光電式日照計(jì)室內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)中輻射抑制方法研究

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(shí)數(shù)是地面氣象觀測(cè)的基本觀測(cè)項(xiàng)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(shí)間的總和。測(cè)量日照時(shí)數(shù)的儀器是日照計(jì)，日照計(jì)的主流是光電式日照計(jì)。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)出廠后的日照計(jì)進(jìn)行閾值校準(zhǔn)是十分重要的。日照計(jì)的室外檢測(cè)法是將日照計(jì)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(cè)量值為閾值參考值校準(zhǔn)日照計(jì)。但是這種方法存在很大的不足，由于云層條件不同時(shí)天空散射輻射值并不為一恒定值，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果精度低，誤差大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示室外檢測(cè)的日照計(jì)閾值誤差范圍為9.3～10.3 W/m2，并且計(jì)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(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

國外對(duì)日照計(jì)室內(nèi)檢測(cè)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(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、平移機(jī)構(gòu)和投影鏡設(shè)計(jì)了一套氣象儀器的室內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)它應(yīng)用于日照計(jì)檢測(cè)時(shí)，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(jì)了用于旋轉(zhuǎn)熱釋電日照計(jì)的室內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)，與直接輻射表測(cè)量的日照時(shí)數(shù)參考值相比，該室內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差小于1%，絕對(duì)誤差小于0.26 h；王凌云等［3］研究了日照計(jì)檢測(cè)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(xiàng)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(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的裝調(diào)方法，建立了檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)鏈，裝調(diào)后的系統(tǒng)在4 小時(shí)中的模擬誤差是3.75%，并保證了測(cè)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(duì)日照計(jì)檢測(cè)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(duì)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(cè)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(shí)直接輻射和散射輻射模擬裝置同時(shí)工作時(shí)日照計(jì)實(shí)際接收的直接輻射和散射輻射值與設(shè)計(jì)值有較大的出入。

針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)的不足，提出一種輻射抑制方法并了設(shè)計(jì)一種帶有輻射抑制功能的光電式日照計(jì)室內(nèi)檢測(cè)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(cè)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(píng)價(jià)輻射抑制方法的可行性。

1 光電式日照計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

光電式日照計(jì)使用3 個(gè)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)的光電傳感器計(jì)算日照時(shí)數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1 號(hào)傳感器測(cè)量太陽總輻射，2 號(hào)和3 號(hào)傳感器與遮光罩相互配合，分別測(cè)量東西半空的散射輻射。在計(jì)算時(shí)，將1 號(hào)傳感器的測(cè)量值減去2 號(hào)和3 號(hào)傳感器中的較小的值為此時(shí)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(jì)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(cè)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(shí)日照計(jì)與太陽的相對(duì)位置。整個(gè)檢測(cè)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漭椛湓矗皇褂枚嗑S調(diào)整機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)臺(tái)）固定日照計(jì)，模擬現(xiàn)實(shí)中的緯度條件和日照計(jì)與太陽之間的相對(duì)角度；最后研究輻射抑制方法減小多余輻射對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)面影響。

圖2 光電式日照計(jì)室內(nèi)檢測(cè)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(jì)

考慮到日照時(shí)數(shù)閾值為120 W/m2，所以使用小型號(hào)同軸準(zhǔn)直式太陽模擬器完成直接輻射的模擬。設(shè)計(jì)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(jí)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(duì)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(jì)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(hào)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(shí)日照計(jì)與太陽的相對(duì)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(jì)時(shí)，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(jì)，對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)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(jì)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(jì)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(jì)算積分球在出口平面上的輻射通量，然后再計(jì)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(shí)，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(shí)，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(jí)數(shù)化簡(jiǎn)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(shí)，注意到出口面上的輻射通量ΦΔl實(shí)際為Δl→0 時(shí)的極限值，

圖4 出口面上輻射通量的計(jì)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。可見，開口比f、積分球球體半徑R和開口半徑r對(duì)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(jì)。

