CN112985599B - 实现太阳和天空辐射一体观测的系统及自标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大气光学技术领域，尤其涉及一种实现太阳和天空辐射一体观测的系统及自标定方法。其中系统包括支撑架，所述支撑架上设置有入瞳光阑，所述入瞳光阑上设置有第一窗口镜片，所述第一窗口镜片靠探测器的侧面的中心位置固定有衰减片，所述衰减片与第一窗口镜片形成环形入瞳。与传统上两套接收光学系统/两台测量设备完成观测太阳测量大气透过率、水汽柱含量和天空背景辐射亮度相比，本申请通过采用环型入瞳利用空间分光方法实现两种不同强度信号的探测，这样就不需要依赖旋转滤轮，使得整个系统结构更加简单，并且能够实现实时标定天空背景亮度的测量，本发明减小了系统的体积和重量，能够显著提高设备的易操作性。

Description

实现太阳和天空辐射一体观测的系统及自标定方法
技术领域
本发明涉及大气光学技术领域，尤其涉及一种实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法。
背景技术
目前观测太阳或者天空背景时均采用的是圆形入瞳，在一个接收光学系统中完成太阳直射光或者天空辐射光的直接测量。完成太阳直射光测量的设备一般称太阳光度计、完成天空背景测量的设备一般称天空亮度仪，也有太阳光度计兼顾测量天空背景辐射功能的报道。太阳光度计观测太阳强度测量整层大气透过率、水汽柱含量，天空亮度仪观测天空背景的辐射强度，两设备在气象、天文等领域均有较广泛的应用。
在国际上太阳光度计常用的商品为日本产的POM2和法国产的CE318，两设备在二维转台上安装接收光学系统实现太阳或天空背景辐射强度的测量；接收光学系统视场角1度，配备旋转滤轮，滤轮上安装滤光片实现分光谱测量功能。POM2太阳光度计配备的旋转滤轮安装有11个滤光片实现11个波长的太阳辐射强度测量，设备通过Langley法自标定后得到整层大气透过率、水汽柱含量。CE318太阳光度计配备的旋转滤轮安装有9个滤光片实现9个波长的太阳辐射强度测量，设备也可以通过Langley法自标定。与POM2主要不同之处在于CE318增加了一套接收光学系统用来测量天空背景亮度，新增接收光学系统配备的旋转滤轮安装有6片滤光片实现6个波长的天空背景辐射强度测量。但是测量天空背景辐射强度的接收光学系统不能够自标定，其标定过程需要其他设备(如标准光源、标准黑体等)的配合。
国内有太阳光度计研制的报道，太阳光度计采用圆形入瞳通过旋转滤轮实现多波长太阳辐射强度的测量，或者采用一个测量波长设计一个接收光学系统方式实现多波长太阳直射光的测量，设备能够通过Langley法自标定。国内报道的天空亮度仪采用单接收系统利用硅探测器测量可见到近红外波段天空背景辐射总亮度，或者采用单接收系统通过在滤轮上安装多个滤光片方式实现多波长天空背景辐射测量，或者采用单接收系统利用线阵CCD结合光栅(类似光谱仪)测量背景光谱分布、利用CCD测量总功率的方式实现天空背景辐射强度的分光谱测量。与国外报道的设备相同，国内报道的天空亮度仪标定也需要用独立的标准光源(黑体或者其他标准光源)。
国内也有太阳光度计分光谱测量天空背景辐射的报道，采用一个波长设计一个接收系统实现多波长测量；仪器采用在平行排布的接收光学系统后增加旋转滤轮、旋转滤轮上安装小孔衰减太阳辐射的方式解决太阳和天空背景亮度差别过大(超过5个数量级)的问题，以保证两参数的测量量程。
综上所述，目前尚未见不依赖于旋转滤轮仅用一个接收光学系统实现分光谱观测太阳直射/天空背景辐射光的报道。无论国外还是国内设备，目前标定测量天空背景功能还需要额外的标准光源等辅助设备。
发明内容
为了提高简化设备，减小了系统的体积和重量，为此，本发明提供实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
实现太阳和天空辐射一体观测的系统，包括支撑架，所述支撑架上设置有入瞳光阑，所述入瞳光阑上设置有第一窗口镜片，所述第一窗口镜片靠探测器的侧面的中心位置固定有衰减片，所述衰减片与第一窗口镜片形成环形入瞳。
进一步地，还包括依次设置在入瞳光阑后方的视场光阑、接收光纤和探测器，所述接收光纤的光纤端面通过支撑子部件固定，所述接收光纤的光纤端面与光轴重合。
进一步地，所述支撑子部件靠近第一窗口镜片端部还固定有第二窗口镜片。
进一步地，所述衰减片可替换,且与第一窗口镜片的尺寸比例可调节。
