王雨暢，張國玉，孫高飛，劉石，張健，明杉熾

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

日照時數(shù)是地面氣象觀測的基本觀測項目。世界氣象組織將其定義為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的各段時間的總和。測量日照時數(shù)的儀器是日照計，日照計的主流是光電式日照計。為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對出廠后的日照計進(jìn)行閾值校準(zhǔn)是十分重要的。日照計的室外檢測法是將日照計和直接輻射表放在同一實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，直接輻射表安裝在太陽跟蹤裝置上，以直射表的測量值為閾值參考值校準(zhǔn)日照計。但是這種方法存在很大的不足，由于云層條件不同時天空散射輻射值并不為一恒定值，導(dǎo)致檢測結(jié)果精度低，誤差大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示室外檢測的日照計閾值誤差范圍為9.3～10.3 W/m2，并且計量結(jié)果難以重復(fù)實(shí)現(xiàn)［1-2］，所以研究不受環(huán)境條件制約的室內(nèi)檢測系統(tǒng)迫在眉睫。

國外對日照計室內(nèi)檢測的研究開展比較早，1993年P(guān)HILIPONA R 等［2］使用商用太陽模擬器、激光對準(zhǔn)系統(tǒng)、平移機(jī)構(gòu)和投影鏡設(shè)計了一套氣象儀器的室內(nèi)檢測設(shè)備，當(dāng)它應(yīng)用于日照計檢測時，其精度平均保持在0.8%以內(nèi)。近年來，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)也開始了相關(guān)的研究，崇偉、呂文華等［1］設(shè)計了用于旋轉(zhuǎn)熱釋電日照計的室內(nèi)檢測系統(tǒng)，與直接輻射表測量的日照時數(shù)參考值相比，該室內(nèi)檢測系統(tǒng)的相對誤差小于1%，絕對誤差小于0.26 h；王凌云等［3］研究了日照計檢測系統(tǒng)中的散射輻射模擬方法，通過分析日照百分率、日平均氣溫、日均水汽壓和PM2.5 濃度四項基本氣象參數(shù)和輻射之間的相關(guān)性分析，建立散射輻射擬合方程，擬合系數(shù)大于0.8，較好地解決了室內(nèi)模擬散射輻射的問題；楊俊杰等［4］研究了日照計檢測系統(tǒng)的裝調(diào)方法，建立了檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)鏈，裝調(diào)后的系統(tǒng)在4 小時中的模擬誤差是3.75%，并保證了測試結(jié)果的可追溯性。以上研究均有明確的研究重點(diǎn)，但是，目前針對日照計檢測系統(tǒng)中存在的直接輻射與散射輻射相互干擾的問題及其相對應(yīng)的輻射抑制方法尚缺乏足夠的分析。這直接導(dǎo)致室內(nèi)檢測系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)室內(nèi)校準(zhǔn)值要大于室外校準(zhǔn)值的情況，同時直接輻射和散射輻射模擬裝置同時工作時日照計實(shí)際接收的直接輻射和散射輻射值與設(shè)計值有較大的出入。

針對現(xiàn)有檢測系統(tǒng)的不足，提出一種輻射抑制方法并了設(shè)計一種帶有輻射抑制功能的光電式日照計室內(nèi)檢測系統(tǒng)。在借鑒傳統(tǒng)的雜散光分析、抑制原理的基礎(chǔ)上，使用空腔內(nèi)的輻射傳輸理論，從積分球相關(guān)的輻射度學(xué)基本量的角度出發(fā)，分析了積分球模型抑制輻射的過程和原理，論證了積分球模型用作吸光陷阱的可行性及其應(yīng)用形式；最后以檢測系統(tǒng)中的誤差分析，尤其是直接輻射模擬值和散射輻射模擬值的誤差為標(biāo)準(zhǔn)，評價輻射抑制方法的可行性。

1 光電式日照計檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

光電式日照計使用3 個經(jīng)過特殊設(shè)計的擴(kuò)散器設(shè)計的光電傳感器計算日照時數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1 號傳感器測量太陽總輻射，2 號和3 號傳感器與遮光罩相互配合，分別測量東西半空的散射輻射。在計算時，將1 號傳感器的測量值減去2 號和3 號傳感器中的較小的值為此時的太陽直接輻射，與日照閾值120 W/m2比較判斷是否有日照。

