太阳绝对辐射计主光阑面积测量

发布时间：2019-02-25 17:39

【摘要】：为了研究地球上能量循环与辐射收支对全球气候的变迁,天气与环境变化的影响,需要对太阳辐照度进行精确测量与长期监测。为此长春光机所于60年代开始研制平面型辐射计,到90年代研制出了腔型太阳辐照绝对辐射计(solar irradiance absolute radiometer,SIAR)。接着又开发出了由多台SIARs组成的太阳常数监测仪,在“神州三号”飞船轨道舱上测得了太阳辐照度数据。此外开发的“风云三号”气象卫星太阳辐照度监测仪也是由SIAR组成的,其成功搭载风云三号A、B、C星,实现了对地面和空间太阳总辐照度的测量,并且对太阳辐照度的变化进行长期监测。SIAR在其主腔开口前端,放置了一个精密加工且需要测准面积的主光阑。其大小限制了入射光的几何区域,决定了用于计算辐射照度时的入射面积以及辐射亮度立体角。主光阑面积测量不准确性带来的不确定度分量是太阳绝对辐射计测量辐照度不确定度的重要组成部分,因此高精度测量主光阑面积有着至关重要的意义。实验室之前采用万能工具显微镜测量主光阑面积,该仪器所定义主光阑面积的方法采用的是几何法(直径与圆的面积关系),且测量精度较低。有效面积法的提出,解决了使用光学方法测量主光阑面积的测量需求。该方法测量主光阑面积的测量过程与主光阑面积真实使用过程相一致(光阑面积大小对光束的限制效应),同时提高了主光阑面积测量精度,间接提高了太阳辐照绝对辐射计测量太阳辐照度的测量精度。首先,研究了有效面积法的测量原理,给出了具体测量思路。基于测量原理及理论公式,推导出有效面积法测量主光阑面积公式。从有效面积法的测量装置着手分析,对有效面积法的总体测量方案进行设计。给出了测量装置的几个重要部分,主要包括光源系统、测量系统、监视系统及控制系统。对光源系统中的测量高斯光束进行详细研究,主要包括高斯光束半径的选择及输出功率稳定性的研究;同时对测量系统中精密电控平移台的移动步距进行详细研究,主要包括步距的大小及偏差等问题;对测量系统及监视系统中的积分球探测器进行设计,主要包括积分球半径大小及其开口面积、积分球与探测器的安装位置关系等做了详细的设计。其次,通过总体测量方案设计,搭建有效面积法的测量装置,设计有效面积法的测量过程,并给出了太阳绝对辐射计主光阑面积测量结果及不确定度分析预算。具体的对测量装置中有关光源系统、测量系统及监视系统等各部分所用的实验仪器设备进行详细介绍,主要包括仪器的型号、仪器的特性等方面。同时给出了使用有效面积法测量装置测量两个不同主光阑面积的测量结果,测量结果平均值由测量重复性带来的不确定度分量达到5-107?,满足了太阳绝对辐射计主光阑面积测量精度要求。最后,基于对有效面积法测量装置中,被测主光阑背部充当部分积分球探测器内壁,对主光阑面积测量结果将产生影响的问题进行研究,主要包括修正模型的设计及修正方法的研究。具体的做法是通过在光学软件TracePro中建立测量系统结构模型,在测量系统结构模型的基础上设计修正模型,并给出了修正系数。使用修正系数对主光阑面积测量数据进行修正,最后给出了修正后的主光阑面积测量值。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：P412.27

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