进一步地，还包括二维转台，所述二维转台为地平式结构，所述支撑架设置在二维转台上。
进一步地，所述第一窗口镜片双面镀有增透膜。
进一步地，当观测太阳时，直射太阳光照射到第一窗口镜片，在太阳照射下，所述衰减片的影子中心与光轴重合，视场光阑遮挡经过环形光瞳其他区域的太阳直射光；
观测天空背景辐射时，背景光以漫入射方式照射到环形入瞳上，所述视场光阑用于限制视场，背景光照射到光纤端面上。
进一步地，还包括计算机，所述计算机与探测器连接。
进一步地，所述计算机上安装有TracePro软件仿真软件。
使用上述的实现太阳和天空辐射一体观测的系统的自标定方法，包括用于测量天空背景时系统的自标定方法如下：
S1、利用系统具备的太阳光度计功能获取整层大气气溶胶透过率和水汽柱含量，根据两参数结合气溶胶光学厚度波长依赖关系和安装在计算机内的Modtran5软件计算整层大气的连续光谱透过率；
S2、根据太阳常数和黑体辐射计算大气层外太阳辐射光谱分布和强度，并校正日地距离变化对辐射强度的影响；或者利用Modtran5软件计算大气层外太阳辐射强度的光谱分布及大小；然后根据整层大气的连续光谱透过率得到到达地面的太阳辐射的连续光谱强度；
S3、根据太阳到达地面的太阳辐射的连续光谱强度建立探测面积、系统光学透过率、曝光时间和探测器输出信号ADuSun(λ)之间的关系，得到输入光信号强度与光谱仪输出信号之间的定量关系；
S4、根据上述关系、观测天空背景时的观测条件和探测器输出信号反推天空背景辐射强度，所述观测条件包括曝光时间、探测面积、接收立体角；至此完成观测天空背景时设备的自标定，得到天空背景的分光谱辐射强度；将辐射强度进行光谱积分即得到可见到近红外波段天空背景的辐射总量。
本发明的优点在于：
(1)与传统上两套接收光学系统/两台测量设备完成观测太阳测量大气透过率、水汽柱含量和天空背景辐射亮度相比，本申请通过将圆形入瞳改进成环形入瞳，采用环型入瞳利用空间分光方法实现两种不同强度信号的探测，这样就不需要依赖旋转滤轮，使得整个系统结构更加简单，也减小了系统的体积和重量，能够显著提高设备的易操作性。
(2)所述视场光阑安装在衰减片后面，在测量太阳时起到阻挡太阳直射光消除杂散光的作用、在测量天空背景时起到限制测量视场的作用。所述接收光纤安装在光轴上用来接收经过环形光阑的光，光经过光纤传播到探测器；所述探测器为光纤光谱仪，实现对光信号的分光谱探测。
(3)第二个窗体片用于防止灰尘污染光纤端面、影响测量，由于光纤端面有效探测直径一般在几十微米，如果光纤端面污染会影响测量结果。
(4)所述环形入瞳通过调节衰减片的衰减率、衰减片和窗口片尺寸的比例以保证系统观测太阳/天空背景辐射时系统的量程，所述接收光学系统采用环形入瞳结构后能够实现太阳直射光和天空背景辐射光的保量程测量。
(5)二维转台控制支撑架中的入瞳光阑稳定的指向太阳，为系统随时观测提供支撑。
(6)第一窗口镜片双面镀增透膜起到密封、保护作用。
(7)所述系统中第一窗口镜片、衰减片、视场光阑、接收光纤的光纤端面之间的距离和位置关系需要满足观测太阳和观测天空背景辐射的要求。
(8)本发明通过TracePro软件仿真分析了环形光阑与接收光纤的距离对天空背景辐射空间分布的影响，最终确定了环形光阑与光纤的距离，避免了入瞳的环型结构引起背景光空间分布不均匀对测量准确性的影响。
(9)基于该环形入瞳的系统能够以太阳为标准光源完成自标定。观测太阳时，环形入瞳和光纤配合实现了对太阳光的衰减，完成了传统太阳光度计观测太阳的功能。观测天空背景辐射时，环形入瞳通过对第一窗口镜片镀增透膜、入瞳中心安装衰减片的方式解决了太阳光和背景光辐射强度差别过大的问题
(10)本申请以一套接收光学系统完成传统两套接收光学系统/设备的功能，可以实现以太阳为标准光源完成天空背景辐射的标定、真正做到了天空背景测量功能的自标定。该功能的实现使天空背景测量设备的标定摆脱其他标准光源的限制，设备在野外长时间观测时如观测数据异常可通过设备自标定快速排查设备故障原因，提高了设备的可维护性。
附图说明
图1为本发明设计接收光学系统光路示意图。
图2为本发明测量太阳直射光时的光路示意图。
图3为本发明测量天空背景辐射信号时的光路示意图。
图4(a)-图4(f)为环状入瞳后不同距离处背景光辐照强度分布。
图5为测量的天空背景测量时的大气气溶胶透过率和水汽柱含量。
图6为观测波段平均透过率及光学厚度波长关系图。
图7为标定时刻太阳辐射强度图。
