氣象輻射計量檢測用太陽模擬器性能分析

蘇拾 ，張國玉 ，王凌云 ，付蕓

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

氣象輻射計量儀表是一種用來記錄某區域地面接收太陽輻照能量多少的氣象監測設備，為氣象預報、災害預警以及全球氣候變化預測提供至關重要的分析數據。我國作為世界氣象組織的一員，太陽總輻射表（簡稱總表）質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、方位響應誤差、傾斜誤差、非線性誤差及響應時間的測試［1］。雖然目前已經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，對其技術指標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實意義。

表1 氣象輻射計量檢測用太陽模擬器技術指標要求

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系統、機械系統、風冷系統和氙燈電源及控制系統等組成，如圖1所示。

圖1 太陽模擬器結構組成

光學系統主要由氙燈、聚光鏡、平面反射鏡、光學積分器、視場光闌、濾光片、準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］；機械系統主要由氙燈調整機構，聚光鏡調整機構、反射鏡調整機構、散熱片、鏡筒、殼體和底座等組成，固定安裝及調整各光學元件相互位置，充分發揮太陽模擬器的使用性能；風冷系統用于冷卻氙燈和各光學元件，確保其處于正常的工作環境中，主要由軸流風機、鼓風機和散熱風道組成；由主回路、控制回路和氙燈觸發電路等組成的氙燈電源為氙燈提供高穩定度電源，并可對輸出光輻照強度進行調節。

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。然后經視場光闌、濾光片、準直物鏡和光學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；光學衰減片在不改變氙燈工作條件可降低輻照強度，通過調節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 測試儀器及環境

光譜匹配度、輻照度、輻照不穩定度、輻照不均勻度和準直性是氣象輻射計量檢測用太陽模擬器關鍵性技術指標，是衡量其性能的標準。

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型熱電型標準太陽總輻射表、美國Keithley儀器公司的2000-20型數據采集器、萊卡TM5100光電經緯儀、五棱鏡等。為了防止雜散光和周圍環境的干擾，需在恒溫暗室中測量，且室內溫度20℃左右，且通風良好。

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級匹配標準［7］。

2.3 輻照強度及其調節范圍測試與性能分析

（1）測試方法

使用已標定好的靈敏度為9.36mv/Wm-2的標準太陽總輻射表作為輻照度檢測儀器。將標準總表水平放置輻照面上，其感應面正對輻照方向，調節氙燈電源功率分別至最低與最高，由數據采集器采集標準總表電壓值，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，滿足輻照度及調節范圍要求。

2.4 輻照不穩定度測試與性能分析

（1）測試方法

同樣將標準總表放置在輻照區域內，啟動氙燈電源，調節功率至2652W，標準總表輸出電壓9.36mv，對應的輸出輻照度1000W/m2。由數據采集器每分鐘采集10個電壓值，取其平均值作為測試結果，由計算機記錄并存儲從電源啟動到關閉2小時內的數據。為了防止雜散光影響，需將標準表上除玻璃泡殼外用黑布遮蓋，并在暗室內測試。

根據標準表的換算單位為9.36mv/Wm-2，輻照不穩定度可根據下式計算：

（2）性能分析

記錄的測試數據曲線如圖6所示。

圖6 2h內標準表輸出值變化曲線

可觀察到氙燈點燃后0～20min時間內輻照急劇上升，穩定性差；20～50min輻照穩定較好，但在50min后，輻照度值發生整體性漂移，漂移后繼續趨于穩定。

由于氙燈屬于惰性氣體電離放電產生氙弧發光，需要高電壓點火強電流工作［7］，開始階段電學參數變化較大，導致氙燈氙弧晃動。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，光強趨于穩定。但工作到約50min后，氙燈電學參數受環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指標范圍內。取氙燈穩定工作的20～120min中記錄的最大和最小輸出電壓9.46mv和9.28mv，根據公式（1）計算輻照不穩定度為0.96%，滿足指標要求。

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

圖7 不同輻照度下的不穩定度變化曲線

可見輻照度小于400W/m2時不穩定度超出±1%性能指標，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，導致氙燈閃爍性明顯。為此考慮采取光學衰減片降低輻照強度，使氙燈在正常工作條件下調節發光強度。

圖8 光學衰減片透光率曲線

分別采用了特殊晶體吸收衰減或對石英玻璃鍍減透膜衰減的方法。采用晶體吸收方式衰減時，由于晶體內部熱應力分布不均勻往往導致炸裂，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，其光學衰減片透過率曲線如圖8所示。

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

表2 100～400Wm-2輻照不穩定度測試結果

安裝衰減片后低輻照度的穩定性明顯得到改善。

2.5 輻照不均勻度測試與性能分析

（1）測試方法

點燃氙燈待工作穩定后調節電源功率至2652W，對應輸出輻照度為1000Wm-2。標準總表放置在輻照光斑中心，調整使其感應面水平正對輻射方向，避免傾斜引起的測量誤差。用標準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，結果由數據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。

由標準表的換算單位為9.36mv/Wm-2，輻照不穩定度可根據下式計算：

（2）性能分析

根據上述方法得到的輻照光斑內輻照度測試結果如圖9所示。

圖9 輻照光斑內輻照度測試結果

對測試的數據進行歸一化處理，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圓內相當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積分器投影鏡組離焦等方法降低中心高亮度。

應用Lighttools軟件對氙燈處于離焦狀態時第二焦面處輻照度分布進行仿真分析時發現：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，但光學效率下降照度值變??；當氙燈向下離焦時，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積分器入瞳，有效地提高最終輻照均勻性。

為了縮短光學結構尺寸，不得不加大積分器的相對孔徑，導致積分器的球差較大和對稱光通道內的光線在輻照面內成像高度不一致，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］。根據公式（2）不同圓形區域內的輻照不均勻度如表3所示。

表3 不同區域輻照不均勻度測試

φ100內均輻照不均勻度小于1%，φ200內小于2%滿足技術指標要求。

2.6 光束準直性測試與性能分析

（1）測試方法

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

圖11 光束準直性測試原理

（2）性能分析

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

表4 光束準直性測試

3 結論

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進行了質量考核。闡述了測試過程并根據測試數據進行了分析，發現存在的問題及缺陷，并在此基礎上尋求解決辦法。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節范圍和穩定性。

（3）通過對氙燈離焦和光學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。

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

［1］王炳忠，莫月琴，楊云.現代氣象輻射測量技術［M］.北京：氣象出版社，2008.

［2］蘇拾，張國玉，付蕓，等.太陽模擬器的新發展［J］.激光與光電子學發展，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級太陽模擬器的光譜校正［J］.太陽能學報，2008，29（11）：1324-1327.

［6］孟嘉譯，付秀華，王迪.太陽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］.現代電影技術，2007，4：30-37.

［8］中華人民共和國國家標準GB/T12637-1990.太陽模擬器通用規范［S］.北京：中國標準出版社，1990.

［9］張國玉，呂文華，賀曉雷，等.太陽模擬器輻照均勻性分析［J］.中國光學與應用光學，2009，2（1）：41-45.

［10］徐亮.月亮模擬器光學系統設計與輻照度均勻性分析［D］.長春：長春理工大學，2009.

［11］安桂芳，張國玉.氣象探空儀試驗用太陽模擬器研究［J］.太陽能學報，2011，32（9）：1408-1412.