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。

研究气溶胶辐射强迫和激光大气传输效应，需要掌握气溶胶光吸收特性参数及其垂直分布情况。提出一种基于实测与模式相结合的方法来估测垂直高度上气溶胶吸收系数分布。首先采用太阳辐射计和激光雷达观测的数据分别反演整层气溶胶光学厚度（AOD）和消光廓线，再将辐射传输计算软件moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model（MODTRAN）和santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer（SBDART）在相应气溶胶模式下的数据结果作为约束条件，得到气溶胶吸收廓线，并通过外场实验测量数据进行反演实验。结果表明，所提方法是可行的，可作为气溶胶吸收系数垂直分布有效获取的一种新的技术途径。

为了实时测量多个波段激光大气透过率, 研制了ISP02型近红外太阳辐射计。详细阐述了该仪器的硬件组成、光学系统设计以及工作流程, 并对仪器进行了定标, 给出仪器能达到的性能指标。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法, 实测得到1.064, 1.315, 1.54 μm大气透过率, 将结果与POM02型太阳辐射计采用外推法获取的激光大气透过率进行对比, 误差均小于6%, 测量的水汽总量与POM02对比, 误差均小于7%; 然后, 将两者外推的3.78 μm透过率进行对比, 误差均小于5%。秋冬季实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比, 误差小于2%。该仪器测量结果可靠、性能稳定, 可为同时获取多个波段激光大气透过率提供有效测量手段。

随着激光技术在众多科学领域的应用,激光波段大气透过率的实时获取尤为重要。基于测量和模拟结果研究,提出基于太阳辐射计的宽谱直接辐射测量提取红外波段激光大气透过率的方法,该方法低成本、高时效、可同时获得多波段的激光大气透过率。对比研制的ISP型近红外太阳辐射计与POM02的实测结果可知:对应波段透过率和水汽总量误差都小于7%;由1.31 μm与1.32 μm分别提取到1.315 μm波段的透过率,两者误差小于4%,提取的误差与水汽含量成正比,并由1.32 μm反演得到水汽总量,与0.94 μm反演得到的水汽总量结果对比,误差小于10%。因此,在无0.94 μm波段测量时,可以考虑用1.32 μm波段反演水汽总量。将该方法与激光传输评估软件根据实时测量的大气参数模拟计算得到的1.315 μm激光大气透过率进行对比,误差小于6%。该方法对激光工程在实际大气中的应用具有参考价值。

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量, 在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域, 都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法, 分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题, 对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点, 并对后续的研究工作进行了展望。

研制了自动多波段太阳辐射计, 仪器包含8个光谱通道, 覆盖可见-近红外波段.通过二维转台和四象限跟踪组件, 可实现对太阳直射辐照度、天空辐亮度、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时自动测量, 并远程控制和传输数据.为减小温度变化对探测器响应的影响, 对光机头部的八通道主体部分进行了温控设计.结合野外环境的实际情况, 对关键部件八通道主体和散热外壳进行了热力学有限元分析.分析结果表明, 主要光学元器件的安装结构满足实际温度变化产生的零件形变需求; 增大外壳的散热面积可以有效提高八通道主体的温控效率, 增强野外环境适应性.仪器在敦煌辐射校正场长期工作, 经受住了风沙、雨水和温差等的测试, 其温控系统的温度维持在25±0.2℃, 表现出良好的稳定性, 验证了温控设计的可靠性.

太阳辐射测量是研究太阳活动与地球气候演变的重要方式之一, 对人类社会的可持续发展具有重要意义。衍射效应作为测量过程中系统误差的主要来源之一, 有必要进行精确的修正, 从而提高测量数据的精度。首先, 对衍射效应理论进行研究, 从Kirchhoff衍射理论出发, 在高斯光学近似下, 逐步确定点与点, 点与面, 面与面之间的能量传输关系, 推导出了衍射效应的一般公式; 接着, 根据衍射效应的渐近性质, 得到了一种简化的计算方法; 然后, 用简化的方法计算太阳辐照绝对辐射计(SIAR)的衍射效应以及衍射修正因子, 最后, 根据衍射修正结果, 计算相对于世界辐射基准(WRR)的定标系数。结果显示: SIAR的衍射效应以及衍射修正因子分别约为1002 742和0997 265。经过衍射修正后, SIAR对WRR的定标系数更接近于1, 表明衍射修正降低了系统误差, 提高了辐射测量的准确度。

太阳辐射计是观测大气气溶胶重要的地基遥感设备,其定标是获取高精度气溶胶产品的前提条件。视场角(field of view, FOV) 是太阳辐射计的重要参数,也是传递定标的关键参数。基于SONET观测网2016年定标实验,对传递定标方法(单次传递及历史传递 平均结果)和矩阵扫描法获得的仪器FOV进行对比分析,结果表明:单次传递、历史传递平均和激光矩阵扫描结果与仪器的FOV设计值 平均相对误差在2%～3%之内,而三种方法获得的FOV最大相对误差为1.59%,满足FOV的精度要求。误差分析表明,传递定标法 误差主要来自积分球辐亮度定标系数,而矩阵扫描法的误差主要由激光面光源引起。但三种方法各有优劣,可以相互验证、 相互补充,以获得更加准确的仪器FOV参数。

为了获得连续精细的整层大气光谱透过率, 将光栅光谱仪与高精度二维跟踪机架相结合, 研制了能够进行连续波段测量的太阳辐射计。通过小波变换对光谱进行去噪与基线校正, 减小了仪器结构设计的复杂度。鉴于Langley标定法与标准光源法各自的局限性, 提出了一种将二者结合的混合标定法, 将标定基准溯源至大气层外的太阳辐照度。将所提系统与POM-2辐射计进行了同时同地的对比实验, 并且将实验结果与大气辐射传输软件MODTRAN的计算结果进行了对比, 对比结果验证了仪器结构设计的可靠性与标定方法的准确性。

大气中气溶胶光学厚度和可降水量情况为天文选址提供必不可少的评价依据,为天文观测提供重要参考。利用DTF型太阳辐射计对青海德令哈进行 观测,获得2013年9月至2015年1月晴天无云条件下的观测结果,进而得到该地区观测期间气溶胶光学厚度、ngstrm指数和大气可降水量的 日变化与季节变化特征。该地区的气溶胶光学厚度和可降水量日变化类型较多,可分为六种,有一定的季节性特征。不同季节中,秋季气溶胶光学 厚度最小,其他季节相当,而可降水量在夏季最大,明显高于其他季节。ngstrm指数春季最小,夏季和秋季次之,冬季最大。总体来说青海德令哈 的气溶胶光学厚度和可降水量都较小,大气较干净稳定,适合天文观测。