图8为衰减片光学透过率图。
图9为标定时刻天空背景分光谱辐射强度图。
图中标注符号的含义如下：
1-第一窗口镜片 2-入瞳光阑 3-衰减片 4-光轴
5-第一视场光阑 6-第二视场光阑
7-第二窗口镜片 8-支撑架 81-支撑子部件
9-光纤 91-光纤端面 10-探测器
具体实施方式
实施例1
如图1所示，实现太阳和天空辐射一体观测的系统，包括支撑架8、计算机、二维转台，所述计算机与探测器10连接，所述支撑架8设置在二维转台上。在该实施例中，所述二维转台为地平式结构。
所述支撑架8上依次设置有入瞳光阑2、视场光阑、接收光纤9和探测器10，所述入瞳光阑2上设置有第一窗口镜片1，所述第一窗口镜片1靠探测器10的侧面的中心位置固定有衰减片3，所述衰减片3与第一窗口镜片1形成环形入瞳。所述接收光纤9的光纤端面91通过支撑子部件81固定，所述接收光纤9的光纤端面91与光轴4重合。
在该实施例中，所述支撑子部件81靠近第一窗口镜片1端部还固定有第二窗口镜片7，所述第一窗口镜片1和第二窗口镜片7平行设置，且中轴线重合。视场光阑包括沿着光路依次设置在支撑架8内的的第一视场光阑5和第二视场光阑6。第二视场光阑6在测量天空背景时用于生成指定大小的观测视场。
所述衰减片3可替换,这样可以调节衰减片3的衰减率。衰减片3与第一窗口镜片1的尺寸比例可调节，从而保证系统观测太阳/天空背景辐射时系统的量程。所述第一窗口镜片1、第二窗口镜片7双面均镀有增透膜，从而起到密封、保护支撑架8内部的作用，单面透过率大于98％，以保证天空背景测量精度。
当观测太阳时：
如图2所示，二维转台控制接收光学系统稳定的指向太阳，二维转台跟踪太阳/恒星等信标技术成熟，在本专利中不再讲述。直射太阳光垂直入射到第一窗口镜片1上，太阳光经过第一窗口镜片1后照射到衰减片3上。太阳光被衰减片3衰减后依次经过第一视场光阑5、第二视场光阑6、第二窗口镜片7照射到光纤9的光纤端面91上，光纤9将太阳光信号传送到探测器10，探测器10为光纤光谱仪，探测器10输出太阳光经过系统衰减后不同波长的相对信号强度，经过系统衰减后不同波长的相对信号强度最终输出至计算机内进行处理，通过标定得到整层大气透过率、水汽柱含量数据，实现传统的太阳光度计功能。其中衰减片3的影子中心与光轴4重合，第一视场光阑5和第二视场光阑6遮挡经过环形光瞳其他区域的太阳直射光。
经过第一窗口镜片1但未经过衰减片3的直射太阳光被第一视场光阑5、第二视场光阑6阻挡，不能到达第二窗口镜片7；由于光纤9直径在不超过1毫米，衰减片3直径超过5毫米，即使没有第一视场光阑5、第二视场光阑6，光纤端面91也仅能探测太阳经过衰减片3的光。综上可知，观测太阳时，系统的透过率取决于衰减片3的透过率。
观测天空背景辐射时：
如图3所示，二维转台控制支撑架8指向所需要观测的方向，探测方向的天空背景光以漫入射的形式经过第一窗口镜片1、衰减片3后，被入瞳光阑2、第一视场光阑5、第二视场光阑6限制按照三组光阑限制的视场通过第二窗口镜片7照射到光纤端面91上。光纤9将接收到的天空背景光传送到探测器10，探测器10输出天空背景亮度光谱分布相对强度数据，该数据通过标定后得到观测方向的天空背景亮度。
系统的接收立体角由入瞳光阑2、衰减片3组成环装入瞳的面积和衰减片3与光纤9的距离计算，计算过程中考虑衰减片3和其面积对环形入瞳的有效面积进行修正。
为了计算光纤端面91与衰减片3的距离，所述计算机上安装有TracePro软件仿真软件。
以入瞳光阑2内直径16毫米、衰减片3外直径6毫米为例，通过Tracepro软件仿真不同距离处光轴4横截面上的天空背景光辐照光强分布。在仿真过程中取衰减片3的OD为5(透过率为10-5)，取观测位置与衰减片3的距离为1mm、5mm、50mm、100mm、150mm、200mm，仿真结果见图4(a)-图4(f)所示。从附图看出，在距离衰减片3距离为1mm、5mm时天空背景光辐射保持了圆环形状光轴4处辐射是暗的，但在5mm时圆环开始弥散；随着距离的增加在50mm处背景光辐照呈现了中间亮边缘暗的现象，光轴4处已经明亮。随着距离的进一步增加在距离为100mm、150mm和200mm时背景辐照光均保持了均匀分布的状态，辐照光强呈现平顶分布。对于该实例，设计光纤端面91与衰减片3的间距在150mm以上，天空背景光的辐照强度在探测面是均匀分布的。即使光纤端面91的有效尺寸在亚毫米量级，其所接收的天空背景辐照不受第一窗口镜片1、衰减片3组成的环状结构影响。
