引言

地球辐射表的透过长波截止短波的滤光罩是该仪器的关键部件.除了添加测量温度的热敏电阻、辐射补偿电路和单罩与双罩在结构上的差异外, 其他方面与总日射表并无不同.

在开始研制地球辐射表的滤光罩时, 原则地提出几项技术指标: ①短波端的截止波长为3~4 μm, 截止曲线的陡度越陡越好; ②透过长波的波长范围 > 50 μm; ③整个透射曲线的透射比越高越好.

研制出来的滤光罩与其他部件组合成的地球辐射表, 经与Eppley地球辐射表平行观测表明, 除灵敏度略低外, 其余性能未显异常.

1 透射比定义

透射比可具体地区分为光谱透射比、平均透射比和有效透射比3种.

(1)

(2)

有效透射比:

(3)

其中E_λ^*为波长λ的透射辐射能通量, E_λ为波长λ的入射辐射能通量.

由此可知, 光谱透射比是所有透射比的基础.平均透射比实际上是某一波段光谱透射比的算术平均值, 它可供对同一类型的滤光器进行比较.至于有效透射比, 由于与所用辐射的光谱范围和分光辐射能的分布有关, 因而更能反映滤光器在具体应用场合的透射情况.

2 有效透射比的计算方法

在太阳辐射研究中, 我们曾采用“三片法”对滤光器进行了直接测定^[1~3], 但对于本滤光器来说, 则无法实测.因为: ①无法制作出3片完全一致的滤光器; ②红外辐射源与日射源的最大不同就在于其无处和无时不在, 易产生干扰; ③红外光谱辐射的能量极弱, 难于测准.所以, 唯一方法就是通过透射比的计算, 评估滤光器的性能.

在有效透射比的计算中, 大气辐射的分光辐亮度值可利用LOWTRAN 7软件得出.由于向下的大气辐射光谱辐亮度的角度分布存在着一定的各向异性, 所以在对天顶角进行积分的过程中, 采用了数值计算.

滤光罩的光谱透过比是借助北京卫星制造厂理化实验室从美国BIO-RAD公司进口的FTS-175型傅利叶红外光谱仪测量的.该红外光谱仪采用特殊全密封防潮设计, 抗震隔热, 使用中无需调整, 其光谱范围分为:近红外段7000~400 cm^-1 (1.42~25 μm) 和远红外段500~130 cm^-1 (20~76 μm).光学分辨率优于0.5 cm^-1.每个测量值实际是100个光谱的平均值, 每个完整的光谱共含1340个波段的透射比值 (参见图 1).

半球向大气辐亮度值, 采用低分辨率的LOWTRAN 7^[4]计算, 其最小间隔为5 cm^-1.在需要的波段内, 共计含有675个计算点.为了使之与实测光谱透射比相互匹配, 对1340个光谱透射比进行了相应的平均.

计算中, 我们选取了0°、30°、45°、60°、80°和90°天顶角, 主要为了便于与文献[5]相比较.

3 计算结果及与Eppley PIR的比较

表 1~4给出运用上述方法计算透射比的结果.从表 1可知, 在平均透射比的计算中, 波长范围的选取是有讲究的.由于每个滤光罩的起始和终止波长不同, 如硬性规定波段范围, 势必导致平均透射比的改变.表 1中130 cm^-1~a (透射比为1%处的波数) 的波段范围限定起始波长, 400~3500 cm^-1限定终止波长, 130~3500 cm^-1则未加任何限制, 它们的结果不相同.就滤光罩来说, 限定起始波长是必要的, 否则起始计算的波长距开始透过的波长越远, 给有效透射比的计算带来的影响也将越大.不管按照哪一种的计算结果, 国产罩透射比的最大差异均在17%左右.由此可知, 滤光罩间是没有互换性的, 也就是说, 一台仪器如换了滤光罩, 则必须对其重新检定.

