全自动太阳光度计温控系统设计及测试
1 引言
大气气溶胶是地球-大气系统的重要组成部分, 在地球能量平衡、全球气候变化乃至水量循环中都起着重要作用[1, 2]。此外, 大气气溶胶也是影响光学卫星传感器定标和遥感数据大气校正精度的重要大气参数, 它对辐射的吸收和散射作用主要取决于自身的性质, 因此需要进一步了解大气气溶胶的物理和光学特性, 如气溶胶光学厚度、散射相函数、单次散射反照率、复折射率、不对称因子、粒子谱等参数[3, 4]。
太阳光度计是最简单、最直接的大气气溶胶被动遥感观测仪器之一, 在对大气气溶胶遥感监测手段中, 地基太阳光度计具有较高的观测精度, 它通过测量太阳直射信号和天空散射信号, 不仅可以获取区域气溶胶特性, 还可以用于卫星产品精度验证 [5, 6]。国内外已经开展了太阳光度计的研制和相关反演算法研究, 如法国CIMEL公司生产的CE318是目前应用较为广泛的商业仪器, 该仪器设置有9个通道, 可以测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射信号。美国Solar Light公司生产的MICROTOPS系列便携式太阳光度计被应用于海洋大气气溶胶观测, 具备较好的操作性和便携性。日本PREDE公司生产的POM系列太阳光度计也被广泛应用于地基观测网进行大气观测, 其结构与CE318相似并对软件进行了优化。此外, 美国NASA利用CE318在全球布设了AERONET气溶胶观测网系统, 观测全球主要区域的气溶胶光学特性; 国内也建立了CARSNET、SONET等区域性气溶胶观测网络[7]。但现有的产品设计仍存在不足之处, 例如野外温度的环境变化对探测器的响应具有较大影响。研究表明, CE318 1020 nm 通道随温度有明显变化, 需要利用算法进行温度校正处理, 极端低温下进行Langley 定标, 如果不进行温度校正, Langley 定标系数的误差可达2%[8]。同时, 该波段是AERONET气溶胶物理和光学特性反演算法中的推荐波段之一, 温度效应会对反演结果产生较大偏差[9]。太阳光度计的温度敏感性并不相同, 每个光度计都需要通过实验室控制温度系统来计算温度校正系数, 对于没有温度控制系统的用户较为不方便[8-10]。
为了解决太阳光度计在偏远地区使用时面临的环境温度变化大、工作条件恶劣等问题, 本课题组研制出了一款具有温控功能的全自动太阳光度计。本文介绍了仪器的整体设计和温控模块系统的设计, 并进行了仪器测试, 验证分析了仪器设计的可靠性。
2 整体设计
全自动太阳光度计是一种能够自动完成数据测量、数据传输和数据处理的一体化自动观测设备, 在地面可以测量太阳直射光和多角度天空光通量, 从而实现大气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量、臭氧、单次散射消光比以及粒子谱分布的连续获取。如
图 1. 太阳光度计整体组成图 (a) 和实物图 (b)
Fig. 1. Overall composition chart (a) and physical view (b) of sun photometer
表 1. 太阳光度计主要参数
Table 1. Main parameters of sun photometer
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全自动太阳光度计覆盖可见-近红外9个波段, 采用固化通道设计, 每个通道包含独立的滤光片分光和硅/铟镓砷光电探测器。这种设计方式的好处在于能显著减少各通道测量的时间, 尤其在早晚时刻, 太阳高度角变化明显, 需要尽可能地缩短测量时间。此外, 固化设计较容易使滤光片与探测器响应相匹配, 避免各通道共用增益电阻, 便于扩大太阳光度计观测波段的动态范围。为满足探测和反演的需要, 同时为便于校准和比对, 试验中选配了与CE318相同的观测波段, 具体参数如
3 温控系统
全自动太阳光度计功能设计覆盖可见-近红外340~1640 nm共9个观测波段, 单一探测器有效响应范围难以满足观测需要, 因此根据观测波段分别采用硅和铟镓砷光电探测器。如
图 2. 探测器温度系数 (源于滨松产品手册)
Fig. 2. The temperature coefficient of the detectors (from Hamamatsu product manual)
3.3 结构
温控系统内含热电制冷器 (TEC)、滤光片、探测器、前置放大电路板等重要元器件和部件。
图 3. 温控系统整体示意图 (a) 和TEC (b)
Fig. 3. Schematic of temperature control system (a) and TEC (b)
光学主体前面贴有黑色聚四氟乙烯底座和热电制冷器, 热电制冷器紧贴后部外壳的导热盘, 导热盘吸收热量并及时将热传递到后部外壳圆周, 圆周上设计有散热槽。TEC利用半导体材料的珀尔帖效应制成。珀尔帖效应是指当电流流过由两种不同半导体材料组成的电偶对时, 电偶对的一端放热而另一端吸热, 如果改变电流流入的方向, 放热端和吸热端也会随之交换, 这一点适用于既需升温又需降温的温控系统[11]。
3.4 电子学
利用数字温度传感器测量恒温仓的温度, 比较当前温度与设定温度, 将温差带入比例积分微分算法得到调整参数, 并通过控制继电器驱动TEC加热或者制冷。温控示意图如
4 外场试验
测试中将全自动太阳光度计与来自SONET观测网的太阳光度计CE318 DP进行同步观测。根据Beer-Lambert-Bouguer定律, 仪器观测信号值V为[5,6,12]
式中
式中
式中
如
图 6. 全自动太阳光度计与CE318在不同工作温度下校正前后对比。(a) 温度在1~23 ℃变化范围下AOD比较的结果; (b) 温度在25~40 ℃变化范围下AOD比较的结果
Fig. 6. Comparison between sun photometer and CE318 before and after correction at different operating temperatures. (a) Comparison of AOD results in the range of 1~23 ℃; (b) comparison of AOD results in the range of of 25~40 ℃
根据式(
在考虑温度校正时
由此可得温度校正前的偏差
根据
为验证温控系统长期工作的稳定性, 将全自动太阳光度计放在敦煌进行野外观测测试, 选取敦煌温度变化较大的6月和12月两个月的温度数据进行长期温控精度分析, 结果如
图 7. 6月和12月环境温度和温控系统温度变化情况。(a) 6月环境温度和温控系统的温度; (b) 6月温控系统的温度和25 ℃偏差; (c) 12月环境温度和温控系统的温度; (d) 12月温控系统的温度和25 ℃偏差
Fig. 7. Temperature change in July and December. (a) Environmental temperature and controlling temperature in June; (b) deviation of controlling temperature in June; (c) environmental temperature and controlling temperature in December; (d) deviation of controlling temperature in December
由此表明, 在温差较大的野外环境中, 太阳光度计的温控系统表现出良好的稳定性, 从而也验证了温控系统设计的稳定性和可靠性。
5 结论
阐述了自研全自动太阳光度计整体设计和基于ETC的温控系统设计。在合肥将全自动太阳光度计和CE318进行了同步观测, CE318温度校正前后的观测结果存在较大差异, 全自动太阳光度计反演的气溶胶光学厚度与CE318温度校正后的结果一致, 偏差在0.01以内, 说明温控系统设计的有效性。并将其放在敦煌进行长期的野外观测, 结果表明, 全自动太阳光度计经受住了环境恶劣、温差大的野外观测测试, 温度均保持在 (25 ± 0.2) ℃内, 验证了温控系统设计的可靠性, 能够在野外长期稳定运行。本系统的设计也为同类观测设备温控设计提供了一种思路。
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