本申请利用测量对象的属性不同(太阳光是直射光，方向性强；天空背景光是漫散射光，没有方向性)，通过本申请光路的设计，解决亮度差异超过10000倍的信号的保精度探测。
使用上述实现太阳和天空辐射一体观测的系统的自标定方法，包括用于测量天空背景时系统的自标定方法如下：
S1、利用系统具备的太阳光度计功能获取整层大气气溶胶透过率和水汽柱含量，即系统采用Langley法标定获得整层大气气溶胶透过率和水汽柱含量。根据两参数结合气溶胶光学厚度波长依赖关系和安装在计算机内的Modtran5软件计算整层大气的连续光谱透过率。
具体步骤如下：
在可见到近红外范围内整层大气透过率受气溶胶和分子吸收共同影响，由于水汽含量季节变化大、气溶胶含量日变化大，可见到近红外范围的整层大气透过率日变化大。为此，标定观测天空背景辐射系统需要知道标定时刻的整层大气透过率TA，由大气气溶胶和大气分子共同影响：
TA＝TA,α×TA,m (1)
其中TA,α为气溶胶引起的大气透过率主要是气溶胶散射引起的；TA,m为大气分子引起的透过率，主要是分子线吸收引起的。可见到近红外波段上述两参数实时获取的方法为：
对于可见到近红外波段气溶胶透过率TA,α，通过观测太阳测量分立谱段的气溶胶透过率然后外推其他波段的方法实现。Langley法标定系统后观测太阳得到分立波段的整层大气气溶胶透过率TA,α(λn)，根据整层大气透过率TA,α与光学厚度τA,α关系
τA,α(λn)＝-ln(TA,α(λn)),λn＝400,500,676,880,1020nm (2)
得到气溶胶波段对应波长的整层大气光学厚度τA,α(λn)。其中λn为直接测量波段在本实例中设计为400、500、676、880、1020nm，在具体实施时系统采用了光谱仪测量波段不限于5个。根据分立波长λn的气溶胶光学厚度采用如下关系拟合，建立可见到近红外气溶胶光学厚度的数学描述：
Figure GDA0003709242770000081
系数α、β根据400、500、676、880、1020nm的气溶胶光学厚度拟合得到。
按照此关系式计算其他波长的光学厚度τA,α(λ)，进一步得到可见到近红外的气溶胶大气透过率TA,α(λ)。
对于分子吸收透过率，将观测太阳得到的整层水汽柱含量输入到Mondtran5软件，利用软件中的大气模式计算其他分子透过率，两者综合分子透过率和气溶胶透过率相乘得到可见到近红外范围的分子透过率TA,m(λ)。
通过上述方法完成了可见到近红外波段整层大气透过率的实时测量。
S2、根据太阳常数和黑体辐射计算大气层外太阳辐射光谱分布和强度，并校正日地距离变化对辐射强度的影响；或者利用Modtran5软件计算大气层外太阳辐射强度的光谱分布及大小；然后根据整层大气的连续光谱透过率得到到达地面的太阳辐射的连续光谱强度；
具体步骤如下：
根据太阳常数计算太阳照射到大气层外的总辐射强度，根据黑体辐射或Modtran5软件计算太阳辐射的光谱分布。太阳常数的物理含义为在日地平均距离时地球外大气表面每平方米接收到的太阳辐射强度，该参数表示了太阳照射到大气层外单位面积内的总能量。由于地球轨道是椭圆形的，利用太阳常数计算总辐射量需要考虑地球太阳距离变化的影响；日地距离的变化按照如下关系式修正：
Figure GDA0003709242770000091
其中Gsc是日地平均距离时的太阳照射到地球上的辐照强度、Gon是测量时刻太阳照射到地球上的辐照强度、n是观测时刻在一年中的天数。根据该关系式能够校正日地距离变化的影响。
知道太阳照射到大气层外的总能量后，也可按照黑体公式计算太阳在大气层外辐射的光谱分布。太阳色温在5800K左右，据此可计算不同波长的太阳辐射强度，利用黑体辐射计算的太阳光谱分布与观测值吻合的比较好。
得到大气层外太阳辐射强度、整层大气透过率后，两者相乘得到到达探测面的太阳辐射强度。
S3、根据太阳到达地面的太阳辐射的连续光谱强度建立探测面积、系统光学透过率、曝光时间和探测器10输出信号ADuSun(λ)之间的关系，得到输入光信号强度与光谱仪输出信号之间的定量关系；
S4、根据上述关系、观测天空背景时的观测条件和探测器10输出信号反推天空背景辐射强度，所述观测条件包括曝光时间、探测面积、接收立体角；至此完成观测天空背景时设备的自标定，得到天空背景的分光谱辐射强度；将辐射强度进行光谱积分即得到可见到近红外波段天空背景的辐射总量。
根据太阳辐射强度标定设备的过程如下：
