蘇拾 ，張國玉 ，王凌云 ，付蕓

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林省光電測控儀器工程技術(shù)研究中心，長春 130022 ）

氣象輻射計量儀表是一種用來記錄某區(qū)域地面接收太陽輻照能量多少的氣象監(jiān)測設(shè)備，為氣象預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警以及全球氣候變化預(yù)測提供至關(guān)重要的分析數(shù)據(jù)。我國作為世界氣象組織的一員，太陽總輻射表（簡稱總表）質(zhì)量的高低反映出我國氣象觀測的水平。

氣象輻射計量檢測用太陽模擬器能夠在室內(nèi)提供模擬的太陽光，配合多自由度運動平臺完成總表的余弦、方位響應(yīng)誤差、傾斜誤差、非線性誤差及響應(yīng)時間的測試［1］。雖然目前已經(jīng)成功研制了多種型號的太陽模擬器，但用于氣象輻射計量儀表測試用的太陽模擬器還很少見，對其技術(shù)指標(biāo)也提出了特殊的要求，如表1所示。太陽模擬器工作性能的好壞直接影響檢測的準(zhǔn)確性，對其性能的研究對提高我國氣象輻射計量儀器的檢定水平具有重要的現(xiàn)實意義。

表1 氣象輻射計量檢測用太陽模擬器技術(shù)指標(biāo)要求

1 氣象計量用太陽模擬器組成與工作原理

太陽模擬器主要由太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)和氙燈電源及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 太陽模擬器結(jié)構(gòu)組成

光學(xué)系統(tǒng)主要由氙燈、聚光鏡、平面反射鏡、光學(xué)積分器、視場光闌、濾光片、準(zhǔn)直物鏡和衰減片等組成，用于輸出具有一定輻照強度和輻照特性的模擬太陽光［2］；機械系統(tǒng)主要由氙燈調(diào)整機構(gòu)，聚光鏡調(diào)整機構(gòu)、反射鏡調(diào)整機構(gòu)、散熱片、鏡筒、殼體和底座等組成，固定安裝及調(diào)整各光學(xué)元件相互位置，充分發(fā)揮太陽模擬器的使用性能；風(fēng)冷系統(tǒng)用于冷卻氙燈和各光學(xué)元件，確保其處于正常的工作環(huán)境中，主要由軸流風(fēng)機、鼓風(fēng)機和散熱風(fēng)道組成；由主回路、控制回路和氙燈觸發(fā)電路等組成的氙燈電源為氙燈提供高穩(wěn)定度電源，并可對輸出光輻照強度進行調(diào)節(jié)。

圖2 太陽模擬器工作原理

工作原理如圖2所示，采用光譜與太陽光譜十分接近的氙燈作為光源。聚光鏡將第一焦點處氙燈發(fā)出的光通量會聚到第二焦點，形成一個對稱的高斯輻照分布，這個分布并被光學(xué)積分器各元素通道的分割、疊加成像，進行均勻化處理。然后經(jīng)視場光闌、濾光片、準(zhǔn)直物鏡和光學(xué)衰減片后以平行光射出，在檢測工作面上形成一個口徑為φ200mm的均勻圓形輻照光斑，可同時對兩塊輻射儀表進行檢測［2-4］。濾光片對氙燈光譜進行修正，使之更加符合太陽光譜；光學(xué)衰減片在不改變氙燈工作條件可降低輻照強度，通過調(diào)節(jié)氙燈電源功率可獲得檢測需要的輻照強度。

2 太陽模擬器性能測試與分析

2.1 測試儀器及環(huán)境

光譜匹配度、輻照度、輻照不穩(wěn)定度、輻照不均勻度和準(zhǔn)直性是氣象輻射計量檢測用太陽模擬器關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，是衡量其性能的標(biāo)準(zhǔn)。

性能測試主要使用的儀器有荷蘭AvaSolar-1型便攜式光纖分光輻射儀、瑞士FS-PE型熱電型標(biāo)準(zhǔn)太陽總輻射表、美國Keithley儀器公司的2000-20型數(shù)據(jù)采集器、萊卡TM5100光電經(jīng)緯儀、五棱鏡等。為了防止雜散光和周圍環(huán)境的干擾，需在恒溫暗室中測量，且室內(nèi)溫度20℃左右，且通風(fēng)良好。

2.2 光譜匹配度測試與性能分析

（1）測試方法

氙燈點亮后，將光纖分光輻射儀探頭安裝在距離準(zhǔn)直透鏡1000mm的工作面上，正對輻射方向，記錄0.3～1.1μm波長范圍內(nèi)光譜分布曲線。

（2）性能分析

盡管氙燈光譜十分接近于真實太陽光譜，但在近紅外波段（0.8～1.1μm）區(qū)域存有偏離太陽光譜的輻射次峰［5］，因此通過選擇Al2O3、SiO2和H4三種薄膜材料真空鍍膜的方法，研制0.3～1.1μm波段內(nèi)的濾光片，對短弧氙燈光譜進行了校正［6］，濾光片透過率測試曲線如圖3所示。

