一种用于UV-A、UV-B波段地基观测的光谱辐射计

　　0　引言

　　太阳紫外辐射对于人、动物、植物和高分子材料有多种作用,大多是损坏性的.一般将紫外辐射按波长分为紫外A(320~400 nm)、紫外B(280~320 nm)、紫外C(<280 nm),其中紫外C段由于几乎完全被臭氧层吸收而不能到达地面.到达地面的太阳紫外总辐射与大气中的臭氧总量、地球上的位置、一年中的不同时段、大气气溶胶、云、地表反照率等许多因素有关.正是因为太阳紫外辐射在生物学、医学、环境科学等方面具有重要作用,所以引起了各国广泛关注.美国、欧洲、加拿大、俄罗斯等地都建有固定的地基紫外辐射观测点,个别观测点有50多年的观测历史[ 1-5],同时随着TOMS、SBUV等空间遥感仪器的陆续上天,各国也纷纷开展了天基和地基紫外观测数据的比对[6-7 ].本文研制了一台250~400 nm波段的扫描式光谱辐射计,并在云南丽江开展了大气散射光谱辐亮度和太阳直射紫外辐照度观测实验.

　　1　仪器和定标

　　1.1　仪器性能及结构

　　设计的地基紫外光谱辐射计的光学结构如图1.它是一台能在250 nm~400 nm波段测量绝对光谱辐亮度和绝对光谱辐照度的扫描式光谱仪器,由定标光源、余弦漫射板、消偏器、调制器、光栅双单色仪、探测器、光度计、电控系统及接口电路等组成.扫描最小步长0.035 nm,波长重复性0.02 nm,波长准确度0.05 nm,杂散光小于4.5×10-6,辐亮度辐照度相对定标准确度2%.

　　进入仪器的入射辐射由于反射和散射的影响,具有一定的偏振性,因此在Lyot消偏器的基础上,设计研制了由两块楔角相同的楔形石英晶体构成的石英消偏器,用于降低光谱仪偏振响应度.紫外波段经过石英消偏器后,出射光的残余偏振度小于<3%.

　　采用Ebert-Fastie型光栅双单色仪,光栅双单色仪由球面准直-聚光镜、平面和屋脊转向镜、光栅及入射、出射和中间狭缝组成.为使结构紧凑、色散相加,亦为使两个单色仪的光栅可同轴驱动,在两个单色仪之间采用了屋脊反射镜和平面镜进行光学传递.所用光栅刻线为2 400 line/mm,表面镀Al+MgF2,210 nm处光栅效率高于30%.球面准直-聚光镜为融石英材料,镜表面镀Al+MgF2膜,160~400 nm波段镜面光谱反射率高于80%.用光学CAD软件(Code-Ⅴ)对这一光栅双单色仪进行复算、评价,得到单色仪光学系统固有特性对光谱分辨率的影响及实际输出的光谱带宽.单色仪光谱带宽Δλ可表示为：

　　它由单色仪的固有光谱分辨率Δλo和狭缝开启宽度所对应的光谱带宽Δλs决定.式中固有光谱分辨率Δλo可表示成:

　　式(2)中Δλ1,Δλ2,Δλ3和Δλ4分别代表光栅衍射分辨率、光学系统像差、谱线弯曲及加工误差对光谱分辨率的影响.狭缝宽度1.2 mm时光谱带宽340 nm处为0.89.