大幅面太陽(yáng)全光譜輻照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉建河，白海龍，趙玉丹

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022； 2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

大幅面太陽(yáng)全光譜輻照系統(tǒng)是太陽(yáng)模擬器的重要組成部分,在航空航天、太陽(yáng)能利用、新材料研制、醫(yī)療保健、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)等方面具有廣泛應(yīng)用[1-2]。2015年，美國(guó)Newport公司研發(fā)的發(fā)光二極管(LED)太陽(yáng)模擬器選取了19種LED，在50 mm×50 mm面積內(nèi)輻照度達(dá)到1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)[3]。2016年，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了一種10維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的掃描式氙燈太陽(yáng)模擬器，并建立了它們關(guān)于照明姿態(tài)和位置的控制方程，完成了被測(cè)樣件的空間環(huán)境模擬照明[4]。2017年，長(zhǎng)春理工大學(xué)研制出LED陣列光源的太陽(yáng)模擬器，綜合性能指標(biāo)達(dá)到太陽(yáng)模擬器中的3A級(jí)水平[5]。太陽(yáng)模擬器中全光譜輻照系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽(yáng)模擬器[6-8]相比，采用光源有序排布的方式設(shè)計(jì)，其光照系統(tǒng)具有輻照面積大、經(jīng)濟(jì)性好等突出特點(diǎn)[9]，應(yīng)用范圍日趨廣泛。輻照不均勻度是太陽(yáng)模擬器的一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)，它反映了輻照空間或輻照面上各點(diǎn)的輻照度相對(duì)于整個(gè)輻照空間或輻照面上輻照度平均值的偏差，表征了輻照空間或輻照面均勻輻照的程度[10]。當(dāng)采用太陽(yáng)模擬器方法進(jìn)行衛(wèi)星的熱試驗(yàn)時(shí)，輻照的均勻程度將直接影響熱模擬的準(zhǔn)確性；在資源衛(wèi)星的多光譜定標(biāo)設(shè)備中，輻照的均勻程度會(huì)直接影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性。

綜上所述，研究如何降低太陽(yáng)模擬器的輻照不均勻度，對(duì)太陽(yáng)模擬器的設(shè)計(jì)、加工、驗(yàn)收和檢定都有著重要的意義[11]。傳統(tǒng)的太陽(yáng)模擬器主要通過光學(xué)積分器、燈的圓弧形曲面布局等來提高輻照均勻度。為滿足環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)面積大、低輻照不均勻性等苛刻的光照環(huán)境需求，本研究中所研制的全光譜輻照系統(tǒng)去除了積分器結(jié)構(gòu)，光源布局在同一平面內(nèi)，采用輻照度衰減模式來提高輻照均勻度，使得輻照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉，重點(diǎn)用于研究有害物質(zhì)在大氣中傳播、擴(kuò)散稀釋的機(jī)理和規(guī)律。

1 光源的選擇和布局

1.1 光源的選擇

目前的主流光源中，與太陽(yáng)光譜匹配性最好的是瑞士Solaronix公司生產(chǎn)的Plasma等離子主燈，它高度仿真的太陽(yáng)光譜達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)[12]，也完全符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN75220H太陽(yáng)模擬裝置中自推進(jìn)部件的老化試驗(yàn)和我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150.7—86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)。圖1為大氣頂部太陽(yáng)光光譜、5 250 ℃黑體光譜和瑞士Solaronix公司Plasma光源光譜以及海面輻射光譜的對(duì)比圖。該等離子主燈溫度只有80 ℃左右，最大熱能少于0.86 kW，對(duì)散熱要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光源。該等離子主燈使用壽命大于25 000 h，在電功率調(diào)低照度時(shí)，光譜和均勻度能保持穩(wěn)定。圖2為Plasma光源實(shí)物圖。

圖1 光譜對(duì)比圖Fig.1 Comparison of spectra

圖2 Plasma光源實(shí)物圖Fig.2 Plasma light source

1.2 光源的布局及坐標(biāo)系的設(shè)定

光源的布局為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第1步。Plasma等離子燈是一種非相干光源，目標(biāo)平面上產(chǎn)生的輻照度為各光源輻照度的疊加。設(shè)兩個(gè)相鄰光源的間距為d，它們?cè)诳臻g任意一點(diǎn)上的照度分布[13]為

(1)

式中：x、y分別為光源的X軸和Y軸坐標(biāo)值；M、N為陣列光源的規(guī)模。

要使目標(biāo)平面上的照度均勻且最大，對(duì)(1)式求2階導(dǎo)數(shù)并令其等于0，再化簡(jiǎn)后[14]可得

(2)

