摘要：为解决太阳直接辐射测量过程中跟踪装置导致的全年测量均匀性难以保证的关键问题、实现无需跟踪的太阳直接辐射全季全纬度均匀测量,提出了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜优化设计方法。分析了全球太阳直接辐射角度变化规律,建立了自由曲面反射镜初始结构模型;构建了时空尺度下辐照度均匀性(RFUS)评价函数,建立了二分进化与无余变长机制,提出了基于进化策略的自由曲面反射镜优化方法;以地球全纬度地区太阳直接辐射均匀测量为目标,迭代优化并仿真分析了染色体细分参量分别为3°,1°,0.5°,0.25°的4种代表性自由曲面反射镜面型。结果表明:染色体细分参量为0.25°时RFUS最优,为92.36%;搭建反射光斑中心位置及RFUS验证实验,所提方法得到的光斑中心最大直线距离约为1.5 mm,RFUS为90.34%,该方法可实现全时空太阳直接辐射均匀测量,为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。

摘要：针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题,设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型,根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论,建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系;依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程,通过龙格-库塔法求解微分方程,计算出离散点数据;拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线,旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线,利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化,从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统,结果表明:自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升,辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%,辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%;通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。

摘要：针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题,提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理,优化设计了折反射超广角成像光学系统,实现了天顶角范围0~54°的周视反射光场测量;校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度,校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%,周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%;通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果,证明了所提表面反射光场测量方法的可行性,丰富了粗糙表面反射光场的测量手段,为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。

摘要：针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程(MOR)定义等问题,提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法,确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构,优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%,发散角为1.48°;光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°~50°,散射角度分辨率为1°,周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法,利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差,其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大,为2.28%。据此,基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明:标准朗伯散射体散射角度20°~50°所表征的MOR量值范围为6.54~45.74 m,符合世界气象组织对MOR的定义,最大绝对误差为-2.41 m,优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10,为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。