圖1 光電式日照計結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the photoelectric sunshine recorder

為了達(dá)到高精度模擬并且保證測試結(jié)果的可追溯性，需要分別模擬太陽直接輻射、太陽散射輻射及不同緯度時日照計與太陽的相對位置。整個檢測系統(tǒng)如圖2，包括：使用太陽模擬器模擬太陽直接輻射；考慮太陽散射輻射的性質(zhì)，使用積分球模擬天空背景，鹵素?zé)糇錾⑸漭椛湓?；使用多維調(diào)整機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)臺）固定日照計，模擬現(xiàn)實(shí)中的緯度條件和日照計與太陽之間的相對角度；最后研究輻射抑制方法減小多余輻射對測試系統(tǒng)的負(fù)面影響。

圖2 光電式日照計室內(nèi)檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Composition of the photoelectric sunshine recorder indoor test system

2 直接輻射模擬系統(tǒng)與輻射環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計

考慮到日照時數(shù)閾值為120 W/m2，所以使用小型號同軸準(zhǔn)直式太陽模擬器完成直接輻射的模擬。設(shè)計過程中，根據(jù)氣象標(biāo)準(zhǔn)［5］，配合濾光片調(diào)制光譜使其達(dá)到AM1.5G 光譜分布A 級要求，光譜分布如圖3，控制氙燈電源使太陽模擬器的理論工作范圍為90～1 326 W/m2，足夠滿足120 W/m2的日照閾值的模擬要求。

圖3 太陽模擬器光譜分布曲線Fig.3 Spectral distribution curve of solar simulator

輻射環(huán)境模擬系統(tǒng)包括散射輻射模擬裝置和相對位置模擬裝置。散射輻射模擬裝置由積分球和鹵素?zé)艚M成。為保證模擬散射輻射在光電式日照計傳感器上均勻分布，積分球球體直徑為1 m，球體與太陽模擬器的接口直徑為0.2 m。球體內(nèi)部選擇噴涂國產(chǎn)聚四氟乙烯懸浮樹脂（F4）涂層，與BaSO4、MgO 涂層相比，F(xiàn)4 涂層在0.2～2.5 μm 的波長范圍內(nèi)，光譜反射比均高于硫酸鋇和氧化鎂，而且反射比中性好。使用鹵素?zé)艉蛽醢逋瓿缮⑸漭椛涞哪M，燈具的數(shù)量和種類可以根據(jù)需要的輻照值和光譜范圍進(jìn)行調(diào)整已適用于不同天氣條件下散射輻射的模擬，系統(tǒng)以積分球內(nèi)壁上的背景輻照度180 W/m2為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)積分球基本性質(zhì)推算，使用歐司朗公司的12V/30W 型號鹵鎢燈即可滿足需求，通過控制點(diǎn)燃燈具的數(shù)量控制散射輻射模擬值。使用俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（0～±45°）和方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（0～±180°）實(shí)現(xiàn)不同緯度時日照計與太陽的相對角度模擬。

3 輻射抑制方法原理分析

經(jīng)過分析，直接輻射和散射輻射模擬相互干擾的產(chǎn)生原因是由于系統(tǒng)中多余的直接輻射和散射輻射沒有被吸收抑制，反過來影響系統(tǒng)中的輻射分布情況。因此需要就系統(tǒng)采用的輻射抑制方法進(jìn)行研究。設(shè)計時，選擇積分球模型作輻射抑制方法的初始模型。因?yàn)榉e分球的出射輻射分布是比較均勻的，所以即使有相當(dāng)數(shù)量的輻射返回到日照計，對系統(tǒng)檢測結(jié)果的影響也是可以相互抵消的。本節(jié)首先研究積分球開口平面上輻射通量的計算方法，然后，研究距離積分球開口一定距離平面上的輻射通量的計算方法。最后，根據(jù)公式分析如何改進(jìn)、最終確定輻射抑制方法。

