基于太阳模拟器的真实辐照度与真实准直角模拟方法研究

The sun simulation technology is the real simulation of solar radiation characteristics which using the collimation optical system and optical system，cooperating with the solar spectrum close to the light source under laboratory conditions. Existing solar simulation technology subjects to the limit of the optical system design parameters, especially the contradiction between the aperture size and energy transfer rate. So Existing solar simulation technology can't meet the real solar irradiance and the real sun beam Angle, thus restricted the test precision of the sun sensor, missile weapon equipment and photovoltaic equipment. Developing the new methods based on the sun simulator real irradiance and quasi real right angle simulation, break through the restriction with the real true irradiance quasi orthogonal simulation technology bottleneck problem. Analysis of the relations between the ellipsoidal condenser wrapping angle and the efficiency of the condenser, explore the method to improve the efficiency of the condenser, Research for the combination design method of the ellipsoid condenser and the spherical reflector,This method can improve the energy utilization ratio by 1-1.2 times; Analysis of the imaging optical integrator relationship, explore optical integrator aberration correction methods, propose a method which can provide optical integrator aperture utilization; At the same time, the optical system simulation model is set up, explore the light source, combined focusing system and the location of the optical integrator and irradiance as a function of irradiation uniformity, and verify the theoretical results.

太阳模拟技术是在实验室条件下，利用准直光学系统和匀光系统，配合与太阳光谱接近的光源，实现太阳辐射特性的真实模拟。现有太阳模拟技术受光学系统设计参数制约，尤其是光阑口径和能量传输率之间的矛盾，导致太阳模拟技术无法同时满足真实太阳辐照度和真实太阳光束准直角，从而制约了太阳敏感器、导弹武器装备和光伏设备等的检验精度。本项目开展基于太阳模拟器的真实辐照度与真实准直角模拟方法研究，突破制约真实辐照度与真实准直角模拟的技术瓶颈问题。分析椭球聚光镜包容角与聚光效率的关系，探索提高聚光效率的方法，研究椭球聚光镜和球面反光镜的组合设计方法，将能量利用率提高1-1.2倍；分析光学积分器的成像关系，探索光学积分器像差校正方法，提出可提供光学积分器孔径利用率的方法；同时，建立光学系统仿真模型，探索光源、组合聚光系统和光学积分器的位置和辐照度与辐照均匀性的函数关系，并验证理论结果。

为打破现有太阳模拟技术存在的辐照度与准直角相互制约问题，解决光阑口径和能量传输率之间的矛盾，开展了基于太阳模拟器的真实辐照度与真实准直角模拟方法研究。首先，以实现太阳辐照度、准直角和辐照均匀性模拟为目标，提出了太阳模拟器光学系统的总体设计方法，实现了太阳辐射量与几何量的模拟；然后，以提高光源能量利用率为目标，分析了椭球聚光镜包容角与聚光效率的关系，提出并优化设计了由椭球聚光镜和球面反光镜组成的组合聚光系统，将光源能量利用率提高1倍；接着，以提高太阳辐照均匀性为目标，研究光学积分器的匀光原理，提出了由附加镜Ⅰ、场镜组、投影镜组和附加镜Ⅱ组成的光学积分器，并利用Zemax软件对光学积分器从成像角度进行序列优化，从能量角度进行非序列建模，提高了光学积分器的孔径利用率和辐照面的辐照均匀性；最后，建立了太阳模拟器光学系统仿真模型，其中，针对氙灯光源提出来了灯弧嵌套建模方法，从实体模型构成、光强空间分析和发光特性分析三个方面进行了建模分析，仿真结果与氙灯参数接近；分别对椭球聚光镜和组合聚光镜进行建模与分析，仿真结果表明组合聚光镜可有效提高光能利用率，配合光学积分器实现了1546 w/m2的太阳辐照度模拟；通过对氙灯和光学积分器的离焦分析，探明了太阳辐照均匀性的最佳位置规律，并对光学积分器元素透镜数量对辐照均匀性的影响进行了仿真分析，发现使用19通道元素透镜最具工程意义。.本项目的研究对提高我国太阳模拟器研制水平具有重要理论意义，可解决太阳敏感器的地面标定与精度测试难题，为高精度太阳敏感器及未来其它新型太阳敏感器模拟试验、性能测试与精度标定、太阳观测望远镜的内部结构热平衡试验、太阳敏感器的整机一体化功能试验验证、星上产品的质量考核和性能测试等奠定了工程技术，并在导弹武器等设备研制阶段的太阳干扰试验、气象观测仪器的室内监测与定标、光伏产业设备的实验室检验与测试等领域具有广泛的应用前景。