氣象輻射計(jì)量檢測(cè)用太陽(yáng)模擬器性能分析

蘇拾 ，張國(guó)玉 ，王凌云 ，付蕓

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

氣象輻射計(jì)量?jī)x表是一種用來(lái)記錄某區(qū)域地面接收太陽(yáng)輻照能量多少的氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，為氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警以及全球氣候變化預(yù)測(cè)提供至關(guān)重要的分析數(shù)據(jù)。我國(guó)作為世界氣象組織的一員，太陽(yáng)總輻射表（簡(jiǎn)稱總表）質(zhì)量的高低反映出我國(guó)氣象觀測(cè)的水平。

氣象輻射計(jì)量檢測(cè)用太陽(yáng)模擬器能夠在室內(nèi)提供模擬的太陽(yáng)光，配合多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shí)間的測(cè)試［1］。雖然目前已經(jīng)成功研制了多種型號(hào)的太陽(yáng)模擬器，但用于氣象輻射計(jì)量?jī)x表測(cè)試用的太陽(yáng)模擬器還很少見(jiàn)，對(duì)其技術(shù)指標(biāo)也提出了特殊的要求，如表1所示。太陽(yáng)模擬器工作性能的好壞直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)其性能的研究對(duì)提高我國(guó)氣象輻射計(jì)量?jī)x器的檢定水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 氣象輻射計(jì)量檢測(cè)用太陽(yáng)模擬器技術(shù)指標(biāo)要求

1 氣象計(jì)量用太陽(yáng)模擬器組成與工作原理

太陽(yáng)模擬器主要由太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)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(yáng)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(chǎng)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(qiáng)度和輻照特性的模擬太陽(yáng)光［2］；機(jī)械系統(tǒng)主要由氙燈調(diào)整機(jī)構(gòu)，聚光鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)、反射鏡調(diào)整機(jī)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(yáng)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(jī)、鼓風(fēng)機(jī)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(duì)輸出光輻照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 太陽(yáng)模擬器工作原理

工作原理如圖2所示，采用光譜與太陽(yáng)光譜十分接近的氙燈作為光源。聚光鏡將第一焦點(diǎn)處氙燈發(fā)出的光通量會(huì)聚到第二焦點(diǎn)，形成一個(gè)對(duì)稱的高斯輻照分布，這個(gè)分布并被光學(xué)積分器各元素通道的分割、疊加成像，進(jìn)行均勻化處理。然后經(jīng)視場(chǎng)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(cè)工作面上形成一個(gè)口徑為φ200mm的均勻圓形輻照光斑，可同時(shí)對(duì)兩塊輻射儀表進(jìn)行檢測(cè)［2-4］。濾光片對(duì)氙燈光譜進(jìn)行修正，使之更加符合太陽(yáng)光譜；光學(xué)衰減片在不改變氙燈工作條件可降低輻照強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)氙燈電源功率可獲得檢測(cè)需要的輻照強(qiáng)度。

2 太陽(yáng)模擬器性能測(cè)試與分析

2.1 測(cè)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(jì)量檢測(cè)用太陽(yáng)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(cè)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(yáng)總輻射表、美國(guó)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(cè)量，且室內(nèi)溫度20℃左右，且通風(fēng)良好。

2.2 光譜匹配度測(cè)試與性能分析

（1）測(cè)試方法

氙燈點(diǎn)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(duì)輻射方向，記錄0.3～1.1μm波長(zhǎng)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(shí)太陽(yáng)光譜，但在近紅外波段（0.8～1.1μm）區(qū)域存有偏離太陽(yáng)光譜的輻射次峰［5］，因此通過(guò)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(duì)短弧氙燈光譜進(jìn)行了校正［6］，濾光片透過(guò)率測(cè)試曲線如圖3所示。

圖3 光學(xué)濾光片透過(guò)率曲線

將氙燈光譜和安裝濾光片后光譜進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 光學(xué)濾光片安裝前后光譜對(duì)比

可見(jiàn)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(yáng)光譜的A級(jí)匹配標(biāo)準(zhǔn)［7］。

2.3 輻照強(qiáng)度及其調(diào)節(jié)范圍測(cè)試與性能分析

（1）測(cè)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(yáng)總輻射表作為輻照度檢測(cè)儀器。將標(biāo)準(zhǔn)總表水平放置輻照面上，其感應(yīng)面正對(duì)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(jì)算機(jī)記錄并存儲(chǔ)。

（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(cè)試與性能分析

（1）測(cè)試方法

同樣將標(biāo)準(zhǔn)總表放置在輻照區(qū)域內(nèi)，啟動(dòng)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(duì)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(gè)電壓值，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果，由計(jì)算機(jī)記錄并存儲(chǔ)從電源啟動(dòng)到關(guān)閉2小時(shí)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(cè)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(jì)算：

