光电式日照计室内检测系统中辐射抑制方法研究

王雨畅，张国玉，孙高飞，刘石，张健，明杉炽

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

0 引言

日照时数是地面气象观测的基本观测项目。世界气象组织将其定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的各段时间的总和。测量日照时数的仪器是日照计，日照计的主流是光电式日照计。为了保证测量数据的准确性，对出厂后的日照计进行阈值校准是十分重要的。日照计的室外检测法是将日照计和直接辐射表放在同一实验地点，直接辐射表安装在太阳跟踪装置上，以直射表的测量值为阈值参考值校准日照计。但是这种方法存在很大的不足，由于云层条件不同时天空散射辐射值并不为一恒定值，导致检测结果精度低，误差大，实验结果显示室外检测的日照计阈值误差范围为9.3～10.3 W/m2，并且计量结果难以重复实现［1-2］，所以研究不受环境条件制约的室内检测系统迫在眉睫。

国外对日照计室内检测的研究开展比较早，1993年PHILIPONA R 等［2］使用商用太阳模拟器、激光对准系统、平移机构和投影镜设计了一套气象仪器的室内检测设备，当它应用于日照计检测时，其精度平均保持在0.8%以内。近年来，国内一些研究机构也开始了相关的研究，崇伟、吕文华等［1］设计了用于旋转热释电日照计的室内检测系统，与直接辐射表测量的日照时数参考值相比，该室内检测系统的相对误差小于1%，绝对误差小于0.26 h；王凌云等［3］研究了日照计检测系统中的散射辐射模拟方法，通过分析日照百分率、日平均气温、日均水汽压和PM2.5 浓度四项基本气象参数和辐射之间的相关性分析，建立散射辐射拟合方程，拟合系数大于0.8，较好地解决了室内模拟散射辐射的问题；杨俊杰等［4］研究了日照计检测系统的装调方法，建立了检测系统的校准链，装调后的系统在4 小时中的模拟误差是3.75%，并保证了测试结果的可追溯性。以上研究均有明确的研究重点，但是，目前针对日照计检测系统中存在的直接辐射与散射辐射相互干扰的问题及其相对应的辐射抑制方法尚缺乏足够的分析。这直接导致室内检测系统经常出现室内校准值要大于室外校准值的情况，同时直接辐射和散射辐射模拟装置同时工作时日照计实际接收的直接辐射和散射辐射值与设计值有较大的出入。

针对现有检测系统的不足，提出一种辐射抑制方法并了设计一种带有辐射抑制功能的光电式日照计室内检测系统。在借鉴传统的杂散光分析、抑制原理的基础上，使用空腔内的辐射传输理论，从积分球相关的辐射度学基本量的角度出发，分析了积分球模型抑制辐射的过程和原理，论证了积分球模型用作吸光陷阱的可行性及其应用形式；最后以检测系统中的误差分析，尤其是直接辐射模拟值和散射辐射模拟值的误差为标准，评价辐射抑制方法的可行性。

1 光电式日照计检测系统整体结构

光电式日照计使用3 个经过特殊设计的扩散器设计的光电传感器计算日照时数，其结构如图1所示。其中，1 号传感器测量太阳总辐射，2 号和3 号传感器与遮光罩相互配合，分别测量东西半空的散射辐射。在计算时，将1 号传感器的测量值减去2 号和3 号传感器中的较小的值为此时的太阳直接辐射，与日照阈值120 W/m2比较判断是否有日照。

图1 光电式日照计结构示意Fig.1 Schematic of the photoelectric sunshine recorder

为了达到高精度模拟并且保证测试结果的可追溯性，需要分别模拟太阳直接辐射、太阳散射辐射及不同纬度时日照计与太阳的相对位置。整个检测系统如图2，包括：使用太阳模拟器模拟太阳直接辐射；考虑太阳散射辐射的性质，使用积分球模拟天空背景，卤素灯做散射辐射源；使用多维调整机构（转台）固定日照计，模拟现实中的纬度条件和日照计与太阳之间的相对角度；最后研究辐射抑制方法减小多余辐射对测试系统的负面影响。

图2 光电式日照计室内检测系统组成框图Fig.2 Composition of the photoelectric sunshine recorder indoor test system

2 直接辐射模拟系统与辐射环境模拟系统设计

考虑到日照时数阈值为120 W/m2，所以使用小型号同轴准直式太阳模拟器完成直接辐射的模拟。设计过程中，根据气象标准［5］，配合滤光片调制光谱使其达到AM1.5G 光谱分布A 级要求，光谱分布如图3，控制氙灯电源使太阳模拟器的理论工作范围为90～1 326 W/m2，足够满足120 W/m2的日照阈值的模拟要求。

图3 太阳模拟器光谱分布曲线Fig.3 Spectral distribution curve of solar simulator

辐射环境模拟系统包括散射辐射模拟装置和相对位置模拟装置。散射辐射模拟装置由积分球和卤素灯组成。为保证模拟散射辐射在光电式日照计传感器上均匀分布，积分球球体直径为1 m，球体与太阳模拟器的接口直径为0.2 m。球体内部选择喷涂国产聚四氟乙烯悬浮树脂（F4）涂层，与BaSO4、MgO 涂层相比，F4 涂层在0.2～2.5 μm 的波长范围内，光谱反射比均高于硫酸钡和氧化镁，而且反射比中性好。使用卤素灯和挡板完成散射辐射的模拟，灯具的数量和种类可以根据需要的辐照值和光谱范围进行调整已适用于不同天气条件下散射辐射的模拟，系统以积分球内壁上的背景辐照度180 W/m2为标准，根据积分球基本性质推算，使用欧司朗公司的12V/30W 型号卤钨灯即可满足需求，通过控制点燃灯具的数量控制散射辐射模拟值。使用俯仰调节机构（0～±45°）和方位调节机构（0～±180°）实现不同纬度时日照计与太阳的相对角度模拟。

