太阳紫外光谱辐射地面测量装置中的入射光学系统的研制

　　1　引　言

　　太阳紫外辐射对陆地和海洋生态系统以及人类的健康都有许多不良影响,人类暴露在紫外辐射下会导致皮肤癌,加速皮肤老化,产生白内障,还会影响到人类的免疫系统,一些植物经紫外辐射照射后将减慢生长或光合作用消失[1—3]。进行覆盖全球范围的太阳紫外辐射监测,形成长期的数据累积记录,可用于确定太阳紫外光谱辐射照度的长期变化趋势,具有十分重要的意义[4,5]。

　　太阳紫外光谱辐射照度E(λ)是到达水平面单位面积上、单位波长间隔内的所有太阳直接辐射与2π球面度立体角内的天空辐射构成的太阳紫外总辐射。太阳光谱辐射照度E(λ)可表示为

　　其中θ是太阳的天顶角;是太阳的方位角;L(θ,,λ)是太阳在天顶角为θ、方位角为、波长为λ时的光谱辐射亮度。

　　要求用于测量E(λ)的仪器的角度响应尽可能地与入射辐射和接收平面法线之间夹角的余弦相匹配[5]。太阳紫外光谱辐射地面测量装置是对280nm~400nm波长范围,包括太阳直射以及天空散射在内的2π球面度立体角范围的太阳光谱辐射照度进行定量测量的仪器。地面上测到的太阳UVB波段(280nm—315nm)的紫外辐射,其中太阳直射部分只占少部分(20%—30%),而绝大部分是由空气中大量的微小颗粒等散射、反射和折射形成,波长越短,瑞利散射越严重。具有良好特性的入射光学系统可确保仪器对紫外波段太阳和2π立体角内天空昼光辐射的可靠采集。

　　为了满足全天候太阳紫外光谱总辐射的地面测量需求,必须设计特殊的漫透射入射光学系统来提高整个系统的余弦响应特性,使其接近理想探测器的角度响应特性[5—7]。常用余弦误差和积分余弦误差来评价入射光学系统的余弦特性。定义入射光学系统的余弦误差f2(θ,)的计算公式为[5,6]

　　其中Y(θ,)是入射光学系统在天顶角为θ、方位角为时的响应信号。

　　积分余弦误差〈f2〉表示为

　　余弦误差和积分余弦误差越小,表明入射光学系统的余弦特性越好。

　　2　国内外研究现状

　　早期的国际比对表明,由非理想余弦响应带来的测量不确定度超过10%[5],在太阳天顶角较低时尤甚。因此入射光学系统的余弦性能是评价太阳紫外光谱辐射测量系统的一项重要指标,也是限制当前测量水平的重要因素。

　　国外对太阳紫外光谱辐射计的入射光学系统的研究和设计起步较早,并且已经取得了较大的成绩。例如Germar Bernhard等设计的太阳紫外光谱辐射计的入射光学系统由PTFE球冠型漫射器和遮挡环组成,相对于原来的平板型漫射器系统,余弦响应特性有较大改善。当入射角度θ=60°时,余弦响应误差为-5.9%;当θ=70°时,余弦响应误差为-2.8%;当θ=80°时,余弦响应误差为+0.8%。系统的积分余弦误差为〈f2〉=2.4%[6]。Biospherical公司最新推出了SUV-150型太阳紫外_可见光谱辐射计,入射光学系统采用积分球和平板型TEFLON漫射器组成。Brewer 163太阳紫外光谱辐射计采用Teflon平板型漫射器,系统的积分余弦误差为15%,Brewer 066的积分余弦误差为5%, Brewer107的积分余弦误差为7%,Brewer 119的积分余弦误差为4%,Bentham 5503太阳紫外光谱辐射计的积分余弦误差为2%[8]。Julian Gr¨obner为Brewer光谱辐射计新设计的入射系统由Teflon球冠型漫射器和遮挡环组成,积分余弦误差为2·4%[8]。J GSchreder等设计的余弦型入射光学系统由非平面型余弦漫射器和遮挡环组成。对于θ>50°的入射光线,