假定積分球的開口比f、球體半徑R和內(nèi)壁涂層反射率ρ已知，在入射輻射通量Φin確定的情況下，首先計算積分球在出口平面上的輻射通量，然后再計算距離從積分球出射到離積分球一定距離的平面上的輻射通量。

設(shè)入射的輻射通量為Φ0，在積分球出口平面距離為Δl某平面上的輻射通量為ΦΔl，如圖4所示。圖中，積分球內(nèi)表面積為Atot，輻亮度為Lexit，積分球開口面積大小為Aexit。根據(jù)輻亮度傳輸守恒定律，當(dāng)輻射能在介質(zhì)傳輸?shù)倪^程中沒有吸收等能量損失時，輻亮度保持不變。那么在積分球內(nèi)部的輻亮度傳輸過程中，后半球內(nèi)壁的相同面元區(qū)域輻亮度保持不變，與傳輸距離無關(guān)［6，7］。

此時，積分球開口處的輻亮度表示為

式中，ΦΔl可以表示為ΦΔl=LexitAexitΩ。其中，Ω=?sinθdθdφ=，根據(jù)泰勒級數(shù)化簡為Ω=π sin2θ［8］。根據(jù)圖4的數(shù)學(xué)關(guān)系可以得到sin2θ=同時，注意到出口面上的輻射通量ΦΔl實(shí)際為Δl→0 時的極限值，

圖4 出口面上輻射通量的計算Fig.4 Calculation of flux in the exit of integrating sphere

式（2）即出口處輻射通量的估算式。其中r為開口半徑，R為積分球球體半徑（常數(shù)），f為開口因子?？梢?，開口比f、積分球球體半徑R和開口半徑r對于積分球出口面上的輻射通量大小影響很大，相比之下其厚度h可以忽略不計。

在推導(dǎo)計算積分球出射的輻射通量之前，有必要分析積分球開口壁厚在輻射傳輸過程中的作用［9］。在理想狀態(tài)下，球體是沒有厚度的，積分球開口的立體角為2π。但是由于開口具有一定的厚度，實(shí)際上出射輻射的立體角小于2π，將會有部分輻射返回積分球。同時，輻射在開口上也會發(fā)生漫反射，產(chǎn)生次級反射輻射，如果開口內(nèi)壁上的涂料與積分球內(nèi)壁相同，那么次級反射輻射符合朗伯分布。綜上所述，從傳輸方向上看，積分球出射的輻射包括三部分：直接出射到積分球外部的輻射，被開口反射到外部的輻射，以及回到積分球內(nèi)部的輻射。

設(shè)距離積分球出口h處的某平面A3，分析從積分球出射到A3上的輻射通量，建立計算模型如圖5所示。圖中A1面為積分球出口面，A2面代表出口的內(nèi)壁部分，Φ0為初始輻射通量，Φ1為出口面上的輻射通量，Φ3為平面A3上的輻射通量。結(jié)合前文對開口壁厚上輻射的分析，面A3上的輻射通量Φ3包括兩部分：一部分是直接從出口面A1到達(dá)測試面上的Φ13，另一部分則是經(jīng)過內(nèi)壁A2反射到A3上的Φ23。

圖5 輻射通量的計算模型Fig.5 Calculation model of radiation flux

下面引入輻射換熱角系數(shù)，引入該系數(shù)的目的是將求解出射輻射通量的問題轉(zhuǎn)化為分析輻射如何在兩個面之間傳輸，最終計算在出口一定距離處積分球模型出射的輻射通量。傳輸原理如圖6所示，若面S1是朗伯面，從面元dS1傳輸?shù)矫嬖猟S2上的輻射通量為dΦ12=L1dA1dΩ1cosθ1=那么面S1傳輸?shù)矫鍿2的輻射通量表示為

圖6 輻射能在面與面之間的傳輸Fig.6 Transfer of radiant energy between surfaces

式中，F(xiàn)12=為輻射換熱角系數(shù)。

在理想積分球中，各個角度的輻亮度相等，即L=constant，輻亮度角度非均勻度為0，出口平面的朗伯性很好［10，11］。所以在使用式（2）計算Φ1后，可以得到面A3上輻射通量Φ3，即