（2）性能分析

記錄的測(cè)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(diǎn)燃后0～20min時(shí)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(diǎn)火強(qiáng)電流工作［7］，開(kāi)始階段電學(xué)參數(shù)變化較大，導(dǎo)致氙燈氙弧晃動(dòng)。工作一段時(shí)間后，氙弧流動(dòng)方向受外界強(qiáng)電流不斷趨于一致，光強(qiáng)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(shí)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(jì)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(duì)100～1200W/m212個(gè)檔次的輻照不穩(wěn)定度進(jìn)行了測(cè)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(jiàn)輻照度小于400W/m2時(shí)不穩(wěn)定度超出±1%性能指標(biāo)，主要因?yàn)殡療綦娫摧敵龉β侍?，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(qiáng)度，使氙燈在正常工作條件下調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)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(shí)，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(duì)輻照強(qiáng)度進(jìn)行衰減，其光學(xué)衰減片透過(guò)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(cè)試輻照強(qiáng)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(cè)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(cè)試與性能分析

（1）測(cè)試方法

點(diǎn)燃氙燈待工作穩(wěn)定后調(diào)節(jié)電源功率至2652W，對(duì)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(duì)輻射方向，避免傾斜引起的測(cè)量誤差。用標(biāo)準(zhǔn)總表測(cè)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(diǎn)的輻照度值，結(jié)果由數(shù)據(jù)采集器采集并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。避免雜散光對(duì)測(cè)試影響，除保護(hù)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(jì)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(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 輻照光斑內(nèi)輻照度測(cè)試結(jié)果

對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的相對(duì)照度變化的曲線觀測(cè)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(duì)照度分布曲線

可見(jiàn)相對(duì)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(duì)輻照分布進(jìn)行均勻化處理，但中心點(diǎn)高輻照度值影響較大，所以在測(cè)試中采用對(duì)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(duì)氙燈處于離焦?fàn)顟B(tài)時(shí)第二焦面處輻照度分布進(jìn)行仿真分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：氙燈向上離焦時(shí)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?。划?dāng)氙燈向下離焦時(shí)，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(gè)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(duì)孔徑，導(dǎo)致積分器的球差較大和對(duì)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(chǎng)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(chǎng)鏡和投影鏡的間距為L(zhǎng)時(shí)，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(duì)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(cè)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(cè)試與性能分析

（1）測(cè)試方法

通常使用五棱鏡與自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀組合測(cè)量太陽(yáng)模擬器光束準(zhǔn)直角。首先關(guān)閉太陽(yáng)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(chǎng)光闌，再將五棱鏡放置于工作臺(tái)面上，同時(shí)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(cè)量原理如圖11所示。調(diào)整經(jīng)緯儀方位和俯仰角度對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器光闌邊緣，記錄下角度值，即可計(jì)算出光束準(zhǔn)直角。

圖11 光束準(zhǔn)直性測(cè)試原理

（2）性能分析

根據(jù)上述測(cè)試方法，分別記錄水平和垂直方向下經(jīng)緯儀的讀數(shù)，計(jì)算出兩次所測(cè)數(shù)值之差即為太陽(yáng)模擬器光束準(zhǔn)直角，如表4所示，光束準(zhǔn)直角測(cè)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(cè)試

3 結(jié)論

通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)輻射總表檢測(cè)用太陽(yáng)模擬器的性能指標(biāo)進(jìn)行了質(zhì)量考核。闡述了測(cè)試過(guò)程并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題及缺陷，并在此基礎(chǔ)上尋求解決辦法。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)模擬器性能測(cè)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(duì)其氙燈光譜進(jìn)行修正，與A級(jí)AM1.5太陽(yáng)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(qiáng)度使輻照度有更大的調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)對(duì)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(cè)試結(jié)果表明研制的太陽(yáng)模擬器在Φ200mm的有效輻照面內(nèi)，光譜相匹配度達(dá)到AM1.5中A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，輻照強(qiáng)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(dá)到±1%和±2%能夠滿足氣象輻射計(jì)量?jī)x器測(cè)試使用要求。

［1］王炳忠，莫月琴，楊云.現(xiàn)代氣象輻射測(cè)量技術(shù)［M］.北京：氣象出版社，2008.

［2］蘇拾，張國(guó)玉，付蕓，等.太陽(yáng)模擬器的新發(fā)展［J］.激光與光電子學(xué)發(fā)展，2012，4（49）：1-8.

［3］Powell I.New concept for a system suitable for solar simulation［J］.Applied Optics，1980，19（2）：329-334.

［4］Emery K，Myers D，Rummel S.Solar simulator problem and solutions［J］.Photovoltaic Specialists Conference［M］.1988，2：1087-1091.

［5］彭小靜，徐林，郭澤.A級(jí)太陽(yáng)模擬器的光譜校正［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（11）：1324-1327.

［6］孟嘉譯，付秀華，王迪.太陽(yáng)模擬器中光譜修正濾光片的研制［J］.光電工程，2010，37（2）：50-53.

［7］蔣永平，徐琴玉.高壓短弧氙燈及其使用［J］.現(xiàn)代電影技術(shù)，2007，4：30-37.

［8］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637-1990.太陽(yáng)模擬器通用規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

［9］張國(guó)玉，呂文華，賀曉雷，等.太陽(yáng)模擬器輻照均勻性分析［J］.中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2（1）：41-45.

［10］徐亮.月亮模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與輻照度均勻性分析［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

［11］安桂芳，張國(guó)玉.氣象探空儀試驗(yàn)用太陽(yáng)模擬器研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2011，32（9）：1408-1412.