摘 要:介绍了一种采用商用发光二极管作为探测器的新型太阳光度计。阐述了系统的结构以及该仪器在监测气溶胶光学厚度领域的应用,并与传统的太阳光度计进行了对比试验。试验表明,两种仪器具有很好的一致性。
1 引 言
环境问题已日益成为各国政府和人民关注的焦点。大气气溶胶因其在大气中的重要作用(能见度,辐射平衡,大气的电子特性,空气污染和云的形成)[1],因而越来越受到人们的重视。太阳光度学是一种已被广泛采用的监测气溶胶光学特性的技术,它可以直接获得光学厚度。与其它仪器相比,太阳光度计不需要绝对的定标就可以反演大气溶胶的光学厚度。目前我国采用的太阳光度计大多为带自动跟踪装置的自动光测仪器,如CE318[2]以及由中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的DFT_3型太阳光谱辐射计等。本文提出了一种操作简单,价格低廉的太阳光度计。
LED可以作为光电探测器对特定的波段进行探测,其响应曲线与发射谱线一样,利用这个特性可以制作基于LED的太阳光度计[3,4]。传统的太阳光度计包括滤光片和光电探测器,而基于LED的光度计用单个LED可代替传统太阳光度计中的滤光片和光电探测器。LED是一种普通器件,寿命长且光学性能稳定。采用多个LED可以制作出UV到近红外波段的光度计。尽管LED具有这些优点,但它并不能取代具有窄带滤光片的光度计,它的响应曲线相对于滤光片来说,带宽要宽的多。普通的太阳光度计带宽一般为10nm,而一般的LED响应带宽大约为20 nm。因此在精确测量领域,如测量多谱段气溶胶光学厚度(用来反演气溶胶粒谱分布),LED太阳光度计并不适用。在不需要精确测量的领域,如简单的气溶胶光学厚度的测量,LED光度计是一种理想的便携仪器。本文介绍了一种采用3个商品化的LED(带宽分别为19,22,19nm)作为探测器的太阳光度计,阐述了系统的结构组成以及该仪器在监测气溶胶光学厚度领域中的应用,并与传统的太阳光度计进行了对比试验。
2 测量原理
大气中光谱的光学厚度与在地面上观测到的光谱直射太阳辐射强度Eλ有如下关系[5,6]:
式中:E0λ是波长为λ的大气外界太阳辐照度(太阳常数);R为测量时的日地距离校正量(平均日地距离与实际日地距离的比值);m为大气质量数;τλ为垂直方向上大气的总光学厚度;Tgλ为吸收气体的透过率。大气质量数近似地等于天顶角的正割,当天顶角很大时要考虑大气折射以及地球本身的影响:
太阳的天顶角可根据太阳的天文学位置来得到,与纬度、经度以及磁偏角有关。
若用测量仪器的输出电压Vλ代表Eλ,则上面的公式可以写成
式中的Vλ是定标常数。对于吸收气体的透过率Tgλ来说,在可见光至近红外波长范围内,由于臭氧吸收使得该值小于1。根据比尔定律,臭氧吸收透过率TO3λ为
大气中的二氧化氮同样也遵从比尔定律,但大气中水汽的吸收透过率并不遵从比尔定律,而是通过对水汽吸收线进行数值积分获得的。对于无水汽吸收的波段来说,结合式(2)和式(3),大气在垂直方向上的总光学厚度τλ可以写成
式中:τrλ为Rayleigh散射的光学厚度;τaλ为气溶胶散射的光学厚度;τgλ为吸收气体(O3,NO2)的光学厚度。
在大气相对稳定的条件下(τλ为一定值)进行不同太阳天顶角(θ)的太阳直射辐射强度的测量(Vλ),由lnVλ与m的线性关系外推到m为0时的lnV0λ。由(lnVλ+lnR2)与m的关系画直线,直线的斜率就是垂直光学厚度τλ,截距就是由太阳光度计获得的大气外界太阳辐射强度(V0λ)的对数,即lnV0λ,这种方法称作兰勒(Lang1ey)法,通常也称之为“长法”。
Rayleigh散射光学厚度τrλ可通过地面气压值计算出来。在可见光、近红外波段和大气中主要存在臭氧和水汽的吸收。选择没有气体吸收的通道(405,500,650nm),即式(5)中的τgλ=0,则总光学厚度τλ与τrλ之差就是气溶胶散射光学厚度τaλ。
3 测量系统的组成
3.1 探测器的设计
当用LED作为光电探测器时,它对与它反射光谱近似的波段做出响应,这个特性正是本文工作的基础。图1表示的是3个不同波长的LED的发射光谱,是用宽带光谱仪测得的(Ocean Optics USB2000)。LED反射光谱的具体参数如表1表示.
