新型的四位一体 FNP-3新型净全辐射表

    在地面观测中，土壤气象中的蒸发散研究；气象学中的辐射平衡研究；辐射能量应用中的辐射热量交换研究及高速路况监测都离不开净全辐射的测量。
    对于全波辐射的测量，包括来自太阳的短波辐射（0.3-3µm）和来自地球与大气的长波辐射（3-100µm）两部分。用于测量全波辐射的仪器是全波辐射表。这种全波辐射表可以测量向上的或向下的辐射通量分量，成对使用可以测量两者之间的差值即为净全辐射。
    目前，我国使用的净全辐射表测量的准确度远不是令人满意。由于现有的净全辐射表的设计是用上下两个感应面，长短波灵敏度的一致性很难控制，再加之净全辐射表的聚乙烯薄膜易老化变质，经常被鸟啄，特别容易进水，经常出现感应面脱落和热电堆线圈断裂等现象。所以测量精度很难满足要求。仅08年的统计，在返修的各种辐射表中80%是净全辐射表。多半是由于表内进水后，感应面脱落，有的被鸟啄后热电堆断开。如果修理，就得更换两个热电堆，再进行调试，相当于组装一台新的净全辐射表。如果采用长波辐射表测量就解决了上述问题，而且，世界上有些国家采用的是两个长波辐射表和两个短波辐射表进行测量净全辐射。到目前为止我国一直没有长波辐射测量的资料，即使有人研究过，也是利用公式计算出来，其数据很难令人相信，如果采用进口的长波辐射表进行测量，价格又极其昂贵，所以我国自己研制长波辐射表势在必行。
    经过多年的实验及应用，华创维想研制了一种长波辐射表又称地球辐射表。该表的多项技术指标都已接近在世界范围内具有一定影响力的Kipp&Zonen公司生产的长波辐射表的技术要求，这种长波辐射表主要用于测量来自大气和地面的长波辐射。（如图1）

图1

主要特性：
    1）对波长3.7-50µm红外辐射的敏感性较强。
    2）硅罩发热影响误差较小。
    3）180°的视角，余弦响应误差小。
    4）减小环境影响，涂有类似钻石涂层作为保护层。
    5）有较好的稳定性，与Kipp&ZonenCG4的测试曲线接近。

一、关键技术：

    长波辐射表*关键的技术在于它的滤光片的选择。*早我国也曾经研制过长波辐射表，但由于选择的是半球形的滤光罩，从镀膜技术来讲，在半球内壁沉积的滤光层均匀性差，在高度角低于30°时，比模拟辐射通量的方法更不准确。另外长波辐射表测量的主要误差是由罩体的放热造成的。当传感器受到阳光照射时，由于吸收了太阳的辐射，使罩体放热，因此这种类型的传感器外罩的放热量与太阳的辐射量成比例变化。罩体的温度通过辐射热传递到传感器，影响到热电堆的输出电压值，这种误差称之为“罩体发热偏移”，它直接会引起长波辐射测量值的增大。靠通风很难减少这种偏差。实验证明，在晴朗的天气，通风*大只能冷却掉50w/m²/c°，而传感器却以500w/m²的速度吸收太阳能。通常的方法是在罩体内放置1到2个热敏电阻，用以测量罩体的**温度，通过复杂的计算消除这种偏差。但是专家们对测量罩体温度的热敏电阻也有争议，因为热敏电阻本身也是一个发热源。所以如果能通过一种方法，阻止外罩的热传递，并能将其吸收的热量有效地散发掉，那会大大地提高仪器的测量精度。
    对于国外的仪器我们做了认真的剖析，多次试验，*后选择使用一种弧形硅制外罩，其视角可达180°，硅罩内表面采用真空沉积的干涉滤光膜，和典型的半球罩相比，这种弧形罩的特点是涂层均匀性好于半球形。该滤光罩能透过光谱范围在3.7-50µm。波长的红外射线（如图2）

图2

二、长波辐射表的结构原理：

    该表由硅制弧形滤光罩、感应元件（热电堆）、热敏电阻、表体、避光板、干燥剂窗口等部件组成。（如图3）

图3

    感应元件由快速响应的绕线电镀式多结点热电堆组成，感应面涂有进口高吸收无光黑色涂层，吸收辐射能，产生的热量通过热电阻，使热电堆温度变化转化为电压信号。
    HSC-HTL-2长波辐射表的腔体内将一热敏电阻嵌入热电堆边缘冷结电处，以便监测表体内的温度。
    为了减小长波辐射表的温度系数，在机体内增加一个温度补偿线路，以减小温度变化对输出电压的影响。

三、长波辐射表的测量原理：

    该表的感应元件（热电堆），在接收太阳的辐射后，就可以通过向相对较冷的空间散失热能而进行辐射。因此，辐射传感器的信号就是大气长波向下辐射和辐射传感器向上辐射的温差电势。
    向下的大气长波辐射的测量。首先要了解：热电堆的输出电压V（µv），传感器温度T_d，以及长波辐射表的灵敏度系数（µv•w^-1•m²）。大气向下的长波辐照度用下面公式表示：
    E_i↓=v/k+5.6697×10^-8×T_d⁴(此公式1996年，由世界气象组织制定)
    式中E_i↓是长波辐照度（w•m^-2），V是传感器的输出电压，K是长波辐射表自身的灵敏度系数。V/K是热电堆接收到的辐射量。
    为了减小长波辐射表的温度系数，在机体内增加了温度补偿线路，以减小环境温度的变化对长波辐射表输出电压的影响。
    08年，我们将研制的长波辐射表与Kipp&Zonen公司生产的CG4同时放在室外的平台上进行对比观测。在不同的测试时间，不同的温度下，晴天辐照度＞800w/m²，多云、阴天的情况下，分别做以比较，并把测试结果以曲线的形式表示。如图4所示。（曲线图）

图4-1

图4-2

    从图中曲线中可以看到，测试结果比较接近。
    目前，国际上都是采用长波辐射表测量红外辐射，并用两个长波辐射表与两个短波辐射表共同完成净全辐射的测量。所以我们提议采用长波辐射表取代薄膜净全辐射表。这是提高我国辐射观测质量及与世界同步起到不可低估的作用。
    在完成研制长波辐射表的基础上，华创维想又研制了一种四位一体的净全辐射表（如图5）主要由两个长波辐射表和两个短波辐射表组成。它可以完成总辐射、反射辐射、长波辐射、长波反辐射、全波辐射、净全辐射等测量。这种仪器的*大特点是可全天候使用，免维护。如果采用这种仪器测量净全辐射，精度可大大地得到提高。