圖3 光學(xué)濾光片透過率曲線

將氙燈光譜和安裝濾光片后光譜進行對比分析，如圖4所示。

圖4 光學(xué)濾光片安裝前后光譜對比

可見濾光片有效地將0.8～1.1μm波段內(nèi)的輻射次峰消除掉，校正后光譜匹配度符合AM1.5太陽光譜的A級匹配標(biāo)準(zhǔn)［7］。

2.3 輻照強度及其調(diào)節(jié)范圍測試與性能分析

（1）測試方法

使用已標(biāo)定好的靈敏度為9.36mv/Wm-2的標(biāo)準(zhǔn)太陽總輻射表作為輻照度檢測儀器。將標(biāo)準(zhǔn)總表水平放置輻照面上，其感應(yīng)面正對輻照方向，調(diào)節(jié)氙燈電源功率分別至最低與最高，由數(shù)據(jù)采集器采集標(biāo)準(zhǔn)總表電壓值，并由上位計算機記錄并存儲。

（2）性能分析

電壓值經(jīng)靈敏度換算后得到輻照度為94.26 W/m2和1319.61W/m2，滿足輻照度及調(diào)節(jié)范圍要求。

2.4 輻照不穩(wěn)定度測試與性能分析

（1）測試方法

同樣將標(biāo)準(zhǔn)總表放置在輻照區(qū)域內(nèi)，啟動氙燈電源，調(diào)節(jié)功率至2652W，標(biāo)準(zhǔn)總表輸出電壓9.36mv，對應(yīng)的輸出輻照度1000W/m2。由數(shù)據(jù)采集器每分鐘采集10個電壓值，取其平均值作為測試結(jié)果，由計算機記錄并存儲從電源啟動到關(guān)閉2小時內(nèi)的數(shù)據(jù)。為了防止雜散光影響，需將標(biāo)準(zhǔn)表上除玻璃泡殼外用黑布遮蓋，并在暗室內(nèi)測試。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表的換算單位為9.36mv/Wm-2，輻照不穩(wěn)定度可根據(jù)下式計算：

（2）性能分析

記錄的測試數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 2h內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表輸出值變化曲線

可觀察到氙燈點燃后0～20min時間內(nèi)輻照急劇上升，穩(wěn)定性差；20～50min輻照穩(wěn)定較好，但在50min后，輻照度值發(fā)生整體性漂移，漂移后繼續(xù)趨于穩(wěn)定。

由于氙燈屬于惰性氣體電離放電產(chǎn)生氙弧發(fā)光，需要高電壓點火強電流工作［7］，開始階段電學(xué)參數(shù)變化較大，導(dǎo)致氙燈氙弧晃動。工作一段時間后，氙弧流動方向受外界強電流不斷趨于一致，光強趨于穩(wěn)定。但工作到約50min后，氙燈電學(xué)參數(shù)受環(huán)境溫度等因素的影響，輸出輻照度較前一段時間有漂移，但漂移量不是很大尚在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。取氙燈穩(wěn)定工作的20～120min中記錄的最大和最小輸出電壓9.46mv和9.28mv，根據(jù)公式（1）計算輻照不穩(wěn)定度為0.96%，滿足指標(biāo)要求。

另外技術(shù)要求輻照度在100～1250W/m2連續(xù)可調(diào)，因此對100～1200W/m212個檔次的輻照不穩(wěn)定度進行了測試，變化曲線如圖7所示。

圖7 不同輻照度下的不穩(wěn)定度變化曲線

可見輻照度小于400W/m2時不穩(wěn)定度超出±1%性能指標(biāo)，主要因為氙燈電源輸出功率太小，超出氙燈的額定電壓和電流，導(dǎo)致氙燈閃爍性明顯。為此考慮采取光學(xué)衰減片降低輻照強度，使氙燈在正常工作條件下調(diào)節(jié)發(fā)光強度。

圖8 光學(xué)衰減片透光率曲線

分別采用了特殊晶體吸收衰減或?qū)κ⒉Ａу儨p透膜衰減的方法。采用晶體吸收方式衰減時，由于晶體內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均勻往往導(dǎo)致炸裂，所以采用耐熱性較好的石英玻璃鍍減透膜對輻照強度進行衰減，其光學(xué)衰減片透過率曲線如圖8所示。

調(diào)整氙燈功率使其輸出輻照度1000Wm-2，安裝上衰減系數(shù)T=0.4的光學(xué)衰減片，測試輻照強度100～400W/m2的不穩(wěn)定度如表2所示。

表2 100～400Wm-2輻照不穩(wěn)定度測試結(jié)果

安裝衰減片后低輻照度的穩(wěn)定性明顯得到改善。

2.5 輻照不均勻度測試與性能分析

（1）測試方法

點燃氙燈待工作穩(wěn)定后調(diào)節(jié)電源功率至2652W，對應(yīng)輸出輻照度為1000Wm-2。標(biāo)準(zhǔn)總表放置在輻照光斑中心，調(diào)整使其感應(yīng)面水平正對輻射方向，避免傾斜引起的測量誤差。用標(biāo)準(zhǔn)總表測試以輻照光斑為中心的φ30mm、φ60mm、φ100mm、φ 150mm、φ170mm和φ200mm圓周上八等分點的輻照度值，結(jié)果由數(shù)據(jù)采集器采集并存儲到計算機中。避免雜散光對測試影響，除保護玻璃外其余用黑布遮蓋。