试验测定的结果是,在正午时分(地点:合肥市;时间:2005年4月12日),采用直径为55mm、焦距为65mm的凸透镜将太阳光聚焦到黄色LED,发射峰值波长为500nm,可以产生50μA左右的电流。基于此特性,系统采用运输放大器将电流转换为电压,并用反馈电阻将电压调整到所需的幅值。系统采用的是单电源、低功耗的运输放大器AD820,电路图如图2所示。
3.2 仪器的结构
图3为LED太阳光度计的结构图。它主要由探测器系统(LED与实现电流_电压转换的放大器)、信号放大与处理系统(包括电压放大器、采样保持器、多路开关、A/D转换器以及8031处理器)、显示输出系统(液晶显示器和232接口)、时钟系统和存储系统组成。
为了给出正确的测量时间,系统采用了串行接口的低功耗的DS1302作为时钟芯片,并采用4片容量为256kbit的电可擦除的芯片24LC256作为存储介质来存放测量结果。为保证在掉电的情况下时钟还能正常工作,加纽扣电池作为备用电源。
仪器工作时,光电转换系统把LED经太阳光照射产生的微弱电流信号转换为电压,经电压放大电路放大后进入采用保持电路。微处理器8031产生时序信号,依次打开多路模拟开关对3路信号进行A/D转换,在测量数据显示在液晶屏的同时将测量数据记录在存储系统中。为了正确反演天顶角,系统又同时将测量时刻记录在存储系统中。
4 结果和讨论
图4是利用兰勒(Lang1ey)法做出的以大气质量为函数的测量幅值对数曲线。从图中可以看出,曲线呈良好的线性关系(三条拟和直线的相关系数都大于0.98)。从图中可以得出当天的光学厚度随曲线变化的情况,即在405nm处,光学厚度为0.71,在500nm处,光学厚度为0.58,在650nm处,光学厚度为0.42。
为了进一步地对系统性能进行检测,对LED太阳光度计与传统太阳光度计(中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的DFT_3型太阳光谱辐射计,中心波长为632nm)进行了对比试验,图5是3天内的试验结果。从图中可以看出,两种方法的测量结果近似,由LED太阳光度计测得的光学厚度的曲线符合Angstrom公式:
式中β和α为Angstrom系数。通过对比试验表明了LED光度计在测量的正确性和实用价值。
5 结 论
本文介绍了一种新型的LED太阳光度计,它采用商用LED作为探测器取代了传统滤光片和硅探测器。通过兰勒曲线的绘制以及与传统太阳光度计的对比试验发现,LED太阳光度计测量结果准确,具有很好的实用性。本系统为气溶胶监测提供了一种价格低廉、光学性能稳定、操作简单的便携式仪器,具体良好的应用前景。
参考文献:
[1]王明星.气溶胶与气候[J].气候与环境研究, 2000,(5):1—5.
[2]陈征. CE318太阳光度计基本结构与安装使用[J].陕西气象,2002,(5)43—45.
[3] Mims F M. Sun photometer with light emitting diode as spectrallyselective detectors [J]. Appl Opt, 1992, 31(33): 6965—6967.
[4] Acharya Y B, Jayaraman A, Ramachandran S, et al. ComPACt lightemitting diode sun photometer for atmospheric optical depth mea-surement[J]. Appl Opt, 1995,34(7): 1209—1214.
[5] Biggar S F, Gellman D L, Slate P N. Improved evaluation of opti-cal depth components from Langley Plot Data[J]. Remote Sens En-virom, 1990, (32): 91—101.
[6]张广顺,张玉香,吴承权,等.红外窗区大气透过率的测量[J].气候与环境研究,1993, 4(2): 212—217.
作者简介:司福祺(1977_),男,安徽省人,中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室博士研究生,主要从事光学技术、光谱分析的研究。
E_mail:sifuqi@aiofm.ac.cn
