CN206710302U - 一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光谱测量方式的大气水汽含量测量装置，包括有分光***、阵列探测器、数据处理模块、带外杂光滤除器、孔径光阑和瞄准装置。当使用瞄准装置对准太阳时，来自太阳的直射光透过孔径光阑，经过带外杂光滤除器后只剩下近红外波长范围内的光信号，该光信号通过分光***分光形成谱带成像于阵列探测器光敏面，阵列探测器产生光谱信号，经数据处理模块处理，获得水汽含量大小。与常用太阳辐射计的窄带测量方式不同，它通过测量直射太阳光中的红外光谱，计算特征波长处的辐射强度和占背景辐射的比例，以此来获得大气水汽含量，具有波长准确、不受滤光片性能变化的影响、光谱测量结果便于监测仪器状态等优点。

Description

一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置

技术领域

本实用新型属于气象学中的水汽测量技术领域，涉及一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置。

背景技术

水汽在大气物理、大气化学和气候变化等诸多过程中起着关键作用，它与众多天气现象直接相关，是支配天气***的重要因素。与大气中其它成分相比，水汽在空间上的分布很不均匀，在时间上的变化也非常显著。大气中的水汽含量，是推演天气变化的重要信息，也是预报降水和降水量的必要条件,在天气预报、地球环境监测、空间遥感和大气辐射传输计算等领域都需要这个参数。

传统测量中，一般通过探空手段，采用探空气球测出大气中每一层的湿度然后积分测算出大气水汽含量。这种方法受探空条件的制约，成本较高，而且存在气球行程误差和测量数据的不连续性，不足以分辨水汽的时空变化。之后随着探测技术的发展和提高，陆续发展了微波辐射计、太阳辐射计、GPS技术等手段对大气中的水汽含量进行估算和反演。其中，微波辐射计依靠所测亮温反演扫描路径上的积分水汽总量，包括地基微波辐射计和星载微波辐射计两种方式，它们均受云或背景温度影响较大，且在降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响使得微波辐射计这时很难提供可用的数据。太阳辐射计则利用太阳作光源，测量大气中某些波段的水汽吸收透过率，利用其与水汽含量的关系来反演水汽含量。GPS技术主要是通过测量卫星信号传输到GPS接收机的时间延迟，然后逐项考虑误差的来源和消除办法，得到与水汽有关的湿项延迟，进而求解出水汽总量。近年来随着中国北斗卫星导航***的建设与发展，与GPS技术原理相同，一种基于北斗卫星的大气水汽测量方法也已被提出。

与GPS技术或基于北斗卫星的方法相比，太阳辐射计法原理简单，实现方式轻巧便携。而且它不受时空的限制，可以进行野外流动性测量。目前基于太阳辐射计法的仪器通常是一台双通道太阳辐射计，工作波段为窄带的近红外936nm水汽吸收通道和870nm非水汽吸收通道，两通道相比以消除瑞利散射和气溶胶散射影响，从而提取出大气水汽含量信息。之所以采用936nm附近的吸收带，是因为一般条件下大气水汽含量的大小可以从几毫米到几厘米，虽然光学和红外波段有很多的水汽吸收带，但大多数的水汽吸收带或者太强，使得在潮湿大气中该吸收带内的太阳辐射被完全吸收而无法测量出剩余辐射强度，或者水汽吸收带太弱，导致在较干燥大气中该吸收带内的太阳辐射基本没有被吸收而只能认为水汽含量为零。考虑这些因素之后，936nm附近的水汽吸收带是吸收能力适中、最适用于测量的吸收带，因而在太阳辐射计法测量水汽含量中被广泛采用。而要实现窄带的936nm水汽吸收通道，太阳辐射计中通常需要采用窄带的干涉滤光片。由于干涉滤光片在长期使用中稳定性较差，会发生不同程度的老化，其主要表现是峰值波长、带宽和透过率会逐渐发生变化，导致水汽含量测量不准确。因此太阳辐射计需要定期进行校准，给实际应用带来不便。针对此，我们设计了一种基于光谱测量方式的太阳辐射计。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于光谱测量方式的大气水汽含量测量装置，与常用太阳辐射计的窄带测量方式不同，它通过测量直射太阳光中的红外光谱，计算特征波长处的辐射强度和占背景辐射的比例，以此来获得大气水汽含量。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，包括有分光***、阵列探测器、数据处理模块、带外杂光滤除器、孔径光阑、瞄准装置。实际使用时，瞄准装置用于对准太阳，当太阳视圆面位于瞄准装置的视场中心时，太阳也处于孔径光阑的视场中。来自太阳的直射光透过孔径光阑，经过带外杂光滤除器后只剩下某一段红外波长范围内的光信号，该光信号通过分光***的狭缝进入分光***内部，经分光后形成的谱带成像于阵列探测器光敏面，探测器产生光谱信号，用于后面分析处理，获得水汽含量大小。

所述分光***是装置的核心，其工作波长范围是红外波段，作用是对进入***的光辐射进行分光，使复合光色散成一条狭长的谱带，并聚焦成像于焦面上。所述阵列探测器安装固定于焦面处，准确位置以阵列探测器的光敏面与分光***的焦面重合为依据。所述数据处理模块位于分光***外部，通过数据线与阵列探测器相连，驱动其正常工作，并采集阵列探测器产生的光谱信号，进行计算处理。

由于太阳光中不仅含有红外辐射，还有紫外辐射和可见光等，且后两者的强度在太阳总辐射中所占的比例接近60％。而上面所述分光***的工作波长范围是红外波段，且仅是近红外波段的一部分。因此，有必要在光信号进入分光***之前，使其通过一个带外杂光滤除器，以滤除分光***工作波长范围以外的波段，尽量减小光路中的带外杂光和最终对输出信号的影响。所述带外杂光滤除器放置于分光***的入射狭缝前，其主要作用是让分光***工作波长范围内的光辐射通过，而对该范围以外的光辐射则实现基本滤除。

