在当今的光学测量领域，精确测量整层大气透过率这一关键参数意义重大。它不仅在大气辐射研究里占据核心地位，还为环境遥感、天文选址等众多领域提供了重要的数据支撑。传统方式中，使用光谱测量仪测量整层大气透过率，是借助大气层外稳定的太阳作为辐射源，通过该设备测量经大气层衰减后的直接太阳辐射，进而计算出大气透过率。
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地基太阳辐射计技术已取得一定进展，像国产的DTF系列、日本的POM系列产品以及法国的CE - 318等。不过，这些现有产品普遍运用转台对太阳进行实时跟踪测量，且大多采用滤光片分光，致使测量波段相对较少。与地基定点测量相比，机载或船载等大范围的移动测量能较大提升空间分辨率，有效跨越地形障碍，基于时空变化所获取的数据具备较高的研究价值。
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尽管国外在机载太阳辐射计研究方面较为成熟，例如美国的AATS - 14和4STAR等，但其原理与地基设备类似，都基于转台跟踪来获取直射太阳光谱数据，并且需要将测量设备放置在飞机顶部专门开设的凹槽内，以获取宽阔开放的视场来跟踪太阳。这种方式不仅在机舱顶部开设洞口成本高昂，而且现有的地基设备结构强度以及太阳跟踪技术并不适用于机载测量环境。因此，研发一款适用于机载测量的低成本、高性能设备成为该领域的迫切需求。
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在此背景下，景颐光电积极创新探索，推出了一种基于光纤阵列式取样结构的解决方案。该方案摒弃了传统的转台跟踪方式，利用多根光纤视场角的拼接来实现全视场下的任意太阳位置光谱测量。这种设计使得整个设备可以做到无运动部件，不仅较大提高了设备的结构强度，还能有效解决平台运动状态下准确、稳定获取直接太阳辐射的难题。
光纤作为较为出色的传光元件，在这一系统中发挥着重要作用。它能以较低的损耗将输入光束传输至探测器单元，并且具有尺寸小、柔性好、易于安装和布线等诸多特点。而微型光谱仪凭借其体积小、较高灵敏度的特点，能够获取连续光谱数据，较契合机载条件下的光谱测量需求。将多根不同角度排列的光纤合束后接入微型光谱仪，便可以实时获取整个探测视场下的直接太阳辐射光谱数据。然而，由于太阳和光纤阵列探头的相对位置时刻在变化，导致平行太阳光束的方向与光纤头的轴线方向不固定，两者之间的夹角也随之不断改变。这一变化可能会对光谱测量仪采集的光谱数据产生影响，因此验证平行太阳光束在不同入射角下光谱数据的一致性成为确保实验数据准确性的重要环节。
为了实现移动平台下的直接太阳辐射测量，本系统采用了由20根不同朝向的光纤探头组成的光纤阵列来实现探测视场的拼接。在实际应用中，合束后的每根纤芯的出射光在横截面上的位置以及由角度变化引起的光纤出射光斑状态的变化，都可能对光谱测量仪的光谱强度和光谱信息产生一定的干扰。因此，深入研究和分析这些干扰因素对于提高测量的准确性非常重要。
从技术原理层面来看，光纤的传输性能对光谱测量仪的数据采集质量有着较大的影响。具体而言，光纤的传光特性不仅决定了进入光谱测量仪的光通量，还会对光谱成分信息造成干扰，进而影响反演结果的准确性。其中，影响光纤光谱测量仪探测效率和质量的重要因素主要包括光纤透过率以及焦比退化。
首先，光纤透过率主要受到光纤纤芯的材料吸收、光纤端面的菲涅尔反射损耗以及包层和纤芯之间的全反射损耗等因素的影响。这些因素的综合作用决定了光纤能够传输的光能量比例，从而直接影响光谱测量仪接收到的光信号强度。
其次，焦比退化是另一个重要的技术概念。光纤传输基于全反射原理，当光从光密介质传输到光疏介质时，若入射角大于特定的临界角，将发生全反射。该临界角取决于纤芯和包层的折射率差异，直接影响光纤的数值孔径（NA）。在理想直光纤中传输时，输入焦比等于输出焦比。然而，在实际应用中，光纤的弯曲、应力以及入射光状态等因素均可导致低角度入射时低阶模向高阶模的耦合，以及高角度入射时高阶模向低阶模的耦合，进而引发模式相互转化和能量转移。当高阶模偏离纤芯中心时，其能量会泄漏至包层，导致高阶模向低阶模的能量耦合小于反向过程，从而使得能量远离纤芯中心，造成出射光束的发散和光斑的弥散，最终导致光斑的焦比退化。此外，对于斜入射的光束，其光路轨迹是空间的螺旋折线，与光纤中心轴等距，这种斜入射光线的出射光对中心场强没有贡献，远场光斑会呈现环形斑。
综上所述，光纤出射光场的分布不仅与光路传输过程中光纤受到的应力、弯曲等因素密切相关，还取决于光线的入射状态，如耦合端面的入射光束与光纤轴线的角度。复杂的出射光斑会对光谱测量仪采集的数据质量产生不利影响，特别是在本系统中，使用光纤阵列探头采集太阳平行光时，各个光纤的数值孔径下平行光的入射角各不相同，且光纤布局过程中不可避免地会导致光纤产生弯曲，太阳直接辐射经过光纤引起的出射光斑状态改变必然会对光纤光谱测量仪采集的数据造成一定干扰，降低光谱测量的准确性。
为了深入研究和分析这些问题，我们开展了一系列实验，并对实验结果进行了详细的讨论。