依據(jù)圖5中面與面之間的位置關(guān)系分別計算式（3）中的二重積分

1）面A1對面A3的角系數(shù)

2）積分球開口內(nèi)壁面A2對自身的角系數(shù)

3）積分球出口面A1對A2的角系數(shù)

4）面A2對A3的角系數(shù)

然后，將式（5）～（8）代入式（4），即得到面A3上的輻射通量，

式（9）就是入射輻射通量已知時，在出口一定距離處積分球出射的輻射通量計算式。由式（9）不難看出，在積分球開口大小、開口壁厚和與開口的距離確定的情況下，積分球半徑越大出射的輻射通量值越小，輻射抑制效果越好，對檢測帶來的誤差也就越小。

圖7 開口半徑為0.1m 時不同距離測試面上的輻射通量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Simulation results of radiation flux on the test surface at different distances when r=0.1m

4 實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)檢測，太陽模擬器在半徑為0.1 m 的工作面上輻照均勻性達(dá)到98.1%，穩(wěn)定性為0.965%/h，足夠滿足氣象儀器測試要求。下面將通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的輻射抑制方法的可行性。

4.1 直接輻射模擬系統(tǒng)測試

考慮到日照計記錄的時間為大于等于120 W/m2的時間總和，所以大于120 W/m2的輻照度值并不構(gòu)成誤差，最終選擇3 個小于120 W/m2的輻照度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先使用輻射計對工作面上的直接輻照度值進(jìn)行測量，檢測是否與理論值一致；然后將積分球的開口與太陽模擬器對準(zhǔn)，測量此時工作面上的直接輻射模擬值；最后接入輻射抑制方法后，使用輻射計在相同位置測量此時的模擬值，如圖8所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

圖8 直接輻射模擬系統(tǒng)測試Fig.8 Direct solar radiation simulation device test

表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明使用輻射抑制方法后，115～120 W/m2各個模擬值的誤差分別下降了86%、85%、81%，誤差明顯減小。但是誤差依然存在，并隨著直接輻射模擬值的增加而增加，說明這部分誤差可能與太陽模擬器有關(guān)，該誤差將在4.3 節(jié)中詳細(xì)說明。

表1 直接輻射模擬測試Table 1 Solar scattered radiation simulation test

4.2 散射輻射模擬系統(tǒng)測試

散射輻射模擬裝置使用3 個鹵素?zé)裟M散射輻射。本文研究的輻射抑制方法是通過吸收輻射達(dá)到模擬直接輻射和模擬散射輻射相對獨(dú)立，解決直接輻射和散射輻射模擬相互干擾的問題，從而減小散射輻射模擬系統(tǒng)的誤差。下面將測試應(yīng)用輻射抑制方法后散射輻射模擬系統(tǒng)的誤差，原理如圖9所示。首先，在不加入太陽模擬器時，測量積分球中a、b、c三個位置的散射輻射模擬值，將這個值作為散射輻射模擬參考值（標(biāo)準(zhǔn)值）。然后，接入太陽模擬器，在沒有使用輻射抑制方法時，分別測量115 W/m2、117 W/m2、120 W/m2時，a、b位置處的輻射值，a和b分別對應(yīng)此時光電式日照計測量散射輻射的兩個窗口；使用輻射抑制方法后，繼續(xù)a、b測量位置。位置c是為了測試從積分球內(nèi)壁上返回的輻射通量是否會對測量造成影響。對比兩種條件下，不同直接輻照度時3 個位置測量結(jié)果，如果測量結(jié)果與參考值約接近說明由于使用了本文的輻射抑制方法，即便增大太陽模擬器的輸出值，依然保證散射輻射模擬不受干擾。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 散射輻射模擬測試Table 2 Solar scattered radiation simulation test

圖9 散射輻照度測試位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of scattered irradiance test location

