摘 要: 研制了一种基于 VB 平台可实时测量监控的可视化多波长便携式全自动太阳光度计 DTF-6，可实现瞬时太阳辐照度、整层大气气溶胶光学厚度和可降水量的实时测量与显示，具有电机运转、太阳跟踪、加热温度等强大的在线检测功能。该仪器是在自行研制的第三第四代太阳光度计的基础上进行的改进，仪器更方便使用、更适应恶劣环境、更小型化和具有更高的性能价格比。通过对实测结果的分析和比较，该仪器令人满意，并给出仪器标定结果，同时对其应用进行了阐述。
0 引 言
太阳光度计是用于气象观测、地基测量、大气研究的一种重要仪器，不仅广泛地应用于大气探测、环境检测、气候变化等研究，也是卫星遥感大气订正、定标与可靠性检验的重要工具。国外许多国家已经研制出全自动太阳光度计，像日本的全波段光栅太阳光度计 pgs100 和干涉滤光太阳光度计 POM02，法国 CMEL 公司的 CE318 等等。我国自 1989 年本单位自行研制的第一代太阳光度计以来[1]，后继研究人员对其进行了不断地改进，自 1999 年研制出基于单片机控制系统实现自动控制跟踪的太阳光度计DTF-3[2]，2008 年又研制出一种新型便携式自动太阳光度计 DTF-5[3]，多年来该型仪器一直用于大气探测实验[4]，实践表明，该仪器在大气光学测量方面发挥了重要作用，但一直以来该仪器只是用于本单位的使用，随着国家对大气科学研究的重视，越来越多的研究单位需要使用，由于我国市场上还没有商业化的产品，都是从国外进口，且费用很高，故设计出有更高的性能价格比、面向用户、更适合推广应用的全自动太阳光度计成了必要。在 DTF-3 和DTF-5 的基础上我们又研制了便携式全自动太阳光度计 DTF-6。
本文主要介绍最新研制的便携式全自动太阳光度计 DTF-6 的组成及其控制系统，光学及跟踪系统设计，仪器指标，利用 Langley 法对仪器进行标定，得到仪器的标定值，将仪器拿到丽江进行实验，初步得到了丽江地区整层大气气溶胶光学厚度和可降水量的日均值变化。并将该仪器的测量结果与 DTF-5的测量结果进行对比，对比结果表明新研制的便携式全自动太阳光度计 DTF-6 的测量结果是完全合理且可靠的。
1 仪器整体设计
该便携式全自动太阳光度计 DTF-6 在整体设计上的改进主要体现在以下几个方面: 外观上采用一体化设计，将各数据线、电路系统、跟踪台及主机融为一体，外出携带方便，且数据传输距离短，增加了数据的可靠性; 采用多功能集成度高的 ATMEL芯片 ATmega64-16AC AVR 单片机替代原先的 IN-TEL 芯片 8031CPU，所有采集控制模块和外围扩展电路都集成在一个电路板上，所有芯片采用贴片封装，使得仪器在电路设计上变得简洁，且便于仪器的功能扩展，同时也使得仪器轻盈便携; 采用 VisualBasic 6. 0 编程，设计了友好的用户操作界面，可对实验测量数据及计算结果进行实时显示和存储; 通过软硬件及粗跟踪与精准跟踪相结合实现全自动操作，解决了原仪器开始需要手动对准的不便之处; 增加了网络传输功能，可进行远程控制和数据的下载。
1. 1 仪器硬件组成及单片机采集控制系统
该仪器主要由计算机、采集控制系统和自动跟踪装置组成。计算机采用内嵌入仪器底座箱内的迷你型主机及外挂的触摸型液晶显示器组成，外出实验携带方便，只完成数据处理和通信工作。采集控制模块由 ATmega64-16AC AVR 单片机和 AD、DA转换器组成，它可实现对现场信号的采集和对现场设备的控制。自动跟踪装置主要由步进电机、驱动电源和跟踪台组成。该仪器硬件组成方框图如图1。
图 1 中 AVR 单片机采集控制模块是整台仪器的核心部分，其框图如图 2 所示。通过它可完成太阳光度计的自动跟踪、自动控温、数据采集、通讯等各项功能。通过 RS232C 标准接口，用通讯电缆线与迷你主机连接，实现主从控制。要达到足够高的测量精度，采用高性能的光伏探测元件，并能控制其工作温度，采用变增益放大器以达到较大的动态范围。采用四象限光电探测元件和步进电机驱动，仪器运行时可自动跟踪和对准太阳中心。
