全自動太陽光度計溫控系統設計及測試

黃冬 , 李新 , 張艷娜 , 張允祥

( 1 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所, 中國科學院通用光學定標與表征重點實驗室,安徽 合肥 230031;2 中國科學技術大學, 安徽 合肥 230031 )

0 引 言

大氣氣溶膠是地球-大氣系統的重要組成部分, 在地球能量平衡、全球氣候變化乃至水量循環中都起著重要作用[1,2]。此外, 大氣氣溶膠也是影響光學衛星傳感器定標和遙感數據大氣校正精度的重要大氣參數,它對輻射的吸收和散射作用主要取決于自身的性質, 因此需要進一步了解大氣氣溶膠的物理和光學特性,如氣溶膠光學厚度、散射相函數、單次散射反照率、復折射率、不對稱因子、粒子譜等參數[3,4]。

太陽光度計是最簡單、最直接的大氣氣溶膠被動遙感觀測儀器之一, 在對大氣氣溶膠遙感監測手段中,地基太陽光度計具有較高的觀測精度, 它通過測量太陽直射信號和天空散射信號, 不僅可以獲取區域氣溶膠特性, 還可以用于衛星產品精度驗證[5,6]。國內外已經開展了太陽光度計的研制和相關反演算法研究, 如法國CIMEL公司生產的CE318是目前應用較為廣泛的商業儀器, 該儀器設置有9個通道, 可以測量太陽和天空在可見光和近紅外的不同波段、不同方向、不同時間的輻射信號。美國Solar Light公司生產的MICROTOPS系列便攜式太陽光度計被應用于海洋大氣氣溶膠觀測, 具備較好的操作性和便攜性。日本PREDE公司生產的POM系列太陽光度計也被廣泛應用于地基觀測網進行大氣觀測, 其結構與CE318相似并對軟件進行了優化。此外, 美國NASA利用CE318在全球布設了AERONET氣溶膠觀測網系統, 觀測全球主要區域的氣溶膠光學特性; 國內也建立了CARSNET、SONET等區域性氣溶膠觀測網絡[7]。但現有的產品設計仍存在不足之處, 例如野外溫度的環境變化對探測器的響應具有較大影響。研究表明, CE318 1020 nm 通道隨溫度有明顯變化, 需要利用算法進行溫度校正處理, 極端低溫下進行Langley 定標, 如果不進行溫度校正, Langley 定標系數的誤差可達2%[8]。同時, 該波段是AERONET氣溶膠物理和光學特性反演算法中的推薦波段之一, 溫度效應會對反演結果產生較大偏差[9]。太陽光度計的溫度敏感性并不相同, 每個光度計都需要通過實驗室控制溫度系統來計算溫度校正系數 , 對于沒有溫度控制系統的用戶較為不方便[8-10]。

為了解決太陽光度計在偏遠地區使用時面臨的環境溫度變化大、工作條件惡劣等問題, 本課題組研制出了一款具有溫控功能的全自動太陽光度計。本文介紹了儀器的整體設計和溫控模塊系統的設計, 并進行了儀器測試, 驗證分析了儀器設計的可靠性。

1 整體設計

全自動太陽光度計是一種能夠自動完成數據測量、數據傳輸和數據處理的一體化自動觀測設備, 在地面可以測量太陽直射光和多角度天空光通量, 從而實現大氣溶膠光學厚度、大氣柱水汽含量、臭氧、單次散射消光比以及粒子譜分布的連續獲取。如圖1所示, 太陽光度計基本構成包括光學頭部、二維跟蹤及控制模塊、軟件模塊等部分。光學頭部由光機部件、濾光片、光電探測器、前置電路、四象限探測器等組成, 用于探測各波段的光譜輻射信號。跟蹤模塊通過二維轉臺改變方位角和天頂角, 結合四象限定位, 帶動光學頭部自動精密跟蹤太陽?？刂颇K用于發送測量數據、監測儀器狀態并接收控制指令以及進行數據存儲等。供電系統負責儀器的電源和供電管理, 可接入220 V交流電和太陽能供電; 環境傳感器用于感知環境溫濕度以及降水狀況, 自動進行儀器保護; 通信模塊實現儀器觀測數據的本地和遠程傳輸。軟件模塊用于接收、顯示、處理測量數據, 并通過通信系統給儀器發送指令。

圖1 太陽光度計整體組成圖 (a) 和實物圖 (b)Fig. 1 Overall composition chart (a) and physical view (b) of sun photometer

