[实用新型]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

说明书

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，是支配天气系统的重要因素。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系统的建设与发展，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，包括有分光系统、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，该光信号通过分光系统的狭缝进入分光系统内部，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。

所述分光系统是装置的核心，其工作波长范围是红外波段，作用是对进入系统的光辐射进行分光，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系统的焦面重合为依据。所述数据处理模块位于分光系统外部，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。