可溯源至SI的星载太阳光谱仪研究

发布时间：2020-06-18 13:36

【摘要】：太阳是地球最主要的外部能源,与人类的生存和发展密切相关,太阳辐射的高精度、不间断监测对太阳物理研究和地球气候研究等方面具有重要意义。面对高精度的太阳光谱辐照度在轨监测需求,本文提出了可溯源至SI的星载太阳光谱仪这一课题并对此展开了研究。主要研究内容如下:1、太阳光谱仪的设计与分析为了提高太阳光谱辐照度在轨绝对测量精度,设计了可溯源至SI的星载太阳光谱仪。根据大气层外太阳光谱辐照度分布及变化情况,对仪器光谱范围及光谱分辨率的需求进行分析,确定了可溯源至SI的太阳光谱仪总体设计方案,将仪器300 nm-2500 nm光谱范围分为三个光谱通道,光谱范围分别为300 nm-1000nm、900 nm-1700 nm和1600 nm-2500 nm,对应的光谱分辨率分别为2 nm、4 nm和10 nm。针对每一通道,分别使用平面光栅和凸面光栅为色散元件对仪器完成了光学设计,并对设计结果进行了公差分析。结果显示,平面光栅光谱仪具有更好的公差容忍度,在元件加工和装调方面具有优势,凸面光栅光谱仪具有更好的成像质量。之后使用光栅色散公式计算、几何光线追迹以及线扩散函数卷积三种方法对设计光谱仪的光谱响应函数及光谱分辨率进行了仿真,结果显示在全光谱范围内光谱分辨率满足设计需求。2、原理样机研制为了便于加工和装调考虑,最终选择了基于平面光栅的太阳光谱仪结构,完成了300 nm-1000 nm通道平面光栅太阳光谱仪原理样机的研制。主要工作包括,根据信噪比和光谱分辨率需求结合大气层外太阳光谱辐照度分布情况,对三个通道光谱仪所使用的线阵探测器进行了选型,并根据选用探测器的性能参数对太阳光谱仪在轨观测时的信噪比进行了分析。机械方面,加入了探测器亚像元位移结构的设计。电路控制方面,完成了与选用探测器配套使用的数据采集与控制系统,基于Lab VIEW编写了PC端的数据通信及数据处理程序。实验测试了基于线阵探测器的数据采集系统的噪声水平、像元均匀性以及像元响应的非线性。最后对原理样机进行了装调,光谱分辨率满足2 nm设计需求。3、原理样机定标及超光谱分辨率复原使用汞灯特征谱线和高精度光栅单色仪波长扫描两种方法完成了太阳光谱仪原理样机的波长定标,定标不确定度分别优于0.11 nm和0.09 nm。利用单色光波长扫描法对原理样机的光谱响应函数进行了测定,得到光谱分辨率随波长分布曲线。提出了基于探测器亚像元位移的光谱响应函数测量方法。使用辐照度标准灯对原理样机进行了实验室辐照度定标,全光谱范围内定标不确定度优于2.84%。对太阳光谱仪溯源至SI的在轨辐照度定标进行了分析,全光谱范围理论定标不确定度优于1%。最后,对光谱仪超光谱分辨率复原的理论及装置进行了分析,基于几何光线追迹的方法对超光谱分辨率复原过程进行了仿真,并对超光谱分辨率复原条件的溯源定标进行了分析。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【图文】：

太阳,辐照,辐照度

[15]先后执行了太阳总辐照度的观测任务，在轨的太阳总辐照度观测任务记录如图1.1所示。观测结果显示了，地球大气层上界的太阳总辐照度数值约为 1365W/m2，这一数值过去被认为是恒定不变的，称为太阳常数。然而观测中显示，太阳总辐照度是变化的，在过去的11 年太阳活动周期[16]内变化幅度约为 0.1%，在短时间内还曾有过大约 0.3%的变化[17]。在太阳光谱辐照度观测方面，最早期主要集中在极紫外区（EUV），如OSO 1 卫星等，对紫外波段的观测载荷包括 SUSIM[18]、SOLSTICE 载荷[19]等

辐照度,太阳光谱

太阳光谱辐照度观测任务

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