相对误差仅为0.86%的有限元体系，并运用该体系对SIAR 的光电不等效性进行定量修正。修正结果表明，光束的一次反射引起了激光加热和电加热阶段的不同功率分布，其光电不等效性因子为1.0000589，不确定度为3.4×10-6。运用该因子对测量数据进行修正，得到SIAR 的太阳总辐照度实际测量结果为(1365.70 ± 1.24) W/m2。该修正完善了绝对辐射计的修正体系。
测量 太阳总辐照度 有限元单元法 光电不等效性 世界辐射标准
