双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求,研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状,并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案,以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪,通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标,使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明:太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300~2 400 nm,光谱分辨率为3~10 nm,输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%~0.5%;积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300~2 500 nm,光谱分辨率为1~8 nm,太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪,可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计EI北大核心CSCD

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m^2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。     

光电式日照计室内检定中散射辐射模拟方法研究

由于光电式日照计中散射辐射光电传感器的测量精度会严重影响日照计测量太阳辐照度的准确性,为降低散射误差,在室内检定时需进行较为准确的散射辐射模拟。通过对逐日时间尺度下辐射衰减率与各气象因子间的线性相关性分析,进行多元线性回归拟合后得出长春地区逐日水平面太阳散射辐射模型,并在室内检定系统中对水汽、尘埃等散射作用造成的辐射衰减进行了模拟,设计了室内散射环境模拟室。实验结果表明,水平面太阳日散射辐射量的拟合值与实测值匹配较好,实测值与拟合值均匀分布在拟合线两侧,相关系数(R~2)在0.8以上,表明散射辐射模型效果较好。     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m~2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。     

太阳辐照绝对辐射计与国际比对

为了测量太阳辐照度和地球辐射，研制了太阳辐照绝对辐射计（SIAR-1），对电校准腔型绝对辐射计进行了重要改进，提高了绝对精度。参加了世界气象组织在瑞士设立的世界辐射中心组织的第九届国际日射计比对，AIAR-1高于民办辐射基准0.08％。太阳辐照度监测器（STIM）同SIAR-1进行了比对，结果太阳辐照度监测器三台绝对辐射计之间平均值偏差为0.11％。SIAR-1辐射计与太阳辐照度监测器2号辐射计在0.09％以内符合。结论：太阳辐照度监测器绝对精度为0.16％。     

不同光源对普朗克常数实验测量的影响

介绍了光电效应实验中,采用零电流法确定截止电压测量普朗克常数的方法,研究了汞灯和氙灯提供光源对普朗克常数实验测量的影响,通过用Origin软件对测量的数据进行线性拟合,可得到截止电压与光子频率的关系曲线的斜率,从而能够更加准确的计算出普朗克常数的值,实验结果表明,对于氙灯光源,在普朗克常数的测量上相对误差更小,所得到的普朗克常数越精确,从实验的角度充分证明了氙灯光源是光电效应实验测量效果非常好的一种光源。     

太阳模拟器焦平面温度场实验研究

为更加合理的利用太阳模拟器焦平面辐射能流,以所构建的集聚型太阳模拟器为研究对象,利用红外热像仪对光源和焦平面离焦时焦平面温度场进行实验测试以体现焦平面辐照度变化情况。结果表明:随着光源或焦平面离焦,焦斑内辐照度由高斯分布逐渐变得分散,辐照不均性降低,焦斑面积明显增大;光源正向离焦5mm比负向离焦5mm造成焦斑内辐照度分布更加分散,总辐照度损失更大;焦平面负向离焦100mm相比于氙灯离焦5mm,焦斑范围内辐照度不均度变化不大,平均辐照度下降更低。研究结论可为太阳模拟器调焦机构设计、合理利用焦平面辐射能流提供重要参考。     

用于太阳光谱仪的光电探测系统线性度测试装置

依据光叠加原理研制了一台太阳光谱仪光电探测系统线性度测试装置。该测试装置由300 W高稳定度氙灯光源、250 W卤钨灯光源、双层中性滤光片轮、双孔光阑及光学成像系统组成。依靠中性滤光片改变光束强度,依靠独立开闭的双光阑和光学成像系统实现光流叠加。该装置工作波段为200～2 400 nm,可模拟紫外-可见-红外波段地外太阳光谱辐照度,动态范围为104,已用于太阳光谱仪等光谱仪和硅光电二极管标准探测器等光电探测系统线性测量。     

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。     

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。     

日盲型光电管探测系统响应非线性间接法标校

基于间接法对一种日盲型光电管探测系统进行了非线性测量,将线性度已知的硅光电二极管探测器作为参考标准,以外置氙灯光源积分球作为线性定标辐射源,通过大动态范围电动光阑来调节辐射输出,将待测探测器与参考探测器在同一条件下进行同步测量,以消除光源波动的影响。实验结果表明,该日盲型光电管探测系统的线性误差最大可达5.2%,有必要通过非线性修正因子对测量值进行修正,其数值范围为0.948～1.006。分析了系统合成测量不确定度,在光电管响应光电流为2.97×10^-10～6.61×10^-8A范围内,扩展不确定度为3.59%(k=2)。     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性;且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型...     