對(duì)(2)式利用數(shù)值解法可得d=147.7 mm，此值即為相鄰兩個(gè)等離子燈光照均勻分布時(shí)所要求的間距。結(jié)合光源的尺寸、有效輻照面積以及研發(fā)成本，在X軸方向光源間距取610 mm，在Y軸方向光源間距取480 mm，從而在有效輻照面(6 000 mm×2 400 mm)內(nèi)可形成5×10的矩陣排列，如圖3所示。

圖3 光源布局及坐標(biāo)系的設(shè)定Fig.3 Layout of light source and coordinates

2 全光譜輻照系統(tǒng)輻照不均勻度計(jì)算及優(yōu)化

2.1 矩形陣列全光譜輻照度的理論分析

理想的Plamas等離子發(fā)光體可視為一個(gè)朗伯點(diǎn)光源,其輻照分布[15]可表示為一個(gè)余弦函數(shù)[16]：

(3)

式中：E(r,θ)為輻射照度，r為光源與照明目標(biāo)之間的距離，θ為出射光線與光軸間的夾角；I為沿光軸方向上的出射光強(qiáng)；m為與光源半衰角θ1/2有關(guān)的數(shù)值，

(4)

矩形陣列對(duì)空間中任意一點(diǎn)總的輻照度分布E(x,y,z)可表示為

(5)

對(duì)于側(cè)壁，可以Phong光照模型為基礎(chǔ)，利用光線追跡法對(duì)反射的輻照度進(jìn)行計(jì)算[17]。最終在接收面上的輻照度分布用環(huán)境反射、漫反射以及鏡面反射之和的形式表示，如(6)式所示：

(6)

式中：ks、ka、kd∈[0,1]為反射系數(shù)；e為Phong指數(shù)，e≥0：rj和n為光照方向向量；wo為極角；cb、cd、cl、cl,j為顏色值；ls、lj、ls,j為縮放系數(shù)，且ls,lj,ls,j∈[0,1)。

2.2 全光譜輻照系統(tǒng)輻照不均勻度的數(shù)值計(jì)算

全光譜輻照不均勻度的數(shù)值計(jì)算用Zemax軟件進(jìn)行。為使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加逼近實(shí)際工況，結(jié)合光源自身的幾何結(jié)構(gòu)特征，建模時(shí)采用了3種模型，發(fā)光體為光源橢圓體積模型，燈罩為復(fù)合拋物面矩形聚光器模型，兩個(gè)側(cè)板為矩形反光罩模型，3種模型的參數(shù)設(shè)定分別如表1、表2和表3所示。

表1 光源橢圓體積模型參數(shù)

表2 復(fù)合拋物面矩形聚光器模型參數(shù)

表3 矩形反光罩模型參數(shù)

考慮到側(cè)板反射對(duì)底面輻照均勻度的影響，在Zemax軟件中利用風(fēng)洞模型對(duì)底板和兩個(gè)側(cè)板進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，具體設(shè)定如表4和表5所示。

表4 水平底板參數(shù)

表5 側(cè)板1和側(cè)板2參數(shù)設(shè)定

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，用不同顏色分組區(qū)分50個(gè)光源，為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，在計(jì)算時(shí)每個(gè)光源采用了10萬(wàn)條光線，共500萬(wàn)條光線來摸擬輻照時(shí)的光線分布。光譜輻射計(jì)對(duì)輻照度數(shù)值采集的功能在軟件中由計(jì)算平面的特性設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。為探討有效輻照范圍內(nèi)輻照不均勻度與底面、光源間距離的關(guān)系，設(shè)置了4個(gè)與試驗(yàn)段底面平行，且距離s分別為0.2 m、0.5 m、1.0 m和1.2 m的計(jì)算平面，分別計(jì)算其輻照度。圖4為光線分布的三維模型，對(duì)應(yīng)的計(jì)算平面上輻照度二維映射逆灰度仿真結(jié)果如圖5所示。結(jié)合圖4和圖5可以得出定性結(jié)論為：在所設(shè)定的光源布局方式下，被測(cè)試表面基本能被光源光線及側(cè)板的反射光線完全覆蓋。4個(gè)計(jì)算平面上的輻照不均勻度相比有較大差別；在同一個(gè)計(jì)算平面上，沿X軸方向的輻照不均勻度有較大變化，而沿Y軸方向的變化很小。

圖4 光線分布的三維模型Fig.4 Distribution of rays in 3D model

取出4個(gè)計(jì)算平面上沿X軸方向和Y軸方向的輻照度數(shù)值，并分別以其X軸坐標(biāo)值和Y軸坐標(biāo)值為橫坐標(biāo)繪制成曲線，如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出：在長(zhǎng)度方向上(X軸方向)輻照度數(shù)值變化較大，離光源越近，輻照度數(shù)值的變化越大，輻照度不均勻度也就越高；在寬度方向上(Y軸方向)輻照度數(shù)值變化很小，輻照不均勻度低，這與兩個(gè)側(cè)板距離較近且材料的反射率較高相關(guān)。