为了实现对直射太阳光进行测量，还需在分光***的入射狭缝处安置一个合适的孔径光阑，以屏蔽来自天空的散射光，确保狭缝对准太阳时进入分光***的光主要为直射太阳光。同时，在分光***上固定放置一个瞄准装置，用于实际测量时瞄准太阳。瞄准装置与孔径光阑平行安装，二者的视场角统筹设计：一方面，瞄准装置的视场角应比孔径光阑的略小，这样瞄准装置对准太阳后，太阳一定处于孔径光阑视场中；另一方面，孔径光阑的视场应比太阳视直径稍大，在保证入射光为直射太阳光的同时也留有一定空间，使太阳短时间内不至于迅速移出视场，便于对准和测量。

本实用新型根据红外波段的水汽吸收特性，通过测量太阳直射光中的红外光谱，获得水汽吸收特征波长处的剩余强度占背景辐射的比例，以此计算出观察程上的水汽含量。与现有技术相比，本实用新型具有明显的优点和有益效果：

1.采用光谱测量方式代替窄带通道测量，波长准确，消除干涉滤光片性能变化对测量造成的影响；

2.由于太阳光的谱线轮廓比较稳定，因此光谱测量结果可作为标识，监测仪器状态和水汽吸收特征，保证测量结果的准确可靠；

3.装置轻巧便携，便于定点监测和野外流动测量。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理框图，包括带外杂光滤除器1、孔径光阑2、分光***3、阵列探测器4、数据处理模块5、瞄准装置6。

图2是瞄准装置的结构示意图，包括会聚透镜7、光筒8、视场观察屏9。

图3是孔径光阑的结构示意图。带外杂光滤除器10安装于限束光筒11的入射端。限束光筒11和入射狭缝12联合，共同限制入射光束。

图4是分光***的结构原理图，包括平面反射镜13、准直镜14、光栅15、聚焦镜16。阵列探测器17安装于分光***内。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所涉及的一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，包括有带外杂光滤除器1、孔径光阑2、分光***3、阵列探测器4、数据处理模块5、瞄准装置6。其中，分光***3是装置的主体，其入射狭缝前安装固定了孔径光阑2，孔径光阑2的入射端则放置了带外杂光滤除器1。分光***3的焦面处安装放置了阵列探测器4，其输出经电缆传输至分光***3的底部控制室，与数据处理模块5连接。同时，在分光***3的外部，放置了瞄准装置6，且与孔径光阑2平行。实际测量时，通过瞄准装置6使太阳视圆面位于视场中心，由于瞄准装置6与孔径光阑2平行，因此太阳也位于孔径光阑2的视场中。来自太阳的直射光透过孔径光阑2，经过带外杂光滤除器1后，只剩下近红外波段的光通过狭缝进入分光***3。分光***3对光信号进行分光，使复合光色散成一条狭长的谱带，并聚焦成像在位于焦面上的阵列探测器4上。阵列探测器4产生的的模拟信号经数据处理模块5放大和模数转换，得到近红外波段的光谱数据，提取出936nm的光信号强度，并根据谱线轮廓计算出其原始背景强度，根据经验公式计算出大气水汽含量。

为了在实际应用中便于对准太阳，瞄准装置6采用图2所示结构，会聚透镜7的焦点刚好位于视场观察屏9的中心。观察屏的中心刻有十字线，瞄准太阳时，太阳视圆面经会聚透镜7聚焦成一个亮点，调整瞄准装置6，使亮点位于十字线中心，便完成了太阳对准。由于瞄准装置6与孔径光阑2平行，此时太阳也一定位于孔径光阑2的视场中。

图3是孔径光阑2的结构示意图。带外杂光滤除器10安装在限束光筒11的入射端，波长小于750nm的可见光和紫外线将被滤掉，不能进入分光***。限束光筒11和入射狭缝12联合，起到限制入射光束的作用。考虑到太阳视圆面的张角约为0.5°，孔径光阑2的视场设计成约2°，比太阳视圆面的张角大，在对准太阳时留有一定余量，使得测量时太阳不至于迅速移出视场，便于测量和操作。

图4是分光***的结构原理图。分光***3采用C-T水平对称式光路结构，包括入射狭缝12、平面反射镜13、准直镜14、光栅15、聚焦镜16。经入射狭缝12进入分光***的光，照射在平面反射镜13上，镜面反射后到达准直镜14，形成平行光束并投射至光栅15，色散后的谱带通过聚焦镜16，聚焦成像在阵列探测器17的光敏面上。

Claims (4)

1.一种利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，包括有分光***、阵列探测器、数据处理模块、带外杂光滤除器、孔径光阑和瞄准装置，其特征在于：以分光***为主体，带外杂光滤除器放置在孔径光阑的入射端，孔径光阑安装固定于分光***的入射狭缝前，瞄准装置安装在分光***外部，其指向与孔径光阑一致，阵列探测器安装于分光***的焦面处，其输出经电缆与数据处理模块相连。

2.根据权利要求1所述的利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，其特征在于：所述的带外杂光滤除器为一片或一组红外透射滤光片。

3.根据权利要求1所述的利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，其特征在于：所述的孔径光阑是在一个狭缝前加上光筒，二者尺寸匹配，共同限制测量视场。

4.根据权利要求1所述的利用直射太阳光中的红外光谱测量大气水汽含量的装置，其特征在于：所述的瞄准装置由光学透镜和光筒组成，其光轴与孔径光阑平行，能够将太阳视圆面聚焦成像。