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%。     

高倍聚光太阳模拟器的设计

研究了一种高倍聚光、高均匀性太阳模拟器,它主要由短弧氙灯、椭球聚光镜、高速快门和积分器构成,辐射功率超过5 kW,辐射峰值超过1 800个太阳常数（标准AM1.5∶1太阳常数=1 kW/m2）。介绍了该模拟器的光学设计,主要工程特点和仿真结果。应用蒙特卡洛光线追迹技术优化几何配置,以使光源到目标面的辐射能量转换效率最大化。仿真结果显示：在直径20 mm的圆形目标区域其平均辐射超过1 000 kW/m2,相应的辐照不均匀度小于6%。利用该装置模拟了高倍聚光太阳系统的辐射特性,为研究高效率太阳能电池的热化学过程和测试先进的高温材料提供了实验平台。     

高倍聚光太阳模拟器的设计

研究了一种高倍聚光、高均匀性太阳模拟器,它主要由短弧氙灯、椭球聚光镜、高速快门和积分器构成,辐射功率超过5 kW,辐射峰值超过1 800个太阳常数(标准AM1.5∶1太阳常数=1 kW/m2)。介绍了该模拟器的光学设计,主要工程特点和仿真结果。应用蒙特卡洛光线追迹技术优化几何配置,以使光源到目标面的辐射能量转换效率最大化。仿真结果显示:在直径20 mm的圆形目标区域其平均辐射超过1 000 kW/m2,相应的辐照不均匀度小于6%。利用该装置模拟了高倍聚光太阳系统的辐射特性,为研究高效率太阳能电池的热化学过程和测试先进的高温材料提供了实验平台。     

卫星多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标技术

模拟空间环境辐射定标技术主要用于卫星发射前对其所携带的多光谱扫描仪的响应特性进行辐射定标,为用户提供定标曲线。介绍了利用多个光源、多套定标光学系统的多光谱扫描仪辐射定标技术。多谱段光源系统由太阳辐照积分球和黑体组成,积分球用于可见光、近红外谱段的辐射定标,黑体用于远红外谱段的辐射定标。多谱段定标光学系统通过在真空低温环境下的精密传动机构切换反射镜位置,以离轴抛物面反射镜为中心形成两套光学系统,分别将积分球、黑体的辐射反射到扫描仪的入口,从而一次试验即可完成卫星多光谱扫描仪全谱段的辐射定标。     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性|且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层的积分球出射光的光谱分布、色坐标和色温.结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响特征相同,表现在色度上是色坐标(x,y)增大,色温降低.其中聚四氟乙烯积分球非中性较小,其出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20 K和70 K|而硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300 K和1 000 K,非中性影响明显.     

一种大口径离轴反射式太阳模拟系统设计

为了完成全谱段成像光谱仪的地面辐射标定,设计了一种大口径离轴反射式太阳模拟系统,用于在实验室环境下模拟空间环境中的太阳辐射。阐述了太阳模拟系统的光学系统参数的计算过程,并运用Lighttools软件完成了光学系统的建模和仿真,根据光学系统的布局和系统的热负荷分布,给出了风冷系统的设计方案,并运用ICEPAK软件完成了散热系统的仿真验证。测试了太阳模拟系统的各项参数,结果表明:在满足系统散热要求的情况下,最大辐照度达到1.17个太阳常数,辐照不均匀度在辐照面200 mm范围内为1.61%,在辐照面400 mm范围内为3.28%。     

太阳辐照绝对辐射计主光阑面积测量

精确且已知面积的主光阑对于搭载在气象卫星上的太阳辐照绝对辐射计(SIAR)有着重要作用,其带来的不确定度分量是太阳辐射计测量辐照度不确定度的重要组成部分。有效面积法是一种测量主光阑面积的方法,其通过叠加高斯光束形成一个统一的照度均匀分布的光源区域,利用辐射测量中光阑对光束的限制效应定义主光阑面积。对SIAR进行简单介绍,主要对有效面积法的测量原理进行理论分析及模拟仿真,提出了具体搭建测量装置的方案,并对主光阑面积进行测量,测量合成不确定度达到8.2×10-5。该测量方法提高了太阳辐照绝对辐射计主光阑面积的测量精度,使得太阳辐照绝对辐射计测量辐照度的标准不确定度从8×10-4提高到6.3×10-4。