大幅面太阳全光谱辐照系统的设计

刘建河，白海龙，赵玉丹

(1.长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022； 2.长春理工大学 理学院，吉林 长春 130022)

0 引言

大幅面太阳全光谱辐照系统是太阳模拟器的重要组成部分,在航空航天、太阳能利用、新材料研制、医疗保健、现代化农业等方面具有广泛应用[1-2]。2015年，美国Newport公司研发的发光二极管(LED)太阳模拟器选取了19种LED，在50 mm×50 mm面积内辐照度达到1个太阳常数[3]。2016年，中国科学院安徽光学精密机械研究所研制了一种10维运动机构的扫描式氙灯太阳模拟器，并建立了它们关于照明姿态和位置的控制方程，完成了被测样件的空间环境模拟照明[4]。2017年，长春理工大学研制出LED阵列光源的太阳模拟器，综合性能指标达到太阳模拟器中的3A级水平[5]。太阳模拟器中全光谱辐照系统与传统的太阳模拟器[6-8]相比，采用光源有序排布的方式设计，其光照系统具有辐照面积大、经济性好等突出特点[9]，应用范围日趋广泛。辐照不均匀度是太阳模拟器的一项主要技术指标，它反映了辐照空间或辐照面上各点的辐照度相对于整个辐照空间或辐照面上辐照度平均值的偏差，表征了辐照空间或辐照面均匀辐照的程度[10]。当采用太阳模拟器方法进行卫星的热试验时，辐照的均匀程度将直接影响热模拟的准确性；在资源卫星的多光谱定标设备中，辐照的均匀程度会直接影响定标的准确性。

综上所述，研究如何降低太阳模拟器的辐照不均匀度，对太阳模拟器的设计、加工、验收和检定都有着重要的意义[11]。传统的太阳模拟器主要通过光学积分器、灯的圆弧形曲面布局等来提高辐照均匀度。为满足环境测试实验室内面积大、低辐照不均匀性等苛刻的光照环境需求，本研究中所研制的全光谱辐照系统去除了积分器结构，光源布局在同一平面内，采用辐照度衰减模式来提高辐照均匀度，使得辐照系统的设计结构简洁、成本低廉，重点用于研究有害物质在大气中传播、扩散稀释的机理和规律。

1 光源的选择和布局

1.1 光源的选择

目前的主流光源中，与太阳光谱匹配性最好的是瑞士Solaronix公司生产的Plasma等离子主灯，它高度仿真的太阳光谱达到国际电工委员会(IEC)标准A级[12]，也完全符合德国标准DIN75220H太阳模拟装置中自推进部件的老化试验和我国国家军用标准GJB150.7—86军用设备环境试验方法：太阳辐射试验。图1为大气顶部太阳光光谱、5 250 ℃黑体光谱和瑞士Solaronix公司Plasma光源光谱以及海面辐射光谱的对比图。该等离子主灯温度只有80 ℃左右，最大热能少于0.86 kW，对散热要求远远低于传统光源。该等离子主灯使用寿命大于25 000 h，在电功率调低照度时，光谱和均匀度能保持稳定。图2为Plasma光源实物图。

图1 光谱对比图Fig.1 Comparison of spectra

图2 Plasma光源实物图Fig.2 Plasma light source

1.2 光源的布局及坐标系的设定

光源的布局为光学系统设计的第1步。Plasma等离子灯是一种非相干光源，目标平面上产生的辐照度为各光源辐照度的叠加。设两个相邻光源的间距为d，它们在空间任意一点上的照度分布[13]为

(1)

式中：x、y分别为光源的X轴和Y轴坐标值；M、N为阵列光源的规模。

要使目标平面上的照度均匀且最大，对(1)式求2阶导数并令其等于0，再化简后[14]可得

(2)

对(2)式利用数值解法可得d=147.7 mm，此值即为相邻两个等离子灯光照均匀分布时所要求的间距。结合光源的尺寸、有效辐照面积以及研发成本，在X轴方向光源间距取610 mm，在Y轴方向光源间距取480 mm，从而在有效辐照面(6 000 mm×2 400 mm)内可形成5×10的矩阵排列，如图3所示。

图3 光源布局及坐标系的设定Fig.3 Layout of light source and coordinates

2 全光谱辐照系统辐照不均匀度计算及优化

2.1 矩形阵列全光谱辐照度的理论分析

理想的Plamas等离子发光体可视为一个朗伯点光源,其辐照分布[15]可表示为一个余弦函数[16]：

(3)

式中：E(r,θ)为辐射照度，r为光源与照明目标之间的距离，θ为出射光线与光轴间的夹角；I为沿光轴方向上的出射光强；m为与光源半衰角θ1/2有关的数值，

(4)

矩形阵列对空间中任意一点总的辐照度分布E(x,y,z)可表示为

(5)

对于侧壁，可以Phong光照模型为基础，利用光线追迹法对反射的辐照度进行计算[17]。最终在接收面上的辐照度分布用环境反射、漫反射以及镜面反射之和的形式表示，如(6)式所示：

(6)