在光纤角度实验中，我们搭建了一套专门的实验系统，该系统由卤素灯、平行光管、旋转平台、400um芯径的光纤以及CCD相机组成。卤素灯发出的光束经过平行光管后被准直为平行光，通过旋转平台可以精确控制平行光与光纤轴线的夹角。在光纤尾端，使用CCD相机拍摄光纤的出射光斑。实验结果表明，随着入射角度的增大，出射角度也相应变大，光斑逐渐扩散，并且在入射角为4度时会出现明显的环状，这与我们之前的理论分析结果较为一致。
在光谱测量仪稳定性测试方面，我们首先需要衡量不同角度下的光谱数据一致性，因此对光谱测量仪的稳定性进行了测量。在本实验中，我们选用了景颐光电的HS2000PRO光纤光谱测量仪。这款光谱测量仪采用高灵敏度背照式CCD以及双闪耀光栅设计，具有测试灵敏度较高、波长范围宽广（适用于200 - 1100nm光谱的检测应用）、在紫外可见近红外都具有较高的量子效率以及检测速度较快等较多特点，较适合用于弱光检测、透光率检测、反射率检测、吸光度检测、荧光检测等多种应用场景。同时，其体积小（尺寸仅为146 * 115 * 47mm）、灵敏度较高（适合较弱光检测）、稳定性较高（适合长期在线检测）以及使用滨松背照式CCD，感光强度较强且具有较小的噪音等特点，使其成为本实验的合适选择。
我们利用积分球提供均匀性和稳定性良好的光源，将光纤光谱测量仪与积分球相连，整个系统保持固定，在曝光时间为8ms的条件下分别采集20组光谱数据。数字量化值（DigitalNumber，DN）是光谱测量仪在测量过程中所得到的一种数字表示，它代表了光谱测量仪探测到的光强度或光信号的强度，是通过光谱测量仪的传感器探测到的光信号经过转换后生成的数字信号。通过利用特定的公式（式（5））计算各个波长下的非稳定度来表征光谱测量仪的稳定性。实验结果显示，在等待标准光源预热15分钟并稳定以后，每隔2秒采集一次光谱，连续采集的20组光谱基本重叠，形状基本一致。进一步计算得到的不稳定度结果表明，在600nm波段附近，不稳定度最低，在0.02左右，而在450nm到850nm处的不稳定度均在0.06以下，能够证明该光谱测量仪具有良好的稳定性。
在光纤光谱测量仪角度实验中，我们深入研究了平行光在不同入射角度下的出射光斑状态对光谱测量仪响应谱线的影响。如前文所述，弯曲光纤状态下不同的入射角度会导致出射光束发散和光斑弥散。在本系统中，利用光纤阵列探头采集太阳直接辐射时，同一时刻下的太阳光入射到每根光纤的角度不同，不同时刻入射到同一根光纤的角度也不同。在光谱测量仪内部，光纤的出射光束经过狭缝后光通量会有衰减，并且不同入射角下光束进入狭缝后具有不同的发散角度和光强分布。
光谱测量仪的光学系统结构主要包括狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵探测器等元件。经过准直、色散、聚焦等光学处理后，相同波长的光信号落点可能不同，从而导致光谱测量仪采集到的谱线结构分布存在差别。
为了具体模拟不同入射角度的太阳平行光对于光纤光谱测量仪的影响，我们搭建了专门的实验系统。该实验系统由卤素灯、平行光管、旋转平台、光纤阵列中的单根光纤以及光谱测量仪组成。平行光管发出的平行光束经过光纤后被光谱测量仪接收，在实验过程中，通过旋转平台改变入射光束与光纤轴线的夹角，并采集当前角度下的光谱信号。
对采集到的数据进行分析后发现，光谱测量仪采集了入射角在0度到24度的光谱数据，随着角度的增大，谱线强度会有所下降。这主要是由于两个方面的原因：一方面，随着入射角的增大，进入光纤的光通量减少；另一方面，光谱测量仪的狭缝进一步使得光通量衰减。为了比较各个角度下的光谱形状，我们使用相邻平均的方法将谱线平滑后再进行数据峰值归一化，得到的谱线分布结果显示，不同入射角度下的归一化后的光谱形状基本一致。
为了更准确地表征各个入射角度下采集到的光谱形状的差别，我们再次利用式(5)来计算归一化后的光谱的不稳定度。计算结果表明，在475nm - 750nm波段不稳定度在0.06以下，在450nm - 475nm和750nm - 800nm波段的不稳定度都在0.1以下。相比于正入射，斜入射的光谱信号强度有所降低，这是因为信噪比降低会导致测量误差增大，从而使得光谱左右两端的不稳定度较高。然而，总体而言，我们可以判断出光纤入射角度对光谱测量仪采集的光谱信息干扰很小，不会影响光纤阵列获取直接太阳辐射的数据准确性，初步验证了光纤阵列式探测方法的可行性。
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综上所述，通过利用多根光纤视场角拼接的方法组成光纤阵列探头对直接太阳辐射进行取样，我们能够测量经过大气衰减后的直接太阳辐射光谱数据。尽管在测量过程中入射光角度会引起光纤出射光斑状态的变化，导致光束发散、光斑弥散，进而可能对光谱测量仪测量的光谱数据造成一定干扰，但通过实验研究发现，在经过数据平滑、归一化处理后，入射角度并不影响光谱数据的一致性，在波长475 - 750nm内，光谱数据的不稳定度在0.06以内。与国外传统的跟踪测量方法相比，无运动部件的光纤阵列探头能够在复杂运动状态下的移动平台上获取稳定的直接太阳辐射。这一研究成果不仅为机载太阳辐射计的发展提供了新的思路和方法，也为实现宽光谱波段内的整层大气透过率测量奠定了良好的基础。在未来的研究中，我们将持续探索，开展单个波长透过率的标定工作，以实现更精准的整层大气透过率测量，为相关领域的研究和应用提供更可靠的数据支持。
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