表 2中所列数据是国产罩在不同的模式大气下的有效透射比.与表 1比较可见, 它们之间有对应关系.有效透射比较平均透射比偏大4%~5%.不同模式大气下有效透射比的差异大于滤光罩间的差异.另外, 每个滤光罩在不同大气下的有效透射比与该大气中的水汽含量及半球向辐照度之间存在着良好的相关 (表 3).根据文献[5]对8个Eppley罩的分析, 8个罩中同样没有互换性; 罩之间透射比的差异可达20%以上.另外, 他们根据透射情况, 将8个Eppley罩分成了两个组:即No.1~No.4和No.5~No.8.

图 2给出Eppley罩No.8和No.4的实测光谱透射比.No.4曲线大约在2800 cm^-1处开始抬升 (此外f≠0), 2400 cm^-1处达到20%, 透射的总体水平大体维持在40%;而No.8曲线在3500 cm^-1处透射比已近14%, 然后缓慢抬升, 至2800 cm^-1处才达到20%, 透射的总体水平大体维持在30%.由此可见, No.5~No.8这一组罩显然不符合截止区在3~4 μm和越陡越好的要求.而国产罩则比较符合 (图 1和表 4), 总体透射水平也较高.

为了便于比较, 现将文献[5]的结果集中地列于表 5, 将其与表 1对照, 不难看出国产罩的平均透射比均高于Eppley罩近10%.

国产罩的有效透射比显然要比Eppley的高 (见表 3).但需要指出的是: ①文献[5]所用滤光罩光谱透射比的实际测量范围仅限于3333~400 cm^-1 (3~25 μm), 而计算辐亮度的波长范围则是3390~110 cm^-1 (2.95~90 μm), 这种波段范围上的不匹配是如何处理的, 文献[5]未加说明.为了进行比较, 我们先按照3333~400 cm^-1范围内的数据计算了半球向辐照度, 这就是表 2中的F^**与F^*的数据相对照, 不难看出, 结果相差甚远.因此, 我们放弃了按3333~400 cm^-1范围进行计算的打算; ②利用LOWTRAN 7计算的辐照度值大多比文献[5]的低, 但也不尽然, 例如亚极地冬季模式大气下的数值反而比Eppley滤光罩的高, 且它们的差值似乎与模式大气中的水汽含量有关, 水汽含量越高, 差值也越大; 反之亦然, 甚至为负值.形成这些差异的原因, 看来只能从辐射计算软件本身对大气中各种成分的吸收、辐射和散射的方式不同去寻找; ③计算结果还表明, 模式大气对有效透射比的影响大于文献[5]所给出的.这从每个罩的标准偏差项也可看出 (表 2).对于文献[5]所给出的标准偏差过小, 我们是有疑问的, 因为即使是透过曲线相当平整的锐截止型有色光学玻璃滤光片, 在不同的模式大气下, 其差异也不会如此小; ④在探讨每个罩的有效透射比与半球向辐照度和水汽含量的相关性方面, 文献[5]得到的相关系数之所以那么差, 甚至出现反号现象, 我们认为, 也与不同模式大气下的有效透射比差异小, 拉不开档次有关.

4 结论

(1) 国产长波辐射滤光罩的透射情况, 无论是有效透射比还是平均透射比均不差于Eppley滤光罩, 具体指标甚至有所超过;

(2) 无论是国产的还是Eppely的滤光罩, 由于每个罩的干涉膜都是单个制作的, 因此个体差异较大, 罩间无互换性;

(3) 今后再生产滤光罩时可提出具体的技术性能指标, 以减少生产中的盲目性和提高滤光罩的质量;

(4) 如欲减少有效透射比受大气中水汽含量的影响, 可因地或因时制宜地使用相应的有效透射比来减少其影响, 当然, 这也仅能部分减少, 因为频繁地改变仪器的有效透射比较难, 何况大气中的水汽含量又变化多端.