式中：ks、ka、kd∈[0,1]为反射系数；e为Phong指数，e≥0：rj和n为光照方向向量；wo为极角；cb、cd、cl、cl,j为颜色值；ls、lj、ls,j为缩放系数，且ls,lj,ls,j∈[0,1)。

2.2 全光谱辐照系统辐照不均匀度的数值计算

全光谱辐照不均匀度的数值计算用Zemax软件进行。为使数值计算结果更加逼近实际工况，结合光源自身的几何结构特征，建模时采用了3种模型，发光体为光源椭圆体积模型，灯罩为复合抛物面矩形聚光器模型，两个侧板为矩形反光罩模型，3种模型的参数设定分别如表1、表2和表3所示。

表1 光源椭圆体积模型参数

表2 复合抛物面矩形聚光器模型参数

表3 矩形反光罩模型参数

考虑到侧板反射对底面辐照均匀度的影响，在Zemax软件中利用风洞模型对底板和两个侧板进行了相关参数的设定，具体设定如表4和表5所示。

表4 水平底板参数

表5 侧板1和侧板2参数设定

在数值计算时，用不同颜色分组区分50个光源，为了使计算结果更加精确，在计算时每个光源采用了10万条光线，共500万条光线来摸拟辐照时的光线分布。光谱辐射计对辐照度数值采集的功能在软件中由计算平面的特性设置来实现。为探讨有效辐照范围内辐照不均匀度与底面、光源间距离的关系，设置了4个与试验段底面平行，且距离s分别为0.2 m、0.5 m、1.0 m和1.2 m的计算平面，分别计算其辐照度。图4为光线分布的三维模型，对应的计算平面上辐照度二维映射逆灰度仿真结果如图5所示。结合图4和图5可以得出定性结论为：在所设定的光源布局方式下，被测试表面基本能被光源光线及侧板的反射光线完全覆盖。4个计算平面上的辐照不均匀度相比有较大差别；在同一个计算平面上，沿X轴方向的辐照不均匀度有较大变化，而沿Y轴方向的变化很小。

图4 光线分布的三维模型Fig.4 Distribution of rays in 3D model

取出4个计算平面上沿X轴方向和Y轴方向的辐照度数值，并分别以其X轴坐标值和Y轴坐标值为横坐标绘制成曲线，如图6和图7所示。

从图6和图7中可以看出：在长度方向上(X轴方向)辐照度数值变化较大，离光源越近，辐照度数值的变化越大，辐照度不均匀度也就越高；在宽度方向上(Y轴方向)辐照度数值变化很小，辐照不均匀度低，这与两个侧板距离较近且材料的反射率较高相关。

为了定量地分析4个计算平面上的辐照不均匀度，需要一个评定辐照不均匀度的标准。一般地，在评定一个平面上辐照度的均匀性时，除了考虑辐照度变化的幅值之外，还要考虑辐照强度。参照我国国家标准GB/T 33707—2017 气象太阳模拟器[18]，评定一个平面上辐照不均匀度的计算公式为

图5 4个计算平面上的辐照度二维映射逆灰度图Fig.5 2D mapping graphs of inverse gray scales of irradiances on four calculating planes

(7)

式中：Emax为各测试点辐照度最大值(W/m2)；Emin为各测试点辐照度最小值(W/m2)。

取出图6和图7各曲线上有效试验段内(6 000 mm×2 400 mm)的辐照度数值，并分别计算出4个计算平面上的辐照不均匀度，结果如表6所示。从表6可知，计算平面离光源越近，辐照不均匀度越大。这是因为随着与光源距离的减小，一是平均辐照强度增大了，二是不同光源之间的“重叠”区减小了，在与光源的距离近到一定程度的区域甚至会存在暗区，如图8所示。

表6 4个计算平面上辐照度数值计算结果

2.3 基于辐照度衰减模式的辐照不均匀度的优化

由Zemax软件仿真的结果可知，在计算平面距试验段底面0.2 m时，辐射区域的辐照不均匀度为9%. 为了得到更优的辐照均匀性，在辐照度为280 W/m2时[19]，可以利用辐照度衰减模式对辐照不均匀度进行优化。所谓辐照度衰减模式，是指在满足辐照强度的前提下，通过调节光源的控制系统使部分辐射单元的辐照度增强、部分辐射单元的辐照度减弱，从而使重叠区和独立辐照区的最大辐照强度与最小辐照强度的差值减小，按照(7)式，就能达到在整个计算平面上降低辐照不均匀度的目的。在实际操作时，可将每一个辐照单元的辐照强度按照一定的规律变化，从而在计算平面上形成一种动态平衡的效果。光源全光谱最大辐照度为1 120 W/m2，在280～1 120 W/m2范围内可连续电子调光，这为辐照度衰减模式的实现提供了有利条件。表7所示为辐照度衰减模式下一个试验效果较好的光源辐照度配置方式。按照这种配置方式，在距底面0.2 m计算平面上的均匀性仿真结果如图9所示。在整个平面上的辐照度最大值为308 W/m2，最小值为270 W/m2，按照(7)式可计算出辐照不均匀度为5.6%.

