JP2013108843A - 分光放射計の校正法 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の高い山でなくとも、安定的な気象条件であれば、地上付近を測定場所として実現可能な、太陽を光源とした分光放射計を校正する校正法を提供する。
【解決手段】校正対象とした直達分光放射計と比較基準とした直達日射計を用いて直達太陽光を同時測定し、同時に、サンフォトメーター、マイクロ放射計など測定装置を用いて、大気状態を測定する。そして、大気モデルを利用して、測定場所で実測した気象データを用いて、大気圏外から大気を通して測定場所に到達するまでの直達太陽スペクトルを精度よく計算する。また、そのスペクトルの積分値、つまり直達日射照度を求めて、直達日射計の測定値と比べて、精度のよいスペクトルを選ぶ。そのスペクトルを仲介として、分光放射計を校正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光放射計の校正法に関し、特に、太陽光分光放射照度絶対測定用分光放射計の校正法に関するものであり、太陽エネルギー、環境リモートセンシング、光生物、高分子やその他の材料で太陽光による劣化特性を必要とする技術分野で有用である。

太陽光分光放射照度（太陽スペクトル）の測定は様々な分野に必要とされている。太陽エネルギー分野においては、基準太陽電池の校正、各種太陽電池発電量の評価などには、太陽スペクトルの正確情報が必要である。近年、太陽光測定用分光放射計がイメージセンサー内蔵のミニマルチチャンネル分光器を利用している。従来のモノクロメーターと比べて、このタイプの装置は、小型化、実時間測定、よい再現性など特徴があり、益々広く応用されている。しかし、太陽スペクトル絶対測定するために、測定精度を満たす校正が課題として残っている。
分光放射計の校正とは、光源の分光放射照度Ｓ（λ）を既知とし、その光源を測定した分光放射計の出力をＥ（λ）とし、Ｄ（λ）＝Ｓ（λ）／Ｅ（λ）を求めることである。通常、Ｄ（λ）は波長λの関数で、校正値という。

分光放射計の校正には、標準電球を光源とした校正方法は広く使われている。この方法では、校正が屋内の安定的な測定状態で行うため、良い再現性が得られる（特許文献１参照）。しかし、標準電球が手作りのため、同じ規格でも放射照度のばらつきがあり、その値が該当ランプの不確かさを超えた場合がある。この原因で、実際校正するとき、数本標準電球を用いて、その平均値、あるいは平均値に近い標準電球の値を標準値として取り扱うことがよくある。このため、校正コストが高くなる。更に、日米それぞれ国の校正機関からトレサビリティされた標準電球を用いた校正結果は、校正値の差が無視できない。特に、短波長範囲に最大１０％の差がある。この故、どちらの方が正しいかを判断できない。
この他、分光器に迷光が存在している。広帯域分光放射計において、迷光の影響で、異なる形状のスペクトルを測定するとき、異なる誤差が生じる。３２００Ｋの放射温度を持つ標準電球と５７００Ｋの放射温度を持つ太陽のスペクトルが大きく違う。このため、それぞれの測定誤差が生じて、誤差の相殺ができない。特に、短波長範囲に、迷光による測定誤差が−３０％を超えた場合がある。その誤差を取り除くには、様々な工夫がされているが、分光器の構造も複雑になり、また、高価な測定設備と複雑なデータ処理手法が必要である。一方、イメージセンサーにおける非線形誤差も無視できない。非線形誤差は入射光強度に依存して、場合によって±５％程度に達する。上記の迷光の影響のように、異なるスペクトルの測定による非線形誤差の相殺ができない。その誤差を取り除くには、同様、高価な測定設備と面倒な補正処理が必要である。更に、迷光誤差や非線形誤差が分光器個体によって異なり、これらの誤差を一台ずつ対処する必要がある。このため、一般的な分光放射計メーカは対応しにくい。

一方、地球環境科学研究分野には、太陽を光源として分光放射計を校正する方法もある（非特許文献１参照）。この方法は、Ｂｅｅｒ−Ｂｏｕｇｕｅｒ−Ｌａｍｂｅｒ法則に基づいて行う。この法則によって、大気圏外から大気を通して測定場所に到達するまでの直達太陽放射照度は、次の関係がある。

