大幅面太陽全光譜輻照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉建河，白海龍，趙玉丹

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

0 引言

大幅面太陽全光譜輻照系統(tǒng)是太陽模擬器的重要組成部分,在航空航天、太陽能利用、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Newport公司研發(fā)的發(fā)光二極管(LED)太陽模擬器選取了19種LED，在50 mm×50 mm面積內(nèi)輻照度達(dá)到1個太陽常數(shù)[3]。2016年，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了一種10維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的掃描式氙燈太陽模擬器，并建立了它們關(guān)于照明姿態(tài)和位置的控制方程，完成了被測樣件的空間環(huán)境模擬照明[4]。2017年，長春理工大學(xué)研制出LED陣列光源的太陽模擬器，綜合性能指標(biāo)達(dá)到太陽模擬器中的3A級水平[5]。太陽模擬器中全光譜輻照系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽模擬器[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)的輻照度相對于整個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)采用太陽模擬器方法進(jìn)行衛(wèi)星的熱試驗(yàn)時，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，輻照的均勻程度會直接影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性。

綜上所述，研究如何降低太陽模擬器的輻照不均勻度，對太陽模擬器的設(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，它高度仿真的太陽光譜達(dá)到國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)A級[12]，也完全符合德國標(biāo)準(zhǔn)DIN75220H太陽模擬裝置中自推進(jìn)部件的老化試驗(yàn)和我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150.7—86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法：太陽輻射試驗(yàn)。圖1為大氣頂部太陽光光譜、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，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)兩個相鄰光源的間距為d，它們在空間任意一點(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(1)式求2階導(dǎo)數(shù)并令其等于0，再化簡后[14]可得

(2)

對(2)式利用數(shù)值解法可得d=147.7 mm，此值即為相鄰兩個等離子燈光照均勻分布時所要求的間距。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)光體可視為一個朗伯點(diǎn)光源,其輻照分布[15]可表示為一個余弦函數(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)

對于側(cè)壁，可以Phong光照模型為基礎(chǔ)，利用光線追跡法對反射的輻照度進(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)板反射對底面輻照均勻度的影響，在Zemax軟件中利用風(fēng)洞模型對底板和兩個側(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，用不同顏色分組區(qū)分50個光源，為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，在計(jì)算時每個光源采用了10萬條光線，共500萬條光線來摸擬輻照時的光線分布。光譜輻射計(jì)對輻照度數(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個計(jì)算平面上的輻照不均勻度相比有較大差別；在同一個計(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個計(jì)算平面上的輻照不均勻度，需要一個評定輻照不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，在評定一個平面上輻照度的均勻性時，除了考慮輻照度變化的幅值之外，還要考慮輻照強(qiáng)度。參照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33707—2017 氣象太陽模擬器[18]，評定一個平面上輻照不均勻度的計(jì)算公式為

圖5 4個計(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為各測試點(diǎn)輻照度最大值(W/m2)；Emin為各測試點(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，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[19]，可以利用輻照度衰減模式對輻照不均勻度進(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)到在整個計(jì)算平面上降低輻照不均勻度的目的。在實(shí)際操作時，可將每一個輻照單元的輻照強(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 輻照不均勻度的測試

輻照不均勻度的測量選用澳大利亞Middleton公司生產(chǎn)的EQ08-S總輻射傳感器，其主要性能指標(biāo)為：波長測量范圍為300～3 000 nm，輻照度測量范圍為0～4 000 W/m2，信號響應(yīng)時間小于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條測試線，如圖11所示，然后從中心開始沿4條測試線每間隔0.1 m采集一個數(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器距試驗(yàn)段底面距離為0.2 m時,輻照不均勻度分別為9.6%和8.4%. 在全光譜輻照系統(tǒng)啟動輻照度模式時，當(dāng)電源輸出功率最小(即輻照度為280 W/m2)且探測器距試驗(yàn)段底面距離為0.2 m時,輻照不均勻度為5.7%. 多次測量不同的電源輸出功率輻照不均勻度均小于±10%,參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽模擬器通用規(guī)范,該太陽模擬器光源陣列在輻照不均勻度指標(biāo)上滿足規(guī)范C級要求。

3.2 輻照不穩(wěn)定度的測試

啟用輻照度衰減模式后，在接收平面上輻照度的強(qiáng)弱是一個動態(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)用價值。輻照不穩(wěn)定度是用輻照度隨時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)測時間內(nèi)輻照度的最大值；E′min為被監(jiān)測時間內(nèi)輻照度的最小值；T為監(jiān)測時間間隔(h)。T在(8)式中不參加運(yùn)算,只表明這個不穩(wěn)定度是在T時間內(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個特征位置作為測試輻照不穩(wěn)定度的位置，在探測器距試驗(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量。每隔10 s采集一次數(shù)據(jù),測試時間為1 h，結(jié)果如圖12所示[22]。

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

圖12的試驗(yàn)結(jié)果表明，在3個測試點(diǎn)上的輻照不穩(wěn)定度均小于±10%,參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽模擬器通用規(guī)范,該太陽模擬器光源陣列在啟動輻照度衰減模式下，輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范C級要求、接近B級要求。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)針對目前在低輻照度時大幅面太陽模擬器輻照不均勻度難以達(dá)到國家標(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軟件對所設(shè)計(jì)的太陽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)對所設(shè)計(jì)的太陽模擬器輻照均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。

3)對輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度以及光源輻照度和譜段內(nèi)輻照度進(jìn)行了測量和分析。經(jīng)過測試，在輻照度為280 W/m2時，輻照度衰減模式在未啟動和啟動時輻照不均勻度分別為8.4%和5.7%，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637—1990太陽模擬器通用規(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級標(biāo)準(zhǔn)、接近B級標(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光源光線的反射、漫反射以及吸收，對風(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)的參考價值，驗(yàn)證了在低輻照度時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模擬器的輻照不均勻度，提供了一種新的思路和方法。