气象辐射计量检测用太阳模拟器性能分析

2013-09-18苏拾张国玉王凌云付芸

长春理工大学学报（自然科学版） 2013年5期

苏拾，张国玉，王凌云，付芸

（1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，长春 130022 ）

气象辐射计量仪表是一种用来记录某区域地面接收太阳辐照能量多少的气象监测设备，为气象预报、灾害预警以及全球气候变化预测提供至关重要的分析数据。我国作为世界气象组织的一员，太阳总辐射表（简称总表）质量的高低反映出我国气象观测的水平。

气象辐射计量检测用太阳模拟器能够在室内提供模拟的太阳光，配合多自由度运动平台完成总表的余弦、方位响应误差、倾斜误差、非线性误差及响应时间的测试［1］。虽然目前已经成功研制了多种型号的太阳模拟器，但用于气象辐射计量仪表测试用的太阳模拟器还很少见，对其技术指标也提出了特殊的要求，如表1所示。太阳模拟器工作性能的好坏直接影响检测的准确性，对其性能的研究对提高我国气象辐射计量仪器的检定水平具有重要的现实意义。

表1 气象辐射计量检测用太阳模拟器技术指标要求

1 气象计量用太阳模拟器组成与工作原理

太阳模拟器主要由太阳模拟器光学系统、机械系统、风冷系统和氙灯电源及控制系统等组成，如图1所示。

图1 太阳模拟器结构组成

光学系统主要由氙灯、聚光镜、平面反射镜、光学积分器、视场光阑、滤光片、准直物镜和衰减片等组成，用于输出具有一定辐照强度和辐照特性的模拟太阳光［2］；机械系统主要由氙灯调整机构，聚光镜调整机构、反射镜调整机构、散热片、镜筒、壳体和底座等组成，固定安装及调整各光学元件相互位置，充分发挥太阳模拟器的使用性能；风冷系统用于冷却氙灯和各光学元件，确保其处于正常的工作环境中，主要由轴流风机、鼓风机和散热风道组成；由主回路、控制回路和氙灯触发电路等组成的氙灯电源为氙灯提供高稳定度电源，并可对输出光辐照强度进行调节。

图2 太阳模拟器工作原理

工作原理如图2所示，采用光谱与太阳光谱十分接近的氙灯作为光源。聚光镜将第一焦点处氙灯发出的光通量会聚到第二焦点，形成一个对称的高斯辐照分布，这个分布并被光学积分器各元素通道的分割、叠加成像，进行均匀化处理。然后经视场光阑、滤光片、准直物镜和光学衰减片后以平行光射出，在检测工作面上形成一个口径为φ200mm的均匀圆形辐照光斑，可同时对两块辐射仪表进行检测［2-4］。滤光片对氙灯光谱进行修正，使之更加符合太阳光谱；光学衰减片在不改变氙灯工作条件可降低辐照强度，通过调节氙灯电源功率可获得检测需要的辐照强度。

2 太阳模拟器性能测试与分析

2.1 测试仪器及环境

光谱匹配度、辐照度、辐照不稳定度、辐照不均匀度和准直性是气象辐射计量检测用太阳模拟器关键性技术指标，是衡量其性能的标准。

性能测试主要使用的仪器有荷兰AvaSolar-1型便携式光纤分光辐射仪、瑞士FS-PE型热电型标准太阳总辐射表、美国Keithley仪器公司的2000-20型数据采集器、莱卡TM5100光电经纬仪、五棱镜等。为了防止杂散光和周围环境的干扰，需在恒温暗室中测量，且室内温度20℃左右，且通风良好。

2.2 光谱匹配度测试与性能分析

（1）测试方法

氙灯点亮后，将光纤分光辐射仪探头安装在距离准直透镜1000mm的工作面上，正对辐射方向，记录0.3～1.1μm波长范围内光谱分布曲线。

（2）性能分析

尽管氙灯光谱十分接近于真实太阳光谱，但在近红外波段（0.8～1.1μm）区域存有偏离太阳光谱的辐射次峰［5］，因此通过选择Al2O3、SiO2和H4三种薄膜材料真空镀膜的方法，研制0.3～1.1μm波段内的滤光片，对短弧氙灯光谱进行了校正［6］，滤光片透过率测试曲线如图3所示。

图3 光学滤光片透过率曲线

将氙灯光谱和安装滤光片后光谱进行对比分析，如图4所示。

图4 光学滤光片安装前后光谱对比

可见滤光片有效地将0.8～1.1μm波段内的辐射次峰消除掉，校正后光谱匹配度符合AM1.5太阳光谱的A级匹配标准［7］。

2.3 辐照强度及其调节范围测试与性能分析

（1）测试方法

使用已标定好的灵敏度为9.36mv/Wm-2的标准太阳总辐射表作为辐照度检测仪器。将标准总表水平放置辐照面上，其感应面正对辐照方向，调节氙灯电源功率分别至最低与最高，由数据采集器采集标准总表电压值，并由上位计算机记录并存储。

（2）性能分析

电压值经灵敏度换算后得到辐照度为94.26 W/m2和1319.61W/m2，满足辐照度及调节范围要求。

2.4 辐照不稳定度测试与性能分析

（1）测试方法

同样将标准总表放置在辐照区域内，启动氙灯电源，调节功率至2652W，标准总表输出电压9.36mv，对应的输出辐照度1000W/m2。由数据采集器每分钟采集10个电压值，取其平均值作为测试结果，由计算机记录并存储从电源启动到关闭2小时内的数据。为了防止杂散光影响，需将标准表上除玻璃泡壳外用黑布遮盖，并在暗室内测试。