ｌｎ［Ｉ（λ）］＝ｌｎ［Ｉ_０（λ）］＋ｍＴ（λ）

ここで、λは波長、Ｉ_０（λ）は大気圏外の太陽光分光放射照度、Ｉ（λ）は観測場所における太陽光分光放射照度、ｍはエアマス（大気の厚さを表し、地上から天頂まで鉛直の方向はｍが１であり、大気圏外はｍが０である）、Ｔ（λ）は大気の透過率である。
一旦、大気が安定している状態になると、各波長において、Ｔ（λ）は定数となり、ｌｎ［Ｉ（λ）］とｍは線形関係になる。この場合は、まず、実測値によって各波長における線形関数を求める。次に、これらの関数を利用してｍが０になる時のｌｎ［Ｉ（λ）］を求めて、つまり、大気圏外での装置の測定値を求める。求めた大気圏外測定値と大気圏外の太陽光分光放射照度と比べて、装置の校正ができる。この校正方法は、Ｌａｎｇｌｅｙ Ｍｅｔｈｏｄ（ラングレー法）と言う。通常、この方法を用いて、基準分光放射計を獲得し、それを基準にして、他の分光放射計を校正する。
しかし、ラングレー法を利用するには、安定的な大気状態が必要である。このため、通常、校正は標高が三千メートル以上の山で、かつ適切な季節（例えば、秋、冬）に行う。世界中、この条件を満たす測定場所は、アメリカ−ハワイのＭａｕｎａ Ｌｏａ、スイスのＪｕｎｇｆｒａｕｊｏｃｈなど数箇所しかない。このため、世界各地から測定場所まで装置を運んで、コストが掛かるだけではなく、被校正装置の台数や校正時期も限定されている。

そして、測定装置の使用されている場所でその装置を校正できるために改良したラングレー法も提案されている（非特許文献２参照）。この方法は、ラングレー法の利用する条件を満たさないので、直達太陽光と太陽周辺光を同時測定する。そして、大気散乱理論によって、各波長におけるｌｎ［Ｉ（λ）］とｍＴ（λ）の線形関係を求める。処理手法は複雑である一方、精度よく校正は実現しにくい。また、校正対象は太陽周辺光を測れるスカイラジオメーターしかできない。今までのところ、ラングレー法や改良ラングレー法を用いる校正対象は、ドブソンオゾン分光光度計やサンフォトメーターやスカイラジオメーターのような、水蒸気など大気成分吸収の影響の少ない数波長しか測定できない装置である。連続波長を測定する分光放射計をラングレー法で校正する場合は、大気中の水蒸気など吸収物質の影響を無視できない。このため、測定場所の上空における水蒸気の量が、少なくとも一時間半以上変わらない状態になる必要がある。しかし、現実には、その状態が少ない。故に、今までのところ、ラングレー法で分光放射計を校正する方法はまだ十分確立されていない。

特開２０１０−４８６４０号公報

宮川幸治、"ボールダーでのＷＭＯドブソンオゾン分光光度計の国際相互比較"、高層気象台彙報（気象庁高層気象台）、第６５号（２００５年）、第７７〜８６頁 新井康平など、"改良ラングレー法に基づく太陽直達光および周辺光計測器の校正精度の向上"、写真測量とリモートセンシング、VOL.４７,NO.４,２００８、第２１〜２８頁

本発明の目的は、上記で述べた問題を解決し、分光放射計を精度よく校正できる校正法を提供することにある。標準電球で校正する場合は、迷光による測定誤差及びイメージセンサーにおける非線形誤差をある程度低減することが可能であるが、しかし、異なる校正機関からトレサビリティされた標準電球の正確さを使用者にとって判断できない。従って、より信頼性の高い光源を求めようとするが、そのような標準電球は今までのところ存在しない。一方、ラングレー法で連続波長の持つ分光放射計を校正する場合は、安定的な気象状態を長時間で保つ条件をどう克服するか、校正の時期と場所が限定されたことをどう改善するかが課題となる。その他には、校正コストを低減することも課題となる。