观测太阳时，探测器10输出的信号强度与输入条件、系统参数和大气条件之间的关系为：
ADUSun(λ)＝I(λ)×TA(λ)×TS,Sun(λ)×A×QE(λ)×tSun (5)
其中I(λ)为标定时刻太阳在大气层外的辐射强度，TA(λ)为整层大气透过率，TSun(λ)为观测太阳时系统的光学透过率，A为系统的有效接收面积与光纤9纤芯面积相仿，QE(λ)为探测器10的量子效率，tSun为观测太阳时的曝光时间。
在观测天空背景时，探测器10输出的信号强度与天空背景亮度、系统参数之间的关系为：
ADUB(λ)＝B(λ)×TS,B(λ)×A×angle×QE(λ)×tB (6)
其中，B(λ)为天空背景亮度、TS,B(λ)为观测天空背景时系统的光学透过率、A为系统的有效接收面积、angle为系统的有效立体角、QE(λ)为探测器10的量子效率、tB为观测太阳时的曝光时间。
两关系式相比，约去相同量：
Figure GDA0003709242770000101
即：
Figure GDA0003709242770000102
从上述关系式看出，利用同一套系统观测太阳、观测天空背景时能够便捷的将太阳作为标准光源完成测量天空背景辐射系统的标定，标定过程不需要额外的硬件支持(如标准光源)、标定过程简单便捷，只要是晴朗天气即可完成系统的标定。
下面以本设计系统为例给出的观测太阳数据和天空背景辐射数据。
采用Langley法标定后，首先观测太阳获取不同波段的整层大气气溶胶波段透过率和水汽柱含量，观测数据见图5，然后计算斜程平均大气透过率后按照外推关系式(3)得到光学厚度的波长依赖关系见图6，用于拟合α、β。得到上述数据后采用Modtran5软件计算了标定时刻大气层外的太阳辐射强度、分子消光透过率，然后利用关系式(1)得到到达地面的太阳辐射强度见图7。根据衰减片3的透过率数据见图8按照关系式(8)参考标定时刻系统参数和光谱仪输出数据得到天空背景亮度的分光谱分布见图9；将天空背景的分光谱数据进行光谱积分得到了可见到中红外波段的天空背景亮度数据。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，该方法使用的系统包括支撑架(8)，所述支撑架(8)上设置有入瞳光阑(2)，所述入瞳光阑(2)上设置有第一窗口镜片(1)，所述第一窗口镜片(1)靠探测器(10)的侧面的中心位置固定有衰减片(3)，所述衰减片(3)与第一窗口镜片(1)形成环形入瞳；
基于上述系统的自标定方法步骤如下：
S1、利用系统具备的太阳光度计功能获取整层大气气溶胶透过率和水汽柱含量，根据两参数结合气溶胶光学厚度波长依赖关系和安装在计算机内的Modtran5软件计算整层大气的连续光谱透过率；
S2、根据太阳常数和黑体辐射计算大气层外太阳辐射光谱分布和强度，并校正日地距离变化对辐射强度的影响；或者利用Modtran5软件计算大气层外太阳辐射强度的光谱分布及大小；然后根据整层大气的连续光谱透过率得到到达地面的太阳辐射的连续光谱强度；
S3、根据太阳到达地面的太阳辐射的连续光谱强度建立探测面积、系统光学透过率、曝光时间和探测器(10)输出信号AD之间的关系，得到输入光信号强度与光谱仪输出信号之间的定量关系；
S4、根据上述关系、观测天空背景时的观测条件和探测器(10)输出信号反推天空背景辐射强度，所述观测条件包括曝光时间、探测面积、接收立体角；至此完成观测天空背景时设备的自标定，得到天空背景的分光谱辐射强度；将辐射强度进行光谱积分即得到可见到近红外波段天空背景的辐射总量。
2.根据权利要求1所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，还包括依次设置在入瞳光阑(2)后方的视场光阑、接收光纤(9)和探测器(10)，所述接收光纤(9)的光纤端面(91)通过支撑子部件(81)固定，所述接收光纤(9)的光纤端面(91)与光轴(4)重合。
3.根据权利要求2所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，所述支撑子部件(81)靠近第一窗口镜片(1)端部还固定有第二窗口镜片(7)。
4.根据权利要求1所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，所述衰减片(3)可替换,且与第一窗口镜片(1)的尺寸比例可调节。