根据标准表的换算单位为9.36mv/Wm-2，辐照不稳定度可根据下式计算：

（2）性能分析

记录的测试数据曲线如图6所示。

图6 2h内标准表输出值变化曲线

可观察到氙灯点燃后0～20min时间内辐照急剧上升，稳定性差；20～50min辐照稳定较好，但在50min后，辐照度值发生整体性漂移，漂移后继续趋于稳定。

由于氙灯属于惰性气体电离放电产生氙弧发光，需要高电压点火强电流工作［7］，开始阶段电学参数变化较大，导致氙灯氙弧晃动。工作一段时间后，氙弧流动方向受外界强电流不断趋于一致，光强趋于稳定。但工作到约50min后，氙灯电学参数受环境温度等因素的影响，输出辐照度较前一段时间有漂移，但漂移量不是很大尚在技术指标范围内。取氙灯稳定工作的20～120min中记录的最大和最小输出电压9.46mv和9.28mv，根据公式（1）计算辐照不稳定度为0.96%，满足指标要求。

另外技术要求辐照度在100～1250W/m2连续可调，因此对100～1200W/m212个档次的辐照不稳定度进行了测试，变化曲线如图7所示。

图7 不同辐照度下的不稳定度变化曲线

可见辐照度小于400W/m2时不稳定度超出±1%性能指标，主要因为氙灯电源输出功率太小，超出氙灯的额定电压和电流，导致氙灯闪烁性明显。为此考虑采取光学衰减片降低辐照强度，使氙灯在正常工作条件下调节发光强度。

图8 光学衰减片透光率曲线

分别采用了特殊晶体吸收衰减或对石英玻璃镀减透膜衰减的方法。采用晶体吸收方式衰减时，由于晶体内部热应力分布不均匀往往导致炸裂，所以采用耐热性较好的石英玻璃镀减透膜对辐照强度进行衰减，其光学衰减片透过率曲线如图8所示。

调整氙灯功率使其输出辐照度1000Wm-2，安装上衰减系数T=0.4的光学衰减片，测试辐照强度100～400W/m2的不稳定度如表2所示。

表2 100～400Wm-2辐照不稳定度测试结果

安装衰减片后低辐照度的稳定性明显得到改善。

2.5 辐照不均匀度测试与性能分析

（1）测试方法

点燃氙灯待工作稳定后调节电源功率至2652W，对应输出辐照度为1000Wm-2。标准总表放置在辐照光斑中心，调整使其感应面水平正对辐射方向，避免倾斜引起的测量误差。用标准总表测试以辐照光斑为中心的φ30mm、φ60mm、φ100mm、φ 150mm、φ170mm和φ200mm圆周上八等分点的辐照度值，结果由数据采集器采集并存储到计算机中。避免杂散光对测试影响，除保护玻璃外其余用黑布遮盖。

由标准表的换算单位为9.36mv/Wm-2，辐照不稳定度可根据下式计算：

（2）性能分析

根据上述方法得到的辐照光斑内辐照度测试结果如图9所示。

图9 辐照光斑内辐照度测试结果

对测试的数据进行归一化处理，以四种分别为沿米字线方向，在不同半径位置对应的相对照度变化的曲线观测工作面上的辐照均匀性，如图10所示。

图10 辐照光斑内相对照度分布曲线

可见相对照度从中心至边缘逐次降低，φ100mm圆内相当照度分布曲线趋于平缓；但在φ100～200mm圆曲线突然变陡，尤其边缘变化明显。分析原因主要是辐照能量成高斯分布，虽然光学积分器可较好对辐照分布进行均匀化处理，但中心点高辐照度值影响较大，所以在测试中采用对氙灯离焦和光学积分器投影镜组离焦等方法降低中心高亮度。

应用Lighttools软件对氙灯处于离焦状态时第二焦面处辐照度分布进行仿真分析时发现：氙灯向上离焦时光能量汇聚能力降低，第二焦面边缘处辐照度有所分散，有助于提高均匀性的，但光学效率下降照度值变小；当氙灯向下离焦时，光能量汇聚能力提高，第二焦面处照度增加，光束能量集中并且比较均匀地充满整个光学积分器入瞳，有效地提高最终辐照均匀性。

为了缩短光学结构尺寸，不得不加大积分器的相对孔径，导致积分器的球差较大和对称光通道内的光线在辐照面内成像高度不一致，辐照面边缘处成像光线离散尺寸较大。因此缩短场镜组和投影镜组之间的间隔，使投影镜组离焦可明显减小这种离散尺寸，以改善均匀度。当场镜和投影镜的间距为L时，积分器边缘光通道和中心光通道在辐照面中心处成像光线离散尺寸相等且最大，在辐照面边缘成像光线离散尺寸最小且相等。这种辐照面中心到边缘成像光线的离散尺寸由大变小，显然对均匀度是有利的［9，10］。根据公式（2）不同圆形区域内的辐照不均匀度如表3所示。

表3 不同区域辐照不均匀度测试

φ100内均辐照不均匀度小于1%，φ200内小于2%满足技术指标要求。

2.6 光束准直性测试与性能分析

（1）测试方法

通常使用五棱镜与自准直经纬仪组合测量太阳模拟器光束准直角。首先关闭太阳模拟器的氙灯，然后使用普通光源照亮光学积分器及视场光阑，再将五棱镜放置于工作台面上，同时在垂直于准直物镜光轴方向放置瑞士莱卡自准直经纬仪，其测量原理如图11所示。调整经纬仪方位和俯仰角度对准太阳模拟器光阑边缘，记录下角度值，即可计算出光束准直角。