全自動太陽光度計覆蓋可見-近紅外9個波段, 采用固化通道設計, 每個通道包含獨立的濾光片分光和硅/銦鎵砷光電探測器。這種設計方式的好處在于能顯著減少各通道測量的時間, 尤其在早晚時刻, 太陽高度角變化明顯, 需要盡可能地縮短測量時間。此外, 固化設計較容易使濾光片與探測器響應相匹配, 避免各通道共用增益電阻, 便于擴大太陽光度計觀測波段的動態范圍。為滿足探測和反演的需要, 同時為便于校準和比對, 試驗中選配了與CE318相同的觀測波段, 具體參數如表1所示。

表 1 太陽光度計主要參數Table 1 Main parameters of sun photometer

2 溫控系統

全自動太陽光度計功能設計覆蓋可見-近紅外340～1640 nm共9個觀測波段, 單一探測器有效響應范圍難以滿足觀測需要, 因此根據觀測波段分別采用硅和銦鎵砷光電探測器。如圖2所示, 根據?濱松產品手冊?(http://www.hamamatsu.com.cn) 中探測器參數測試數據顯示, 溫度變化可以影響觀測波段的信號, 甚至達到0.3%/℃。為了減少溫度場的變化對濾光片中心波長的偏移、探測器響應度、放大電路溫漂和孔徑光闌的影響, 9通道主體光學器件的精密溫控是保證觀測數據精確的重要前提?？紤]野外環境變化范圍, 提高加熱或者吸熱的效率, 降低功耗, 同時參考濱松探測器實驗室測試數據, 將溫控系統的溫度控制在 (25 ± 0.2) ℃, 使其適用于野外觀測環境。為了便于實時監測溫控狀態和測量數據的有效性, 每條輸出觀測數據中都包含溫控信息。

圖2 探測器溫度系數 (源于濱松產品手冊)Fig. 2 The temperature coefficient of the detectors (from Hamamatsu product manual)

2.1 結構

溫控系統內含熱電制冷器 (TEC)、濾光片、探測器、前置放大電路板等重要元器件和部件。圖3 (a) 為溫控部分的結構設計圖。將濾光片、探測器和前置放大電路安裝在光學主體內, 外部用隔熱材料包裹, 形成一個恒溫倉。為了在有限空間內實現恒溫控制, 同時滿足在野外觀測條件下低能耗、高續航等需求, 采用體積小、功率低的TEC作為溫度控制設備。

光學主體前面貼有黑色聚四氟乙烯底座和熱電制冷器, 熱電制冷器緊貼后部外殼的導熱盤, 導熱盤吸收熱量并及時將熱傳遞到后部外殼圓周, 圓周上設計有散熱槽。TEC利用半導體材料的珀爾帖效應制成。珀爾帖效應是指當電流流過由兩種不同半導體材料組成的電偶對時, 電偶對的一端放熱而另一端吸熱, 如果改變電流流入的方向, 放熱端和吸熱端也會隨之交換, 這一點適用于既需升溫又需降溫的溫控系統[11]。圖3 (b)為熱電制冷器的實物圖, 體積為 30 mm × 30 mm × 3.15 mm。熱電制冷器放置于一個絕熱底座的方形槽內,絕熱底座采用絕熱系數較高的黑色聚四氟乙烯材料, 起到消光、絕熱、固定熱電制冷器等作用。光學主體采用鋁材, 并做黑色陽極化處理。保溫材料采用應用廣泛的高密度橡塑吸熱棉材料, 這種材料具有高密度、高彈性、良好的柔韌性等性能。

圖3 溫控系統整體示意圖 (a) 和TEC (b)Fig. 3 Schematic of temperature control system (a) and TEC (b)

2.2 電子學

利用數字溫度傳感器測量恒溫倉的溫度, 比較當前溫度與設定溫度, 將溫差帶入比例積分微分算法得到調整參數, 并通過控制繼電器驅動TEC加熱或者制冷。溫控示意圖如圖4所示, 單片機、繼電器、TEC和溫度傳感器組成了一個閉環控制系統, 具體實現電路如圖 5所示。圖中HOT、COOL為接收到的溫度傳感器的數據, 通過該數據可確定儀器是需要制冷或制熱。TEMCTR_HOT、TEMCTR_COOL為驅動端, 用于驅動溫控系統進行恒溫控制。