3 试验及结果分析

3.1 辐照不均匀度的测试

辐照不均匀度的测量选用澳大利亚Middleton公司生产的EQ08-S总辐射传感器，其主要性能指标为：波长测量范围为300～3 000 nm，辐照度测量范围为0～4 000 W/m2，信号响应时间小于15 s，不稳定性每年下降小于±0.5%，非线性度小于±0.5%[15]. 辐照不均匀度试验环境和传感器实物如图10所示。

图6 4个计算平面上沿X轴方向上的辐照度Fig.6 Irradiance along X axis on four calculating planes

图7 4个计算平面上沿Y轴方向上的辐照度Fig.7 Irradiance along Y axis on four calculating planes

表7 辐照度衰减模式下各光源辐照度的典型配置

图9 辐照度衰减模式下0.2 m计算平面上辐照度二维映射逆灰度图Fig.9 2D mapping graph of inverse gray scale of irradiance on 0.2 m calculating plane under irradiance decay pattern

图10 辐照不均匀度试验环境和传感器实物Fig.10 Testing environment for irradiance non-uniformity and irradiance sensor

辐照不均匀度的测量方法为：待系统工作稳定后，从有效矩形工作平面上选取4条测试线，如图11所示，然后从中心开始沿4条测试线每间隔0.1 m采集一个数据，从中选取最大值和最小值[20]。

图11 辐照不均匀度测量方法Fig.11 Irradiance non-uniformity testing method

试验结果为：在全光谱辐照系统未加入辐照度衰减模式，当电源输出功率最大和最小而探测器距试验段底面距离为0.2 m时,辐照不均匀度分别为9.6%和8.4%. 在全光谱辐照系统启动辐照度模式时，当电源输出功率最小(即辐照度为280 W/m2)且探测器距试验段底面距离为0.2 m时,辐照不均匀度为5.7%. 多次测量不同的电源输出功率辐照不均匀度均小于±10%,参考国家标准GB/T12637—1990太阳模拟器通用规范,该太阳模拟器光源阵列在辐照不均匀度指标上满足规范C级要求。

3.2 辐照不稳定度的测试

启用辐照度衰减模式后，在接收平面上辐照度的强弱是一个动态平衡的过程，该过程应该满足一定的稳定性才具有实用价值。辐照不稳定度是用辐照度随时间的变化率来表征的,在试验期间定期采集其数据,按(8)式求不稳定度[21]：

(8)

式中:E′max为被监测时间内辐照度的最大值；E′min为被监测时间内辐照度的最小值；T为监测时间间隔(h)。T在(8)式中不参加运算,只表明这个不稳定度是在T时间内发生的。在有效辐照范围内选定有效辐照面中心、有效辐照面边缘上任意一点,有效辐照面中心和边缘之间任意一点3个特征位置作为测试辐照不稳定度的位置，在探测器距试验段底面距离为0.2 m，光源开启25 min，辐照过程基本平衡后开始测量。每隔10 s采集一次数据,测试时间为1 h，结果如图12所示[22]。

图12 辐照不稳定度在3个典型测试点上的测试结果Fig.12 Irradiance instabilities at three testing points

图12的试验结果表明，在3个测试点上的辐照不稳定度均小于±10%,参考国家标准GB/T12637—1990太阳模拟器通用规范,该太阳模拟器光源阵列在启动辐照度衰减模式下，辐照不稳定度指标优于规范C级要求、接近B级要求。从图12中可以看出，辐照不稳定度最高为±5.31%，最低为±3.63%，均小于不均匀度指标±8.7%和±5.7%.

4 结论

1)针对目前在低辐照度时大幅面太阳模拟器辐照不均匀度难以达到国家标准、光源光谱匹配性差等不足，设计完成了一大幅面全光谱太阳模拟器，并在大气环境实验室方面得到了很好的应用。

2)利用Zemax软件对所设计的太阳模拟器辐照不均匀度和稳定性进行了数值分析，根据数值分析结果提出了辐照度衰减模式的概念，并以此概念为出发点对所设计的太阳模拟器辐照均匀性和稳定性进行了优化。

3)对辐照不均匀度、辐照不稳定度以及光源辐照度和谱段内辐照度进行了测量和分析。经过测试，在辐照度为280 W/m2时，辐照度衰减模式在未启动和启动时辐照不均匀度分别为8.4%和5.7%，参考国家标准GB/T12637—1990太阳模拟器通用规范，在2 400 mm×6 000 mm有效辐照面内，其辐照不均匀度满足规范C级标准、接近B级标准。

4)综合考虑风洞模型、复合抛物面矩形聚光器、矩形反光罩以及光源椭圆体积对光源光线的反射、漫反射以及吸收，对风洞模型、复合抛物面矩形聚光器、矩形反光罩以及光源椭圆体积进行精细化设置，使得仿真结果具有较强的参考价值，验证了在低辐照度时通过辐照度衰减模式改善辐照不均匀度的方法是可行的。本文研究成果为今后在低辐照度情况下改善大幅面太阳模拟器的辐照不均匀度，提供了一种新的思路和方法。