由图 2 中可以看出该模块主要以 AVR 单片机ATmega64-16AC 为核心，外围扩展 AD、DA 单元以及电平转换电路从而实现采集和控制以及与主机通信。
1. 2 单片机软件部分设计
单片机控制系统要完成的各项任务由控制程序的执行来完成，控制程序的执行实际上就是根据具体的命令字调用相应的子程序。控制主程序的工作流程如图 3。
根据命令的不同，主程序调用不同的模块完成相应的功能，模块由语句和调用最基本的子程序组成，根据要求可修改相关参数，典型的子程序有:
1) 通讯子程序( 接收，发送) ;
2) 温控子程序;
3) 找零位子程序;
4) AD 及 DA 子程序;
5) 三路电机控制子程序;
6) 测量单个波长的辐射信号子程序;
7) 增益自动控制子程序;
8) 扫描及跟踪子程序;
9) 读温子程序。
另外还有一些其它服务性的子程序: 如不同延时子程序、求 x 次 AD 转换的平均值子程序、16 进制数转化为 ASCII 字符子程序、计算接收到的电机步数子程序、向主机发送跟踪错误标记和命令错误标志子程序等等。
1. 3 光学系统设计
太阳光度计的光学系统设计示意图见图 4，图中粗光筒用来实现可见到近红外波段太阳辐射光谱的测量。
入射的太阳复合光线经过长粗镜筒内部的衰减片、光阑、组合透镜及滤光片将一定波段的太阳辐射光会聚到光电探测器截面，光电探测器将光信号转化成电压信号并进行前置放大和滤波，经过后续电路处理后进行采集和显示。由衰减片、光阑、组合透镜组成的光接收系统满足 32'的太阳视场，考虑跟踪精度设计视场为 1°，设计组合透镜焦距 f =90mm，口径 Φ = 30mm。光阑处可根据季节及地区太阳光的强弱加适当的衰减片，避免光电探测元件采集时出现饱和，对于一天中太阳光的强弱变化在电路中设计了增益控制电路来提高探测精度和解决饱和问题。
为了实现多光谱测量，需要使用多块不同波段的滤光片，根据测量需要，选择 1050nm、940nm、860nm、780nm、670nm、610nm、520nm、400nm 共八个波段带宽 10nm 的滤光片，设计了滤光片转盘放置在光电探测器和组合透镜之间，将八块滤光片和一个用于背景测量的黑色不透光块均匀分布于转盘上，采用混合式步进电机驱动滤光片转盘，由控制器自动控制其用于滤光片的定位和切换。为提高控制精度，电机驱动系统可细分为 2、4、8 等分。转盘转动一圈可完成 350nm ～1100nm 范围的光谱测量，还可根据需要任意放置其它波段的滤光片，如紫外波段的。
1. 4 太阳全自动跟踪系统设计
为了实现太阳的全自动跟踪，我们在仪器的水平旋转和俯仰旋转处增加了初始位置检测电路，利用发射二极管和接受三极管的发射和接收功能实现初始位置的定位。采用天文学中太阳高度角和方位角的计算，得到实时太阳高度角和方位角，驱动电机运转，仪器初步指向太阳后，记下正确的方位角和高度角，并启动精准跟踪，即四象限跟踪。随时检测太阳位置变化，如果暂时丢失目标，仍然可以更正跟踪方向，一旦目标出现就可以很快捕获太阳。太阳全自动跟踪的程序流程图如图 5 所示。
对于精准跟踪，我们设计了采集太阳光的装置及控制程序闭环控制镜筒的瞄准方向( 水平和俯仰) 来跟踪太阳。采集装置主要由采集光部分、四象限探测部分及信号放大采集部分组成，见图 4 跟踪光筒。
采集太阳光的短细镜筒内部依次放置衰减片、光阑和光收集系统。太阳光通过衰减片光强有一定的衰减，避免四象限因深度饱和出现跟踪不准确; 使用光阑使太阳光斑小到一定的尺度有利于黑色锥柱状光收集系统收集光到四象限探测元件小区域敏感区; 镜筒后放高灵敏度四象限探测器。对探测器输出的 A、B、C、D 四个电压信号进行放大和采集，采集到的信号作为判断依据用于实现自动跟踪。控制程序跟踪原理为: 按照一定的时间检测四个象限的电压信号值，分析各个象限电压信号差值，判断差值是否处于所要求的范围发相应指令驱动电机转动使镜筒在水平和俯仰方向进行调整，从而跟踪太阳，跟踪精度为±1'。
2 仪器性能和指标
便携式全自动太阳光度计 DTF-6 如图 6 所示，仪器所能达到的性能和指标如表 1 所示。
3 仪器标定结果及其应用
