大面积准直型太阳模拟器的设计与研制

设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器,其有效辐照面直径达到1 100 mm,平均辐照度达到1.3个太阳常数（AM0）,光束准直角为±1.59°。首先给出了太阳模拟器的光学系统,分别从光源选择和布局,椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述;介绍了太阳模拟器的光机结构;进行了系统的仿真和实现。实验表明,太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m²,辐照不均匀度达到±4.6%,辐照体不均匀度达到±5.96%,辐照不稳定度达到±1.36%,光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求,为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。     

实用型三谱段太阳模拟器的设计与研制

本文设计并研制了一种实用型三谱段太阳模拟器,其光谱匹配可同时调整3个谱段(300~700 nm,700~900 nm,900~1 700 nm)范围的能量,修正后可满足三结砷化镓太阳电池的测试使用要求。本文重点阐述了三谱段太阳模拟器滤光片的设计和氙灯光谱的修正及测试,介绍了太阳模拟器的光机结构。实验表明:三谱段太阳模拟器的光谱匹配满足三结砷化镓太阳电池各子电池的响应电流值。在有效辐照面150 mm×150 mm上,平均辐照度可以达到2个太阳常数(2 730 W/m²),辐照不均匀度达到±1.77%,辐照不稳定度达到±0.83%,为太阳电池自动分拣系统提供了可靠稳定的平台。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm×200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到172 %。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

多波段LED太阳模拟器及其测试系统的研制

为了克服传统氙灯太阳模拟器成本高、寿命短、功耗大等缺点,提高太阳电池测试的准确性,本文首先设计了一种基于11种波段的LED太阳模拟器,在光谱匹配度、不均匀度和不稳定度上均达到IEC60904-9-2007规定的A级标准。在此基础上,开发了配套的太阳电池测试系统,经过光源控制、数据处理、温度修正以及参数计算,得到太阳电池的电特性参数。实验结果表明,系统可以准确测得单晶硅太阳电池片的各项参数,且结果稳定,从而验证了光源的可靠性及测试方法的科学性。     

太阳模拟器用光学积分器设计

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷,改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理;阐述了光学系统的优化设计技术;对其光机结构进行合理化设计,并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后,利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明:使用所设计的光学积分器后,太阳模拟器辐照不均匀度明显降低,在Φ60 mm范围内小于±1％,在Φ(60～200)mm范围内小于±2％.该结果与实际检测结果一致,能够满足高准确度的使用要求.     

中型太阳模拟器积分器设计

太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性,具有较高的空间外热流模拟精度。其主要用于航天器的热平衡试验、热涂层特性试验和材料老化试验,可以有效地检验卫星的光辐照性能,验证航天器的热设计。针对大中型太阳模拟器特性,设计一种积分器组件,可承受高温负荷,保证大中型太阳模拟器的均匀性及辐照度性能指标。介绍了太阳模拟器积分器组件原理,通过Lighttools、Flunet对积分器组件进行结构设计、热设计及仿真计算。设计结果表明,中型太阳模拟器辐照面可达到Ф2000mm,辐照度不均匀性可达到±4%。试验结构表明,系统辐照面可达到Ф2000mm,辐照度不均匀性可达到±3.75%,辐照度最高可达到1.39个太阳常数,能够满足大中型太阳模拟器使用。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题，基于光电一体化二次光学设计，提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源，通过混光棒和微结构进行匀光，最后利用抛物面镜实现光线的准直输出，基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化，实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估;DHI反映大气和云态;DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

西藏地面太阳总辐射与紫外线的观测

地面太阳光谱记录了太阳光经历大气层的烙印与信息,为大气环境、生态保护等研究提供实地依据。西藏高原空气稀薄,地面太阳辐射超强,观测西藏地面太阳光谱为太阳能利用提供实地数据。文章较系统地报道了西藏地面太阳光谱的实地观测结果,为相关高原科学研究提供高精度数据。利用RAMSES光谱仪、CMP6太阳总辐射仪和NILU-UV太阳紫外辐射仪对西藏不同地区、不同季节太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线进行了全方位的实地观测研究。观测研究了高海拔的西藏拉萨和那曲以及低海拔的北京和成都的光谱特征;研究了拉萨二分二至当地正午（北京时间13:55时）太阳光谱观测结果;对西藏地面光谱与AM1.5和AM0标准光谱进行了对比研究。观测研究了西藏拉萨和那曲太阳总辐射、太阳紫外线强度特征。研究发现拉萨夏季可见和红外区光谱光强度甚至超过AM0光谱相应波长的强度,即：拉萨地面可见光和红外光强度偶尔超过大气层顶部的相应波长光强,是由部分云的反射增量所致;拉萨光谱谱峰出现在波长476.6 nm左右,在2017年的夏至观测到的最大值为2.331 W·m-2·nm-1。然而,对太阳紫外线（280～400 nm）光谱的观测发现地面太阳紫外区的光谱强度总是明显低于AM0光谱相应区光强,表明短波的紫外光被大气臭氧有效吸收。虽然拉萨海拔3 680 m,但通过对拉萨当地正午太阳紫外光谱分析发现拉萨地面波长小于300 nm的太阳紫外光谱强度几乎为零,表明波长小于300 nm的太阳紫外线被大气层吸收,没有到达地面。同时,研究了西藏高海拔太阳光谱与北京、成都低海拔太阳光谱特征,揭示了各地大气成分、含量等诸多信息。报道了2010年7月-2013年12月期间西藏太阳总辐射的观测结果;结果显示拉萨当日太阳总辐射最大值中约18%超过了太阳常数（1 367 W·m-2）。观测发现拉萨太阳总辐射瞬时最大值达到了1 756.09 W·m-2（2011年6月24日）。报道了2008年7月-2013年12月期间西藏太阳紫外线的观测结果;结果显示拉萨和那曲UVA日最大值平均值约为67 W·m-2,UVB日最大值平均值约为5.1 W·m-2;拉萨和那曲当日太阳紫外线A和紫外线B最大值变化趋势保持了很好的一致性,在5年多的观测期间紫外线强度没有出现明显的增强或减弱趋势。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。     

氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器设计方法

针对应用于太阳模拟器辐照衰减器设计上的不足,提出一种新的衰减器设计方法,旨在提高其辐照均匀性。基于光学扩展量计算衰减器上的网孔面积,对会聚光路的辐射通量进行调制;利用聚光镜环带法,理论上分析衰减器上的辐射分布;利用网孔非均匀分布的结构对会聚光路的辐射分布进行调制,给出具体设计参数;对比分析了网孔均匀分布和非均匀分布对辐射调制效果和辐照均匀性的影响。实验表明:安装网孔非均匀分布的衰减器,调节氙灯功率,能够连续输出0.1~1.0个太阳常数的辐照度;基于网孔非均匀分布的衰减器对辐射分布调制后,光斑内辐照不均匀度降低率最高为48.7%,低辐照不均匀度下可以实现辐照度的大范围调整,对提高太阳模拟器的使用性能具有一定的借鉴意义。     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为激光束功率测量探测器,采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场,精确测量太阳辐射计870 nm无偏直射通道中心波长处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度,最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度,联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分得到该通道大气层外响应常数V₀值,与NASA的GSFC中心的2009年定标结果差异仅为3.75%,定标不确定度达到2.06%,验证了这一新技术的原理可行性。