為了定量地分析4個(gè)計(jì)算平面上的輻照不均勻度，需要一個(gè)評(píng)定輻照不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，在評(píng)定一個(gè)平面上輻照度的均勻性時(shí)，除了考慮輻照度變化的幅值之外，還要考慮輻照強(qiáng)度。參照我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33707—2017 氣象太陽(yáng)模擬器[18]，評(píng)定一個(gè)平面上輻照不均勻度的計(jì)算公式為

圖5 4個(gè)計(jì)算平面上的輻照度二維映射逆灰度圖Fig.5 2D mapping graphs of inverse gray scales of irradiances on four calculating planes

(7)

式中：Emax為各測(cè)試點(diǎn)輻照度最大值(W/m2)；Emin為各測(cè)試點(diǎn)輻照度最小值(W/m2)。

取出圖6和圖7各曲線上有效試驗(yàn)段內(nèi)(6 000 mm×2 400 mm)的輻照度數(shù)值，并分別計(jì)算出4個(gè)計(jì)算平面上的輻照不均勻度，結(jié)果如表6所示。從表6可知，計(jì)算平面離光源越近，輻照不均勻度越大。這是因?yàn)殡S著與光源距離的減小，一是平均輻照強(qiáng)度增大了，二是不同光源之間的“重疊”區(qū)減小了，在與光源的距離近到一定程度的區(qū)域甚至?xí)嬖诎祬^(qū)，如圖8所示。

表6 4個(gè)計(jì)算平面上輻照度數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3 基于輻照度衰減模式的輻照不均勻度的優(yōu)化

由Zemax軟件仿真的結(jié)果可知，在計(jì)算平面距試驗(yàn)段底面0.2 m時(shí)，輻射區(qū)域的輻照不均勻度為9%. 為了得到更優(yōu)的輻照均勻性，在輻照度為280 W/m2時(shí)[19]，可以利用輻照度衰減模式對(duì)輻照不均勻度進(jìn)行優(yōu)化。所謂輻照度衰減模式，是指在滿足輻照強(qiáng)度的前提下，通過調(diào)節(jié)光源的控制系統(tǒng)使部分輻射單元的輻照度增強(qiáng)、部分輻射單元的輻照度減弱，從而使重疊區(qū)和獨(dú)立輻照區(qū)的最大輻照強(qiáng)度與最小輻照強(qiáng)度的差值減小，按照(7)式，就能達(dá)到在整個(gè)計(jì)算平面上降低輻照不均勻度的目的。在實(shí)際操作時(shí)，可將每一個(gè)輻照單元的輻照強(qiáng)度按照一定的規(guī)律變化，從而在計(jì)算平面上形成一種動(dòng)態(tài)平衡的效果。光源全光譜最大輻照度為1 120 W/m2，在280～1 120 W/m2范圍內(nèi)可連續(xù)電子調(diào)光，這為輻照度衰減模式的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件。表7所示為輻照度衰減模式下一個(gè)試驗(yàn)效果較好的光源輻照度配置方式。按照這種配置方式，在距底面0.2 m計(jì)算平面上的均勻性仿真結(jié)果如圖9所示。在整個(gè)平面上的輻照度最大值為308 W/m2，最小值為270 W/m2，按照(7)式可計(jì)算出輻照不均勻度為5.6%.

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 輻照不均勻度的測(cè)試

輻照不均勻度的測(cè)量選用澳大利亞Middleton公司生產(chǎn)的EQ08-S總輻射傳感器，其主要性能指標(biāo)為：波長(zhǎng)測(cè)量范圍為300～3 000 nm，輻照度測(cè)量范圍為0～4 000 W/m2，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于15 s，不穩(wěn)定性每年下降小于±0.5%，非線性度小于±0.5%[15]. 輻照不均勻度試驗(yàn)環(huán)境和傳感器實(shí)物如圖10所示。

圖6 4個(gè)計(jì)算平面上沿X軸方向上的輻照度Fig.6 Irradiance along X axis on four calculating planes

圖7 4個(gè)計(jì)算平面上沿Y軸方向上的輻照度Fig.7 Irradiance along Y axis on four calculating planes

表7 輻照度衰減模式下各光源輻照度的典型配置

圖9 輻照度衰減模式下0.2 m計(jì)算平面上輻照度二維映射逆灰度圖Fig.9 2D mapping graph of inverse gray scale of irradiance on 0.2 m calculating plane under irradiance decay pattern

圖10 輻照不均勻度試驗(yàn)環(huán)境和傳感器實(shí)物Fig.10 Testing environment for irradiance non-uniformity and irradiance sensor

