基于多通道高朗伯特性的辐射测量技术研究

发布时间：2020-04-26 13:53

【摘要】：准确监测大气气溶胶及太阳辐射剂量能为分析大气环境变化、建立影响植被生长进程的机制提供重要的数据支撑,因而具有十分重要的现实意义。对于大气气溶胶的监测目前主要有两种手段:卫星观测和地基观测,二者各有优劣,通常高精度的气溶胶观测是结合卫星遥感数据并利用地基观测数据进行充分校正的过程。论文主要涉及一种非传统型地基观测产品——多通道高朗伯特性的旋转影带辐射计的结构设计、定标实验及气溶胶反演机制的建立。气溶胶光学参数复杂且多变,旋转影带辐射计主要用于反演大气气溶胶的光学厚度(Aerosol Optical Depth,简称AOD)。AOD是气溶胶最关键的物理量之一,它主要用于表征大气环境中气溶胶的总含量,即用于体现大气浑浊程度,被定义为太阳辐射沿两个垂直高度层之间路径上的单位截面上被气溶胶粒子吸收和散射产生的总衰减,简而言之气溶胶光学厚度是指气溶胶粒子对太阳光的削减作用。传统地基气溶胶观测产品具有自动瞄准、自动传输数据、宽光谱、高分辨率等优点,但有云遮挡干扰和朗伯特性差的问题。为克服这两大难关,首先改进传统地基观测产品的工作模式和测量原理,不再以四象限探测器监测最小辐射信号的方式跟踪太阳,摒弃小视场分别测量太阳和天空辐射信号的测量模式;创新地以平面匀化器加平面探测模块的结构保证探测器具有良好的朗伯特性,并采用阴影带旋转的方式交替地遮挡或暴露探测器入口处的匀化器,从而实现辐射计四位置三模式的测量方法,间接获取太阳和天空辐射信号。论文主要分为两个部分,一是旋转影带辐射计的研制;二是利用研制的辐射计进行太阳辐射信号的测量并反演获取长春地区AOD信息。旋转影带辐射计涵盖可见—近红外谱段,包括6个10nm带宽的窄探测通道和一个400~1000nm的宽谱段探测通道,其中6个窄带通道的中心波长分别为413nm、500nm、613nm、671nm、870nm、940nm,除940nm是水汽敏感谱段外,其他窄带通道主要用于监测大气气溶胶光学厚度,宽谱段通道则用于监测太阳辐射总量。论文前半部分详细论述了旋转影带辐射计的机械结构设计与分析,主要包括扫描机构、探测器、极轴支架以及控制箱等,并详细阐述了辐射计整机工作模式、测量原理和辐射定量计算,后半部分重点着手于高精度定标实验、外场观测实验、气溶胶反演机制的建立、资料处理分析及观测误差分析。辐射计研制完成后经过高精度的实验室和外场定标并利用合理准确的反演机制处理后可获得观测地区大气AOD信息,以此指导该地气候分析和农业生产。论文对旋转影带辐射计2018年3月至今在长春地区的观测数据进行统计分析,得到该地AOD在时间域内的变化趋势,并简要分析了导致这种变化趋势的可能因素。同时为验证旋转影带辐射计监测AOD的可靠性,将测量结果与标准观测平台的数据进行对比,最终确定本辐射计可以准确监测长春地区大气AOD,且整体观测误差不超过5.5%。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P412

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