圖4 恒溫控制流程圖Fig. 4 Flow chart of thermostatic control

圖5 溫控系統電路設計Fig. 5 Circuit design of temperature control system

3 外場試驗

測試中將全自動太陽光度計與來自SONET 觀測網的太陽光度計CE318 DP 進行同步觀測。根據Beer-Lambert-Bouguer定律, 儀器觀測信號值V為[5,6,12]

式中V0為太陽光度計定標常數,S為日地校正因子,m為大氣質量數,τ為大氣光學厚度。大氣光學厚度包括瑞利散射、臭氧吸收、氣溶膠吸收和散射三部分, 其具體表達式為

式中τr為瑞利散射光學厚度,τo為臭氧吸收光學厚度,τa為氣溶膠光學厚度。CE318溫度校正公式[10]為

式中V′是儀器觀測信號值校正到25 ℃時的等效信號值,V為儀器觀測信號值,C為溫度校正系數,T為溫度。

如圖6所示, 測試當日外界溫度變化分別為1～23 ℃和25～40 ℃, 溫差較大, 全自動太陽光度計溫控系統根據外界溫度自動加熱或散熱, 恒溫倉內部溫度均保持在 (25 ± 0.2) ℃內。結果表明, CE318 1020 nm通道校正前后反演的AOD存在差異, 溫度效應明顯, 溫度校正前, 高溫時反演氣溶膠光學厚度偏小, 低溫時反演氣溶膠光學厚度偏大, 這主要是因為溫度變化改變了探測器的響應度。

圖6 全自動太陽光度計與CE318在不同工作溫度下校正前后對比。 (a) 溫度在1～23 ℃變化范圍下AOD比較的結果;(b) 溫度在25～40 ℃變化范圍下AOD比較的結果Fig. 6 Comparison between sun photometer and CE318 before and after correction at different operating temperatures.(a) Comparison of AOD results in the range of 1～23 ℃; (b) comparison of AOD results in the range of of 25～40 ℃

根據式(1)、(2)、(3), 在不考慮溫度效應時

根據式 (6) 可知, 校正前氣溶膠光學厚度的偏差與探測元件所處的溫度差 (T-25) ℃有關,T高于25 ℃時, 校正前氣溶膠光學厚度偏低,T低于25 ℃時偏高。具有溫控功能的全自動太陽光度的反演結果與CE318校正后的結果變化趨勢一致, 偏差均在0.01以內。

為驗證溫控系統長期工作的穩定性, 將全自動太陽光度計放在敦煌進行野外觀測測試, 選取敦煌溫度變化較大的6月和12月兩個月的溫度數據進行長期溫控精度分析, 結果如圖7所示。從圖中可看出, 敦煌輻射校正場在6月份的儀器環境溫度變化范圍為10～53 ℃, 在12月份的儀器環境溫度變化范圍為 -21～12 ℃, 儀器環境的溫差變化最大達到43 ℃, 但是儀器控溫系統內部的溫度系統始終保持在 (25 ± 0.2) ℃。

圖7 6月和12月環境溫度和溫控系統溫度變化情況。(a) 6月環境溫度和溫控系統的溫度; (b) 6月溫控系統的溫度和25 ℃偏差; (c) 12月環境溫度和溫控系統的溫度; (d) 12月溫控系統的溫度和25 ℃偏差Fig. 7 Temperature change in July and December. (a) Environmental temperature and controlling temperature in June;(b) deviation of controlling temperature in June; (c) environmental temperature and controlling temperature in December; (d)deviation of controlling temperature in December

由此表明, 在溫差較大的野外環境中, 太陽光度計的溫控系統表現出良好的穩定性, 從而也驗證了溫控系統設計的穩定性和可靠性。

4 結 論

闡述了自研全自動太陽光度計整體設計和基于ETC 的溫控系統設計。在合肥將全自動太陽光度計和CE318進行了同步觀測, CE318溫度校正前后的觀測結果存在較大差異, 全自動太陽光度計反演的氣溶膠光學厚度與CE318溫度校正后的結果一致, 偏差在0.01以內, 說明溫控系統設計的有效性。并將其放在敦煌進行長期的野外觀測, 結果表明, 全自動太陽光度計經受住了環境惡劣、溫差大的野外觀測測試, 溫度均保持在 (25 ± 0.2) ℃內, 驗證了溫控系統設計的可靠性, 能夠在野外長期穩定運行。本系統的設計也為同類觀測設備溫控設計提供了一種思路。