仪器的标定同样采用常用且精度较高的 Lang-ley 法和改进的 Langley 法[5—7]，丽江具有纬度低、海图 6 便携式全自动太阳光度计 DTF-6拔高、天气晴朗、大气宁静度好、天空背景亮度弱等较好的仪器标定条件。2010 年 11 月 1 日，丽江出现非常晴朗的天气，能见度 25km 以上，无风，适合标定，标定时间选在下午 13: 00-17: 40，最后得到八个波段标定值 V0及相关系数 R 和标准偏差 SD 如表 2 所示。
由表中可以看出各波段的相关系数在-0. 96 ～-0. 99 之间。
该便携式全自动太阳光度计主要用于通过测量不同波长的太阳直接辐射得到相应波长的大气光学厚度、气溶胶光学厚度及整层大气透过率[8]; 从大气光学厚度数据可以计算大气中可降水在整个大气中的总含量[9]; 气溶胶光学厚度在气象和环境研究上都有重要意义，常用来衡量空气中微粒物质的荷载量或污染程度。部分太阳光度计除了可以测量太阳直接辐射还可以测量日周光和太阳所在地平纬圈的天空散射光，用以反演气溶胶粒子谱、散射相函数及气溶胶折射率等许多重要的光学特性参数。
2010 年 10 月 25 日至 2011 年 1 月 10 在云南丽江玉龙县高美古村( 东经 100°01'52"，北纬 26°42'02" ，海拔高度 3200m) 进行为期两个月半的实验测量，获取 35 天可用数据，对该地区仪器测量的实验数据进行处理得到该地区实验期间 550nm 波段整层大气气溶胶光学厚度和可降水量日均值变化及标准偏差分别如图 7 和图 8 所示。横坐标表示观测日期在年中天的序号，即一年的第多少天。
从图 7 可以看出，丽江地区实验期间 550nm 波段气溶胶光学厚度日均值变化范围在 0. 03 到 0. 12之间，气溶胶光学厚度非常小，表明该地区大气非常清洁。
从图 8 可以看出丽江地区实验期间可降水量日均值变化范围在 0. 05 cm 到 0. 6 cm 之间，从秋季到冬季，可降水量整体呈减少趋势。
4 实验测量结果比较
2011 年 3 月 10 日，两台太阳光度计 DTF-6 和DTF-5 在合肥地区进行同步测量比较，图 9、图 10 分别给出了相同时间段 DTF-6 和 DTF-5 在 520nm 波段气溶胶光学厚度与可降水量的对比图，Difference表示差值。
由图 9 和图 10 可以看出，两台仪器测得的气溶胶光学厚度和可降水量日变化趋势基本一致，即图 10 可降水量比较总体测量结果有较好的一致性。分析得到两台仪器各波段气溶胶光学厚度均方根误差都在 5% 左右，可降水量均方根误差小于 3%，见表 3。
5 结 论
该仪器的研制主要用来自动跟踪太阳，同时探测 1050nm、940nm、860nm、780nm、670nm、610nm、520nm、400nm 波段的太阳直接辐射强度，从直接辐射测量可反演得到大气气溶胶光学厚度，利用水汽波段 940nm 计算整层大气可降水量，并能够通过太阳光度计软件界面实时显示于桌面。太阳直接辐射通过准直透镜聚光到光电倍增管探测截面，光电倍增管将光信号转换为电压信号并进行不同档次的放大，然后通过 AVR 单片机采集控制模块进行数据采集，转换为数字信号，通过 RS-232 串口传到计算机进行实时处理显示。在丽江地区选择晴朗无云的天气条件下利用 langley 法及改进的 langley 法对仪器各波段进行了标定，得到了丽江实验期间整层大气气溶胶光学厚度和水汽的日均值变化，通过与原DTF-5 型太阳光度计测量结果的比较，仪器具有很高的可靠性。
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收稿日期: 2011-04-13; 收到修改稿日期: 2011-08-25 E-mail: yuzi83715@ yahoo. com. cn
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 61077081)
作者简介: 李建玉( 1983-) ，女，中科院安徽光机所博士研究生，从事大气探测技术及辐射传输的研究。