上記課題を解決するために、本発明の分光放射計の校正法は、
人工衛星、宇宙ステーションなどの大気圏外で直接測定した太陽スペクトルを予め得るステップと、
快晴かつ安定的な気象条件の地上付近を測定場所として、校正対象とした被校正直達分光放射計と比較基準とした直達日射計を用いて直達太陽光を同時測定するとともに、同時に、サンフォトメーター、マイクロ放射計など測定装置を用いて、大気中のエアロゾルによる光学的厚さ、可降水蒸気量、前記測定場所の気温などの大気状態を測定し、さらに、測定日における大気状態の鉛直分布およびオゾン全量を測定するステップと、
前記大気圏外で直接測定した太陽スペクトルから、前記測定場所において測定した大気状態の実測値を用いて、大気圏外から大気を通して測定場所に到達するまでの直達太陽スペクトルを計算するステップと、
前記計算で得られた直達太陽スペクトルの全波長域の積分値を計算して、その結果を前記直達日射計の同時測定値、つまり、直達太陽スペクトルの全波長域積分値の測定値と比較し、両積分値の差が一定誤差範囲を満たしたスペクトルを前記計算で得られた直達太陽スペクトルの中から選んで仲介とするステップと、
前記仲介とするスペクトルと、被校正直達分光放射計で測定した直達太陽スペクトルを比較することにより被校正直達分光放射計を校正するステップからなることを特徴とする。

本発明の校正法によれば、標準電球で校正するときの問題点を解決し、また、ラングレー法で実現しにくい問題を解決することができ、その結果、校正精度が向上した。また、校正するための気象条件がラングレー法より緩い、地上付近でもこの校正に適する気象条件もあり、校正の利便性がある。ハワイのＭａｕｎａ Ｌｏａ、やスイスのＪｕｎｇｆｒａｕｊｏｃｈなどでなくとも、装置を設置している場所で校正が可能であり、気象観測サイト付近で校正をすれば、気象データの有効利用もできる。従って、校正コストが大幅に削減できる。
その他、本発明の校正法を用いて、分光放射計における分光放射照度絶対値の校正だけではなく、波長の精密校正も可能である。また、迷光誤差や非線形誤差、全天測定用分光放射計の入射角特性など分光放射計の性能を評価するには、この方法も期待されている。

本発明の太陽光を光源として直達分光放射計を校正する校正法を説明するための概略図。 本発明による直達分光放射計校正のフローチャート。 ２０１０年１２月１０日における計算した直達太陽スペクトルの積分値対直達日射計の測定値の比 図３に示した比を一つ選んで、計算した直達太陽スペクトルと測定した直達太陽スペクトルの比較 図４に示した直達太陽スペクトルの計算値対測定値の比

全天測定用分光放射計を直達分光放射計に改造して、太陽を光源として直達分光放射計を校正する。これによって全天測定用分光放射計の校正を実現することができる。
このような校正法が実現できる理由は、まず、太陽の分光放射照度は標準電球より大変安定していること。
次に、近年、人工衛星及び宇宙ステーションで大気圏外の太陽スペクトルを直接測定することができ、精度のよい太陽スペクトルを得られること。
更に、分光放射計の校正用光源と測定対象が同じく（太陽）、分光器の迷光による測定誤差及びイメージセンサーにおける非線形誤差が相殺でき、誤差が大幅に低減できること、が挙げられる。
上記の手段で、標準電球校正法による問題の解決が可能であるが、条件としては大気中の各成分の変動による測定誤差を低減する必要がある。この問題を解決するには、ラングレー法の利用が可能であるが、この方法は測定場所と測定時期に限定されて、かつ、長時間で大気の安定状態が必要である。これらの使用条件を緩和するために、ラングレー法の変わりに、新しい方法を導入する。
具体的には、高い山の変わりに地上付近を測定場所とし、校正対象とした直達分光放射計と比較基準とした直達日射計を用いて直達太陽光を同時測定する。同時に、サンフォトメーター、マイクロ放射計など測定装置を用いて、大気状態を測定する。そして、大気モデルを利用して、測定場所で実測した気象データを用いて、大気圏外から大気を通して測定場所に到達するまでの直達太陽スペクトルを精度よく計算する。また、そのスペクトルの積分値、つまり直達日射照度を求めて、直達日射計の測定値と比べて、精度のよいスペクトルを選ぶ。そのスペクトルを仲介（中間標準）として、分光放射計を校正する。
この方法は、標準電球校正法とラングレー法における問題点を解決でき、結果として、連続波長の測定する分光放射計の校正精度は、ラングレー法で校正したサンフォトメーターと同程度の校正精度になった。更に、測定場所を気象観測サイトに近づけ、既存気象観測サイトの測定値を利用でき、その有効利用によって、測定の信頼性が高くなり、校正コストを大幅に削減できる。