輻照不均勻度的測(cè)量方法為：待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，從有效矩形工作平面上選取4條測(cè)試線，如圖11所示，然后從中心開始沿4條測(cè)試線每間隔0.1 m采集一個(gè)數(shù)據(jù)，從中選取最大值和最小值[20]。

圖11 輻照不均勻度測(cè)量方法Fig.11 Irradiance non-uniformity testing method

試驗(yàn)結(jié)果為：在全光譜輻照系統(tǒng)未加入輻照度衰減模式，當(dāng)電源輸出功率最大和最小而探測(cè)器距試驗(yàn)段底面距離為0.2 m時(shí),輻照不均勻度分別為9.6%和8.4%. 在全光譜輻照系統(tǒng)啟動(dòng)輻照度模式時(shí)，當(dāng)電源輸出功率最小(即輻照度為280 W/m2)且探測(cè)器距試驗(yàn)段底面距離為0.2 m時(shí),輻照不均勻度為5.7%. 多次測(cè)量不同的電源輸出功率輻照不均勻度均小于±10%,參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽(yáng)模擬器通用規(guī)范,該太陽(yáng)模擬器光源陣列在輻照不均勻度指標(biāo)上滿足規(guī)范C級(jí)要求。

3.2 輻照不穩(wěn)定度的測(cè)試

啟用輻照度衰減模式后，在接收平面上輻照度的強(qiáng)弱是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，該過程應(yīng)該滿足一定的穩(wěn)定性才具有實(shí)用價(jià)值。輻照不穩(wěn)定度是用輻照度隨時(shí)間的變化率來表征的,在試驗(yàn)期間定期采集其數(shù)據(jù),按(8)式求不穩(wěn)定度[21]：

(8)

式中:E′max為被監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)輻照度的最大值；E′min為被監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)輻照度的最小值；T為監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔(h)。T在(8)式中不參加運(yùn)算,只表明這個(gè)不穩(wěn)定度是在T時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。在有效輻照范圍內(nèi)選定有效輻照面中心、有效輻照面邊緣上任意一點(diǎn),有效輻照面中心和邊緣之間任意一點(diǎn)3個(gè)特征位置作為測(cè)試輻照不穩(wěn)定度的位置，在探測(cè)器距試驗(yàn)段底面距離為0.2 m，光源開啟25 min，輻照過程基本平衡后開始測(cè)量。每隔10 s采集一次數(shù)據(jù),測(cè)試時(shí)間為1 h，結(jié)果如圖12所示[22]。

圖12 輻照不穩(wěn)定度在3個(gè)典型測(cè)試點(diǎn)上的測(cè)試結(jié)果Fig.12 Irradiance instabilities at three testing points

圖12的試驗(yàn)結(jié)果表明，在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的輻照不穩(wěn)定度均小于±10%,參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽(yáng)模擬器通用規(guī)范,該太陽(yáng)模擬器光源陣列在啟動(dòng)輻照度衰減模式下，輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范C級(jí)要求、接近B級(jí)要求。從圖12中可以看出，輻照不穩(wěn)定度最高為±5.31%，最低為±3.63%，均小于不均勻度指標(biāo)±8.7%和±5.7%.

4 結(jié)論

1)針對(duì)目前在低輻照度時(shí)大幅面太陽(yáng)模擬器輻照不均勻度難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、光源光譜匹配性差等不足，設(shè)計(jì)完成了一大幅面全光譜太陽(yáng)模擬器，并在大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)室方面得到了很好的應(yīng)用。

2)利用Zemax軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)模擬器輻照不均勻度和穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出了輻照度衰減模式的概念，并以此概念為出發(fā)點(diǎn)對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)模擬器輻照均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。

3)對(duì)輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度以及光源輻照度和譜段內(nèi)輻照度進(jìn)行了測(cè)量和分析。經(jīng)過測(cè)試，在輻照度為280 W/m2時(shí)，輻照度衰減模式在未啟動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)輻照不均勻度分別為8.4%和5.7%，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽(yáng)模擬器通用規(guī)范，在2 400 mm×6 000 mm有效輻照面內(nèi)，其輻照不均勻度滿足規(guī)范C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、接近B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4)綜合考慮風(fēng)洞模型、復(fù)合拋物面矩形聚光器、矩形反光罩以及光源橢圓體積對(duì)光源光線的反射、漫反射以及吸收，對(duì)風(fēng)洞模型、復(fù)合拋物面矩形聚光器、矩形反光罩以及光源橢圓體積進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置，使得仿真結(jié)果具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，驗(yàn)證了在低輻照度時(shí)通過輻照度衰減模式改善輻照不均勻度的方法是可行的。本文研究成果為今后在低輻照度情況下改善大幅面太陽(yáng)模擬器的輻照不均勻度，提供了一種新的思路和方法。