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可进行遥感室内试验的太阳模拟器

已有 5814 次阅读 2012-6-19 10:14 |系统分类:科研笔记| 遥感, 试验, 太阳模拟器

    遥感试验是遥感建模的重要工具。而遥感试验所受的外部影响很大,创造一个可控的环境是一个选择。可控环境中太阳是最重要的一个因素之一。
    太阳模拟技术是利用人工光源模拟太阳光辐照特性的技术,其主要作用提供与太阳光谱相匹配的、均匀的、准直稳定的且具有一定辐照度的光源,是模拟太阳光辐照特性的一种试验与测试设备。其应用领域非常广泛,如卫星的热平衡试验、卫星姿态部件的测试标定、空间实验室的模拟、遥感技术、太阳能电池的检测与标定、植物发育和良种培育、材料的耐辐照老化试验、汽车空调检验、军用产品试验等。特别地,在遥感领域,太阳模拟器的可实现实验室光谱测量遥感模拟仿真、测量仪器和遥感相机的实验室辐射定标
    遥感科学国家重点实验室的太阳模拟器为3A级大型太阳模拟器,光源为3000W短弧氙灯,光谱范围为350~1100nm,光谱分布符合AM-1.5G,出光口径为300mm*300mm的方形,辐射照度为1000W/m21 Sun),最大能量衰减为0.2 Sun,具有光学快门,可连续工作,内置传感器进行光强反馈控制,可保证长期稳定的光强输出。

简介

早在20世纪50年代,国外就开始了模拟太阳辐射的研究,美国和前苏联是最早开始研制太阳模拟器的国家,相继制定了日光辐射试验方法,并研制了相应的试验设备。初期研制的太阳模拟器辐照度较低,辐照不均匀度也只能达到士10%。由于他们起步较早厂技术上现在还处于领先水平。20世纪50年代末,我国引用苏联标准:NEOO05009作为无线电产品日光辐射试验方法。我国于1965年研制出了第一台氙灯模拟日光辐射试验箱。美国20世纪60年代初在中76O0fnln的立式空间环模拟设备上建造了一套同轴太阳模拟器。欧空局20世纪80年代初在ESTEC大型空间环模拟设备上建立了大型太阳模拟器,吸取了其他国家的研制经验和先进技术,采用离轴准直光学系统,输出光为水平方向,离轴角为29“,准直角为士1.9“。日本20世纪80年代末在大型空间环境模拟器设备上配置了大型太阳模拟器,该太阳模拟器采用离轴光学系统,离轴角为27.3“,准直角为士1.5“,辐照面不均匀度为士50k,辐照体不均匀度为士10%,辐照度达到1758W/m,,光谱为未经滤光的氙灯光谱。德国在20世纪80年代初建成了大型太阳模拟器,采用离轴准直光学系统,离轴角27“,辐照面中3600Inln,面辐照不均匀度士4%,体辐照不均匀度士60k,光谱为未经过滤光的氙灯光谱,辐照度达到1895w/mZ。法国在20世纪70年代研制出了大型太阳模拟器,该太阳模拟器的光源由34只氙灯组成,辐照面积为中380OInln,辐照度达1894w/mZ,准直角达到士1.5“,辐照面不均匀度士50/0,辐照体不均匀度士8%,辐照不稳定度士0.5cy0,该太阳模拟器目前仍在使用中。近年来,我国所研制的太阳模拟器的主要技术指标已达到工EC/TC82(国际电工委员会光伏系统标准化技术委员会)规定的A级太阳模拟器水平。

 

应用领域

太阳模拟器的应用领域非常广泛。太阳模拟器是太阳敏感器地面模拟试验和性能测试与标定的重要设备,在地面上模拟太阳光辐照特性,用来模拟空间环境,主要用于航天器(飞行器)空间环境模拟试验,近几年在空间技术、太阳能利用以及遥感技术等领域也把它作为太阳光模拟光源,具有广泛的应用价值。应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分(完成卫星的热平衡试验,检验卫星的热设计)。研制的中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在太阳光伏科学与工程中,这种类型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标定。农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。

在遥感领域,太阳模拟器的可实现实验室光谱测量遥感模拟仿真测量仪器和遥感相机的实验室辐射定标。利用太阳模拟器等设备将更好的了解遥感的基本原理,获取更高精度的遥感数据,进而为提高遥感的定量化水平,促进遥感应用的快速高效发展,提供了仪器和基础设备支持。

 

性能指标

1.总辐照度

模拟器必须能够在测试平面上达到1000W/平方米的标准辐照度(用标准电池测量),并根据需要可对辐照度在标准辐照度值上下进行一定的调节。

2.光谱匹配

模拟器光谱辐照度分布应与标准光谱辐照度分布匹配.等级A的匹配度在0.75~1.25,等级B的匹配度在0.6~1.4,等级C的匹配度在0.4~2.0

3.均匀度

在测试平面上,指定测试区域内的辐照度应该达到一定的均匀度,辐照度用合适的探测器量测.等级A的辐照均匀度<=+/-2%,等级B的辐照均匀度<=+/-5%,等级C的辐照均匀度<=+/-10%

不均匀度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%

其中,最大辐照度和最小辐照度是指在指定范围内探测器在任意指定点的测量值。

4.辐照稳定度

数据采集期间,辐照度应该具有一定的稳定度。等级A的稳定度在<=+/-2%,等级B的稳定度在<=+/-5%,等级C的稳定度在<=+/-10%

辐照不稳定度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%

其中,最大辐照度和最小辐照度是数据采集期间在测试平面内探测器在任意指定点的测量值。

 

仪器结构

采用离轴光学系统。这种结构由于辐照体或辐照面的对称轴与光线系统的光轴不重合,可以消除辐照体表面反射造成的福照度误差,从而能获得较好的辐照不均匀度。

为了实现低照度(比如0.2 Sun),在光学积分器和滤光片前方布置了一个衰减片插槽,通过插入不同衰减程度的衰减片,使得最终的输出照度降低。

1,氙灯 3,聚光罩 3,反射板  4,滤镜 5,光学积分器 6,反射板 7,准直透镜

其中,滤镜是air mass滤光片,作用是修改光谱,模拟在不同环境下的光谱近似分布。AM1.5 是校正光谱使之接近太阳光直接48.2度照射地面时的光谱分布。

其他

1,分类

太阳模拟器分为稳态太阳模拟器和脉冲太阳模拟器两种,其中稳态太阳模拟器是工作时输出辐照度稳定不变的太阳模拟器,优点是提供连续照射的标准太阳光。缺点是为了获得较大的辐照面积,光学系统及供电系统非常庞大。脉冲太阳模拟器是工作时不连续发光,只在很短的时间内(通常是毫秒级以下)以脉冲形式发光。其优点是瞬间功率可以很短,很平均功率却很小。缺点是由于测试工作在极短的时间内进行,数据采集系统复杂。

2光源

稳态太阳模拟器一般采用短弧氙灯,脉冲太阳模拟器一般采用脉冲氙灯,脉冲氙灯相比稳态氙灯光谱特性更接近日光。目前还有以LED作为光源的太阳模拟器光源研究。



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2 钱磊 anonymity

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