從實(shí)驗(yàn)效果看，在使用輻射抑制方法之前，散射輻射模擬值與參考值相比，散射輻照度的誤差可達(dá)20 W/m2，相對誤差分別約為100%、50%、30%，并且誤差值隨著直接輻射模擬值的增加呈現(xiàn)上升趨勢。在使用輻射抑制方法后，散射輻照度與參考值相比，誤差均控制在1 W/m2左右，相比之前分別下降了約96%、96%、95%；并且無論直接輻射模擬量是否增加，散射輻射測量值均保持穩(wěn)定，證明本文設(shè)計的輻射抑制方法很好的解決了直接輻射和散射輻射相互干擾的問題，實(shí)現(xiàn)了直接輻射和散射輻射的獨(dú)立模擬，為后期整體系統(tǒng)的裝調(diào)和誤差溯源奠定了良好的基礎(chǔ)。同時，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)個方向上測量值非常接近，證明積分球各個方向上輻射均勻性良好，散射輻射模擬效果良好。

4.3 太陽模擬器雜散光對系統(tǒng)的影響分析

理想狀態(tài)下，太陽模擬器的出射光束應(yīng)為一個規(guī)則的“光柱”。但是實(shí)際情況下，為了工作面的輻照均勻性在后期裝調(diào)的過程中會對各個光學(xué)元件的位置進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致光學(xué)元件偏離設(shè)計位置從而使部分光線變?yōu)榇蠼嵌鹊纳⑸涔狻Ｒ话闱闆r下，這部分散射光不會對工作面產(chǎn)生影響，但在加入積分球后，這部分散射光經(jīng)過內(nèi)壁反射到達(dá)工作面上，成為分布均勻、但對系統(tǒng)模擬過有負(fù)面作用的雜散光，導(dǎo)致直接輻射測量值大于理論值，如圖11所示。下面通過實(shí)驗(yàn)考察太陽模擬器雜散光對整體系統(tǒng)的影響：關(guān)閉散射輻射模擬燈具，打開太陽模擬器，根據(jù)圖10的分析，如果太陽模擬器的出射光束為理想狀態(tài)，輻照計在圖中a、b、c三個位置的測量值應(yīng)該為0。但是如果有雜散光存在，那么輻照計則會在a、b、c位置接收到微量輻射。按照圖10所示位置進(jìn)行測量，結(jié)果如表3。

圖10 太陽模擬器雜散光測試位置示意圖Fig.10 Stray schematic of stray light test position of solar simulator

表3 太陽模擬器雜散光測試Table 3 Stray light of solar simulator test

測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上文的分析，但是這個誤差本質(zhì)上屬于太陽模擬器制造過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，加上不同積分球的參數(shù)各異，因而目前無法精確計算，僅能通過實(shí)際測量的方式確定。

因而，對于直接模擬系統(tǒng)來說，建議將測量后的數(shù)值作為當(dāng)前系統(tǒng)的閾值修正值使用。對于散射輻射模擬系統(tǒng)來說，從表2中測量數(shù)據(jù)看來，散射輻射測量值為均勻分布?？紤]到日照計的工作原理為總輻射減去散射輻射，所以，模擬的散射值均勻分布的情況下，此時誤差對檢測結(jié)果的影響可以忽略。

5 結(jié)論

本文對于日照計室外檢測效率低下及現(xiàn)有日照計檢測系統(tǒng)中存在的檢測誤差大的問題，設(shè)計了適用于光電式日照計的室內(nèi)檢測系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)中的輻射抑制方法。根據(jù)光電式日照計的工作原理，介紹了檢測系統(tǒng)的組成。研究了應(yīng)用于該系統(tǒng)的輻射抑制方法，分析了抑制輻射的原理并推導(dǎo)了計算式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用本文的輻射抑制方法后，直接輻射模擬的精度提高了80%以上，散射輻射模擬的精度提高了95%以上，并且實(shí)現(xiàn)了直接輻射和散射輻射分別模擬、獨(dú)立測量，并進(jìn)一步分析了系統(tǒng)的誤差，結(jié)果表明應(yīng)用輻射抑制方法后的系統(tǒng)滿足目前光電式日照計的檢測要求。下一步將從分析散射輻射來源的角度優(yōu)化散射輻射源設(shè)計，使系統(tǒng)更加接近真實(shí)條件下太陽輻射。