精密光谱辐射计的定标与特性表征

论文摘要

光谱辐射计作为一个高数据维和多参数维的精密光电仪器系统,仪器精度的评估与优化需要建立在高通量数据统计与矩阵数据分析的基础上。仪器系统中各种微分模型的降维和积分模型的升维需要测试分析并进行反复迭代运算,导致系统量化表征模型复杂、数据运算量大。基于多维参数和高维数据的光谱辐射计系统表征模型的发展滞后于核心器件及系统的研制,是制约光谱辐射测量系统精度提高的根本原因。随着计算机在测控与数据分析中的应用发展,光谱辐射测量相关的仪器建模及计量分析研究也日益增加,但是准确评估和优化光谱辐射计定标精度研究仍然存在一些亟待深入研究的关键问题。针对光谱辐射计多维参数误差特性中杂散光量化表征建模、CCD非线性模型的双参数相关影响特性建模以及计量定标不确定度评估中关键参数误差特性等问题,开展了以下研究工作:(1)为获取完整的系统参数信息用于实现参数调控,设计了光谱辐射计,为误差特性表征与定标研究提供了仪器基础。对接收函数特性、杂散光特性、狭缝耦合特性几个关键影响环节进行了分析研究和优化设计;为消除因体积减小而加强的杂散光影响,采用线性渐变滤光片和优化杂散光陷阱的方法分别对带内高阶杂散光与带外漫射杂散光进行了杂散光抑制优化。(2)在获取光谱辐射计系统参数基础上,对光谱辐射计误差特性中的杂散光特性进行了量化表征建模并计算不确定度的评估值。在杂散辐射矩阵测量数据基础上,以关键几何特征点为基础,构建了基于带外抑制和背景杂散辐射的杂散光特性量化表征模型。定量给出了所设计的光谱辐射计的杂散光特性评估结果:带外抑制小于0.1%,背景杂散辐射上限小于0.01%,统计均值约为0.001%。该结果表明所设计的光谱辐射计中的杂散光抑制设计有效,达到了单色仪系统的杂散光抑制水平。进一步结合谱段范围和光谱分辨带宽,计算出杂散光对测量不确定度的评估值为2%,为合成不确定度的定量计算提供依据。(3)为了准确评估及抑制光谱辐射计的非线性误差影响,进行了CCD非线性特性量化表征、建模校正及计算不确定度的评估值。对CCD探测器的积分时间和光强灰阶2个关键参数的非线性参数依赖特性进行了实验与建模研究,给出CCD的非线性量化表征函数,并以此为基础实现了测量过程中的CCD多尺度非线性修正。采用该模型进行非线性校正后与监测功率计数据进行比较,得出该模型能够将CCD非线性相对偏差从18%降低至2%以内,有效地降低了光谱辐射计的非线性误差,得到不确定度评估值2%,为合成不确定度的定量计算提供依据。(4)通过建立杂散光和非线性误差模型,解决了光谱辐射计系统误差量化表征问题,可以进一步对光谱辐射计进行精确定标。在波长定标中对数据处理组合算法进行了参数优化,实现了波长定标精度达到1/10像素波长间隔;在辐射定标不确定度的评估中,通过积分时间调控实验证明精度的波长依赖特性实际上是信噪比依赖,提出了以信噪比作为示性参数的逐像素调控定标方法,解决了定标精度的波长依赖问题。数据表明,卤钨灯光源定标系统在2小时内的不确定度评估结果小于0.5%。然后,在定标系统不确定度测试评估结果基础上,结合杂散光和非线性的误差特性表征计算给出的不确定度评估值,最终计算出合成不确定度3.8%作为仪器精度,达到了系统设计要求,可进行外场测试评估。(5)为了验证误差特性评估模型及精度优化的有效性,进行了应用验证实验及对比测试分析。首先进行了太阳辐射观测应用实验验证研究,测试结果显示精密光谱辐射计能够有效用于地基气象光谱辐射的业务观测,提供精细的太阳光谱分析数据。之后与日本EKO公司的MS700型太阳光谱辐射计(MS700是目前全球气象光谱辐射测量的标准仪器)进行室外观测比对分析。测试结果显示,所设计的SVG光谱辐射计定标精度(3.8%)优于MS700标称的定标精度(4%),通过与ISO9845标准太阳光谱比较,SVG型光谱辐射计波长分布偏差的标准差比MS700低1%左右。SVG型光谱辐射计的定标精度和分辨带宽误差均优于MS700,验证了误差特性表征模型与定标参数优化结果的有效性。通过对光谱辐射计误差特性表征及优化调控方法研究,使光谱辐射计的精度(3.8%)优于标准精度要求(<5%),所涉及的建模及分析评估方法研究为光谱辐射计量仪器精度的进一步提高提供了有效手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及研究的目的和意义
