气象用太阳辐射计量仪表检定系统研究
气象用太阳辐射计量仪表作为一种记录某区域地面接收太阳辐照量的监测设备，在全球地面辐射基准站网中得到了广泛应用。随着我国气象用观测水平的提高，对太阳辐射计量仪表的测量精度提出了更高的要求，新型气象用太阳辐射计量仪表检定系统的研究已迫在眉睫，气象用太阳辐射计量仪表是为全球气候变化提高准确数据、对气象做出准确预报不可缺少的重要设备。因此气象用太阳辐射计量仪表的检定问题是太阳辐射计量仪表研制和生产中啜待解决的难题。而我国检定设备的落后是制约我国研制和生产太阳辐射计量仪表的瓶颈。为此本文在对太阳辐射计量仪表检定的各种方法和解决途径的研究基础上，以提高检定精度和检定效率为目标，研制了一种新型多功能气象用太阳辐射计量仪表检定系统，以解决太阳辐射计量仪表投入使用前的等级检定难题，其可用于高等级太阳辐射计量仪表的室内检定，对我国研制和生产高等级太阳辐射计量仪表具有重要意义和应用价值。 在对太阳辐射理论和太阳运动理论的研究基础上，采用太阳模拟器技术和多自由度工作台，提出了一种新型多功能气象用太阳辐射计量仪表检定系统的总体设计方案，实现了对待检仪表的灵敏度、非线性误差、方位响应误差、余弦响应误差和倾斜响应误差等各项参数的检定。气象用太阳辐射计量仪表检定系统主要由太阳模拟器和多维工作台组成。太阳模拟器为检定系统提供均匀稳定的模拟太阳光辐射；多维工作台能够为检定系统提供所需各种功能动作模拟不同的太阳角，两者集成共同实现了对气象用太阳辐射计量仪表的标定。 为了获得均匀稳定并和太阳光谱相似的光辐射，设计了由短弧氙灯、氙灯光源、椭球面聚光镜、反射镜、光学积分器、准直物镜、光学滤光片和光学衰减片所组成的同轴准直式太阳模拟器光学系统。设计一种全光谱滤光片对氙灯光谱进行修正，以提高光谱匹配度；为了扩大输出辐照强度的调节范围，采用光学衰减片以弥补氙灯低功率调节下影响辐照稳定性的缺陷。并用Lighttools光学照明设计软件对光学系统建模仿真与分析，得出了光学元件相互位置关系对输出辐照均匀性的影响规律，对太阳模拟器光学系统的设计、安装和调试具有指导意义。 依据已确定的光学系统并结合要完成的检定项目对气象用太阳辐射计量仪表检定系统的机械结构进行了设计。针对太阳模拟器工作时出现的热集中现象，确定了采用双风道强迫空气冷却手段，以提高太阳模拟器内外的热交换能力。在对太阳模拟器关键零部件进行有限元热分析的基础上，对结构进行了合理改进和优化。通过对聚光镜热分析发现，位于第一焦点附近热集中导致聚光镜出瞳产生缩口变形，为此在镜壁外侧增加散热片以提高散能力。经对积分器和视场光阑进行了热变形分析发现，光阑沿轴向发生缩口现象，影响光学系统的准直性；并且以散热量为条件函数，结构尺寸为目标函数，对积分器散热器进行了结构优化设计，为了更好地模拟出不同的太阳角。
太阳辐射计量仪表;检定系统;气象监测;结构优化;光学衰减片
长春理工大学
博士
光学工程
安志勇
2012
中文
TH765.84;TH706
153
2012-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）