由標(biāo)準(zhǔn)表的換算單位為9.36mv/Wm-2，輻照不穩(wěn)定度可根據(jù)下式計算：

（2）性能分析

根據(jù)上述方法得到的輻照光斑內(nèi)輻照度測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 輻照光斑內(nèi)輻照度測試結(jié)果

對測試的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以四種分別為沿米字線方向，在不同半徑位置對應(yīng)的相對照度變化的曲線觀測工作面上的輻照均勻性，如圖10所示。

圖10 輻照光斑內(nèi)相對照度分布曲線

可見相對照度從中心至邊緣逐次降低，φ100mm圓內(nèi)相當(dāng)照度分布曲線趨于平緩；但在φ100～200mm圓曲線突然變陡，尤其邊緣變化明顯。分析原因主要是輻照能量成高斯分布，雖然光學(xué)積分器可較好對輻照分布進行均勻化處理，但中心點高輻照度值影響較大，所以在測試中采用對氙燈離焦和光學(xué)積分器投影鏡組離焦等方法降低中心高亮度。

應(yīng)用Lighttools軟件對氙燈處于離焦?fàn)顟B(tài)時第二焦面處輻照度分布進行仿真分析時發(fā)現(xiàn)：氙燈向上離焦時光能量匯聚能力降低，第二焦面邊緣處輻照度有所分散，有助于提高均勻性的，但光學(xué)效率下降照度值變??；當(dāng)氙燈向下離焦時，光能量匯聚能力提高，第二焦面處照度增加，光束能量集中并且比較均勻地充滿整個光學(xué)積分器入瞳，有效地提高最終輻照均勻性。

為了縮短光學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸，不得不加大積分器的相對孔徑，導(dǎo)致積分器的球差較大和對稱光通道內(nèi)的光線在輻照面內(nèi)成像高度不一致，輻照面邊緣處成像光線離散尺寸較大。因此縮短場鏡組和投影鏡組之間的間隔，使投影鏡組離焦可明顯減小這種離散尺寸，以改善均勻度。當(dāng)場鏡和投影鏡的間距為L時，積分器邊緣光通道和中心光通道在輻照面中心處成像光線離散尺寸相等且最大，在輻照面邊緣成像光線離散尺寸最小且相等。這種輻照面中心到邊緣成像光線的離散尺寸由大變小，顯然對均勻度是有利的［9，10］。根據(jù)公式（2）不同圓形區(qū)域內(nèi)的輻照不均勻度如表3所示。

表3 不同區(qū)域輻照不均勻度測試

φ100內(nèi)均輻照不均勻度小于1%，φ200內(nèi)小于2%滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.6 光束準(zhǔn)直性測試與性能分析

（1）測試方法

通常使用五棱鏡與自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀組合測量太陽模擬器光束準(zhǔn)直角。首先關(guān)閉太陽模擬器的氙燈，然后使用普通光源照亮光學(xué)積分器及視場光闌，再將五棱鏡放置于工作臺面上，同時在垂直于準(zhǔn)直物鏡光軸方向放置瑞士萊卡自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，其測量原理如圖11所示。調(diào)整經(jīng)緯儀方位和俯仰角度對準(zhǔn)太陽模擬器光闌邊緣，記錄下角度值，即可計算出光束準(zhǔn)直角。

圖11 光束準(zhǔn)直性測試原理

（2）性能分析

根據(jù)上述測試方法，分別記錄水平和垂直方向下經(jīng)緯儀的讀數(shù)，計算出兩次所測數(shù)值之差即為太陽模擬器光束準(zhǔn)直角，如表4所示，光束準(zhǔn)直角測量值都小于±1°，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 光束準(zhǔn)直性測試

3 結(jié)論

通過大量的試驗對太陽輻射總表檢測用太陽模擬器的性能指標(biāo)進行了質(zhì)量考核。闡述了測試過程并根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)存在的問題及缺陷，并在此基礎(chǔ)上尋求解決辦法。通過對太陽模擬器性能測試與分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）采用濾光片可以很好的對其氙燈光譜進行修正，與A級AM1.5太陽光譜相匹配。

（2）采用光學(xué)衰減片在保證氙燈正常工作的情況下，可降低輻照強度使輻照度有更大的調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定性。

（3）通過對氙燈離焦和光學(xué)積分器投影鏡組離焦等方法降低中心高亮度，可提高輻照面均勻性。

測試結(jié)果表明研制的太陽模擬器在Φ200mm的有效輻照面內(nèi)，光譜相匹配度達到AM1.5中A級標(biāo)準(zhǔn)，輻照強度在100～1250W∕m2連續(xù)可調(diào)，輻照不穩(wěn)定度：±1%，輻照不均勻度在Φ100mm和Φ200mm范圍內(nèi)分別達到±1%和±2%能夠滿足氣象輻射計量儀器測試使用要求。

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