•   1.2 太阳光谱辐射测量技术的国内外研究现状
•     1.2.1 太阳光谱辐射观测仪器与技术的发展现状
•     1.2.2 光谱辐射计误差特性表征中的关键技术及现状
•     1.2.3 光谱辐射计定标中的关键技术及现状
•   1.3 论文内容安排
• 第二章 光谱辐射计系统设计
•   2.1 收光单元设计
•   2.2 导光单元设计
•     2.2.1 导光形式及材料光谱透过特性的选型设计
•     2.2.2 CSC光纤束的参数设计
•   2.3 分光单元设计
•     2.3.1 光栅分光单元的光学结构特点及选择
•     2.3.2 基于线性渐变滤光片及反射陷阱的消杂散光设计
•     2.3.3 CCD阵列光电探测器的参数特性分析与选择
•     2.3.4 狭缝参数的计算
•     2.3.5 光谱像面微调结构设计与调整方法
•   2.4 光电转换器件的模拟信号链路分析与设计
•   2.5 本章小结
• 第三章 光谱辐射计杂散光与非线性误差特性表征的建模研究
•   3.1 光谱辐射计杂散光特性建模
•     3.1.1 基于系统响应函数模型的杂散光特性分析
•     3.1.2 杂散光特性表征模型的构建
•   3.2 光谱辐射计非线性误差特性建模
•     3.2.1 光谱辐射计非线性特性的测试与分析
•     3.2.2 光谱辐射计非线性特性的建模与校正
•   3.3 本章小结
• 第四章 光谱辐射计波长及辐射定标的不确定度优化与评估
•   4.1 光谱辐射计的波长定标
•     4.1.1 波长定标原理及流程
•     4.1.2 定标过程参数对精度的影响研究
•     4.1.3 定标方程拟合平差及波长定标精度评估
•   4.2 光谱辐射计的辐射定标
•     4.2.1 卤钨灯光源系统的参数模型
•     4.2.2 基于卤钨灯的光谱辐射定标系统的不确定度测试评估
•     4.2.3 光谱辐射计的辐射定标
•   4.3 综合各项关键误差特性对定标不确定度合成计算
•   4.4 本章小结
• 第五章 光谱辐射计的太阳辐射应用观测实验及比对评估分析
•   5.1 光谱辐射计的太阳辐射应用观测实验
•     5.1.1 太阳光谱辐照度的分量与地理参数之间的关系
•     5.1.2 太阳光谱辐照度与云的关系
•     5.1.3 太阳光谱辐照度数据的气象参数模型
•   5.2 光谱辐射计与日本EKO公司MS700的外场比对测试分析
•     5.2.1 与参考仪器性能指标的比对
•     5.2.2 与参考仪器测试数据的比对分析
•     5.2.3 比对测试结果讨论及偏差影响特性原因分析
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘丽莹

导师: 李野

关键词: 精密光谱辐射计,特性表征,不确定度,多维性,定标

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,仪器仪表工业

单位: 长春理工大学

分类号: TH765.2

DOI: 10.26977/d.cnki.gccgc.2019.000002

总页数: 149

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