在推導(dǎo)計(jì)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(huì)有部分輻射返回積分球。同時(shí)，輻射在開口上也會(huì)發(fā)生漫反射，產(chǎn)生次級(jí)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(jí)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(jì)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(duì)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(cè)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(jì)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(gè)面之間傳輸，最終計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)算式（3）中的二重積分

1）面A1對(duì)面A3的角系數(shù)

2）積分球開口內(nèi)壁面A2對(duì)自身的角系數(shù)

3）積分球出口面A1對(duì)A2的角系數(shù)

4）面A2對(duì)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(shí)，在出口一定距離處積分球出射的輻射通量計(jì)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(duì)檢測(cè)帶來的誤差也就越小。

圖7 開口半徑為0.1m 時(shí)不同距離測(cè)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(cè)，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(cè)試要求。下面將通過對(duì)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(cè)試

考慮到日照計(jì)記錄的時(shí)間為大于等于120 W/m2的時(shí)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(gè)小于120 W/m2的輻照度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先使用輻射計(jì)對(duì)工作面上的直接輻照度值進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)是否與理論值一致；然后將積分球的開口與太陽模擬器對(duì)準(zhǔn)，測(cè)量此時(shí)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(jì)在相同位置測(cè)量此時(shí)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(cè)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(gè)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(cè)試Table 1 Solar scattered radiation simulation test

4.2 散射輻射模擬系統(tǒng)測(cè)試

散射輻射模擬裝置使用3 個(gè)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(duì)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(cè)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(shí)，測(cè)量積分球中a、b、c三個(gè)位置的散射輻射模擬值，將這個(gè)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(shí)，分別測(cè)量115 W/m2、117 W/m2、120 W/m2時(shí)，a、b位置處的輻射值，a和b分別對(duì)應(yīng)此時(shí)光電式日照計(jì)測(cè)量散射輻射的兩個(gè)窗口；使用輻射抑制方法后，繼續(xù)a、b測(cè)量位置。位置c是為了測(cè)試從積分球內(nèi)壁上返回的輻射通量是否會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。對(duì)比兩種條件下，不同直接輻照度時(shí)3 個(gè)位置測(cè)量結(jié)果，如果測(cè)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(cè)試Table 2 Solar scattered radiation simulation test

圖9 散射輻照度測(cè)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(duì)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(shì)。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(cè)量值均保持穩(wěn)定，證明本文設(shè)計(jì)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(shí)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)個(gè)方向上測(cè)量值非常接近，證明積分球各個(gè)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(duì)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(gè)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(huì)對(duì)各個(gè)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(jì)位置從而使部分光線變?yōu)榇蠼嵌鹊纳⑸涔?。一般情況下，這部分散射光不會(huì)對(duì)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(duì)系統(tǒng)模擬過有負(fù)面作用的雜散光，導(dǎo)致直接輻射測(cè)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(duì)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(jì)在圖中a、b、c三個(gè)位置的測(cè)量值應(yīng)該為0。但是如果有雜散光存在，那么輻照計(jì)則會(huì)在a、b、c位置接收到微量輻射。按照?qǐng)D10所示位置進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3。

圖10 太陽模擬器雜散光測(cè)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(cè)試Table 3 Stray light of solar simulator test

測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上文的分析，但是這個(gè)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(jì)算，僅能通過實(shí)際測(cè)量的方式確定。

因而，對(duì)于直接模擬系統(tǒng)來說，建議將測(cè)量后的數(shù)值作為當(dāng)前系統(tǒng)的閾值修正值使用。對(duì)于散射輻射模擬系統(tǒng)來說，從表2中測(cè)量數(shù)據(jù)看來，散射輻射測(cè)量值為均勻分布。考慮到日照計(jì)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(shí)誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響可以忽略。

5 結(jié)論

本文對(duì)于日照計(jì)室外檢測(cè)效率低下及現(xiàn)有日照計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)中存在的檢測(cè)誤差大的問題，設(shè)計(jì)了適用于光電式日照計(jì)的室內(nèi)檢測(cè)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(jì)的工作原理，介紹了檢測(cè)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(jì)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(cè)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(jì)的檢測(cè)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(jì)，使系統(tǒng)更加接近真實(shí)條件下太陽輻射。