発明者等は、出願人である独立行政法人産業技術総合研究所の太陽光発電工学研究センター、評価標準チームにおいて、集光型太陽電池の日米共同研究プロジェクトに使用されている分光放射計の校正を本発明の校正法により行った。
まず、既存の全天分光放射計を直達分光放射計に改造し、これによって、装置入射口の全角視野が１８０°から５°までに絞った。その後、２０１０年１２月から２０１１年２月にかけて、校正対象とした直達分光放射計を太陽追尾装置に乗せて太陽スペクトルを測定した。観測実験は独立行政法人産業技術総合研究所の構内で行った。同時に、隣接した気象庁気象研究所の構内で大気状態の測定を行った。そして、大気状態の実測値に基づいて、測定場所における直達太陽スペクトルを計算した。その積分値は同時に測定した直達日射計の実測値と比べて、その基準とした実測値により誤差が約±１％以内に収まった。この±１％誤差は直達日射計の測定誤差範囲でもある。例をとして、図３は、２０１０年１２月１０日における計算した直達太陽スペクトルの積分値対直達日射計の測定値の比を示している。この図から、大気状態の変動にも関わらず、長い時間に亘って計算値対測定値の比が±１％の中に保つことが分かった。また、図４は図３に示した比を一つ選んで、その比を計算する元となった直達太陽スペクトルと被校正対象である直達分光放射計の測定値の比較を示している。この図から、標準電球で校正された直達分光放射計の測定値は計算値より低いことが分かった。更に、図５は、図４に示した直達太陽スペクトルの計算値対直達分光放射計の測定値の比を示している。この図には、計算値対測定値の比が波長に依存する。短波長範囲にその比が１.２を超えた。長波長範囲にその比が約１.１であった。そして、この計算値によって分光放射計を校正した。検証実験は良い結果が得られた。

上記した本発明の校正法は、分光放射計を製造する企業でも応用でき、また、太陽光発電に関する一般研究機関及び大学などでも応用することができる。

Claims (1)

1. 人工衛星、宇宙ステーションなどの大気圏外で直接測定した太陽スペクトルを予め得るステップと、
   快晴かつ安定的な気象条件の地上付近を測定場所として、校正対象とした被校正直達分光放射計と比較基準とした直達日射計を用いて直達太陽光を同時測定するとともに、同時に、サンフォトメーター、マイクロ放射計など測定装置を用いて、大気中のエアロゾルによる光学的厚さ、可降水蒸気量、前記測定場所の気温などの大気状態を測定し、さらに、測定日における大気状態の鉛直分布およびオゾン全量を測定するステップと、
   前記大気圏外で直接測定した太陽スペクトルから、前記測定場所において測定した大気状態の実測値を用いて、大気圏外から大気を通して測定場所に到達するまでの直達太陽スペクトルを計算するステップと、
   前記計算で得られた直達太陽スペクトルの全波長域の積分値を計算して、その結果を前記直達日射計の同時測定値、つまり、直達太陽スペクトルの全波長域積分値の測定値と比較し、両積分値の差が一定誤差範囲を満たしたスペクトルを前記計算で得られた直達太陽スペクトルの中から選んで仲介とするステップと、
   前記仲介とするスペクトルと、被校正直達分光放射計で測定した直達太陽スペクトルを比較することにより被校正直達分光放射計を校正するステップ、
   からなる分光放射計の校正法。

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