5.根据权利要求4所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，还包括二维转台，所述二维转台为地平式结构，所述支撑架(8)设置在二维转台上。
6.根据权利要求4所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，所述第一窗口镜片(1)双面镀有增透膜。
7.根据权利要求6所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，当观测太阳时，直射太阳光照射到第一窗口镜片(1)，所述衰减片(3)的影子中心与光轴(4)重合，视场光阑遮挡经过环形光瞳其他区域的太阳直射光；
观测天空背景辐射时，背景光以漫入射方式照射到环形入瞳上，背景光照射到光纤端面(91)上。
8.根据权利要求2所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，还包括计算机，所述计算机与探测器(10)连接。
9.根据权利要求8所述的实现太阳和天空辐射一体观测的自标定方法，其特征在于，所述计算机上安装有TracePro软件仿真软件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113720805A (zh) * 2021-08-13 2021-11-30 中国科学院上海技术物理研究所 一种外场光电探测系统镜头灰尘污渍辐射透过率检测方法
CN113532639B (zh) * 2021-08-26 2023-09-22 北京环境特性研究所 太阳辐射能量测量设备及测量方法
CN113865706A (zh) * 2021-09-10 2021-12-31 中国科学院合肥物质科学研究院 基于Linux系统的集成式太阳-天光背景光谱辐射计
CN113588086B (zh) * 2021-09-30 2022-01-18 中国海洋大学 一种海洋大气一体化高光谱辐射测量系统及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104634765A (zh) * 2015-03-05 2015-05-20 姜志富 基于光学辐射测量仪测量大气透过率的装置和方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3979596A (en) * 1975-10-24 1976-09-07 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The Environmental Protection Agency Coronametric instrument for aerosol measurements
US6433330B1 (en) * 2000-05-29 2002-08-13 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Sun optical limitation illumination detector (SOLID)
CN106370297B (zh) * 2016-10-10 2020-11-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种高精度自动化太阳光度计
CN207600598U (zh) * 2017-09-21 2018-07-10 中国科学院云南天文台 多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置
CN110470385A (zh) * 2018-05-09 2019-11-19 北京振兴计量测试研究所 光阑式真空紫外辐射亮度计
CN211602162U (zh) * 2019-12-27 2020-09-29 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种太阳总辐照度及天空散射辐照度测量装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104634765A (zh) * 2015-03-05 2015-05-20 姜志富 基于光学辐射测量仪测量大气透过率的装置和方法

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