3 辐射抑制方法原理分析

经过分析，直接辐射和散射辐射模拟相互干扰的产生原因是由于系统中多余的直接辐射和散射辐射没有被吸收抑制，反过来影响系统中的辐射分布情况。因此需要就系统采用的辐射抑制方法进行研究。设计时，选择积分球模型作辐射抑制方法的初始模型。因为积分球的出射辐射分布是比较均匀的，所以即使有相当数量的辐射返回到日照计，对系统检测结果的影响也是可以相互抵消的。本节首先研究积分球开口平面上辐射通量的计算方法，然后，研究距离积分球开口一定距离平面上的辐射通量的计算方法。最后，根据公式分析如何改进、最终确定辐射抑制方法。

假定积分球的开口比f、球体半径R和内壁涂层反射率ρ已知，在入射辐射通量Φin确定的情况下，首先计算积分球在出口平面上的辐射通量，然后再计算距离从积分球出射到离积分球一定距离的平面上的辐射通量。

设入射的辐射通量为Φ0，在积分球出口平面距离为Δl某平面上的辐射通量为ΦΔl，如图4所示。图中，积分球内表面积为Atot，辐亮度为Lexit，积分球开口面积大小为Aexit。根据辐亮度传输守恒定律，当辐射能在介质传输的过程中没有吸收等能量损失时，辐亮度保持不变。那么在积分球内部的辐亮度传输过程中，后半球内壁的相同面元区域辐亮度保持不变，与传输距离无关［6，7］。

此时，积分球开口处的辐亮度表示为

式中，ΦΔl可以表示为ΦΔl=LexitAexitΩ。其中，Ω=∬sinθdθdφ=，根据泰勒级数化简为Ω=π sin2θ［8］。根据图4的数学关系可以得到sin2θ=同时，注意到出口面上的辐射通量ΦΔl实际为Δl→0 时的极限值，

图4 出口面上辐射通量的计算Fig.4 Calculation of flux in the exit of integrating sphere

式（2）即出口处辐射通量的估算式。其中r为开口半径，R为积分球球体半径（常数），f为开口因子。可见，开口比f、积分球球体半径R和开口半径r对于积分球出口面上的辐射通量大小影响很大，相比之下其厚度h可以忽略不计。

在推导计算积分球出射的辐射通量之前，有必要分析积分球开口壁厚在辐射传输过程中的作用［9］。在理想状态下，球体是没有厚度的，积分球开口的立体角为2π。但是由于开口具有一定的厚度，实际上出射辐射的立体角小于2π，将会有部分辐射返回积分球。同时，辐射在开口上也会发生漫反射，产生次级反射辐射，如果开口内壁上的涂料与积分球内壁相同，那么次级反射辐射符合朗伯分布。综上所述，从传输方向上看，积分球出射的辐射包括三部分：直接出射到积分球外部的辐射，被开口反射到外部的辐射，以及回到积分球内部的辐射。

设距离积分球出口h处的某平面A3，分析从积分球出射到A3上的辐射通量，建立计算模型如图5所示。图中A1面为积分球出口面，A2面代表出口的内壁部分，Φ0为初始辐射通量，Φ1为出口面上的辐射通量，Φ3为平面A3上的辐射通量。结合前文对开口壁厚上辐射的分析，面A3上的辐射通量Φ3包括两部分：一部分是直接从出口面A1到达测试面上的Φ13，另一部分则是经过内壁A2反射到A3上的Φ23。

图5 辐射通量的计算模型Fig.5 Calculation model of radiation flux

下面引入辐射换热角系数，引入该系数的目的是将求解出射辐射通量的问题转化为分析辐射如何在两个面之间传输，最终计算在出口一定距离处积分球模型出射的辐射通量。传输原理如图6所示，若面S1是朗伯面，从面元dS1传输到面元dS2上的辐射通量为dΦ12=L1dA1dΩ1cosθ1=那么面S1传输到面S2的辐射通量表示为

图6 辐射能在面与面之间的传输Fig.6 Transfer of radiant energy between surfaces

式中，F12=为辐射换热角系数。

在理想积分球中，各个角度的辐亮度相等，即L=constant，辐亮度角度非均匀度为0，出口平面的朗伯性很好［10，11］。所以在使用式（2）计算Φ1后，可以得到面A3上辐射通量Φ3，即

依据图5中面与面之间的位置关系分别计算式（3）中的二重积分

1）面A1对面A3的角系数

2）积分球开口内壁面A2对自身的角系数

3）积分球出口面A1对A2的角系数

4）面A2对A3的角系数

然后，将式（5）～（8）代入式（4），即得到面A3上的辐射通量，

式（9）就是入射辐射通量已知时，在出口一定距离处积分球出射的辐射通量计算式。由式（9）不难看出，在积分球开口大小、开口壁厚和与开口的距离确定的情况下，积分球半径越大出射的辐射通量值越小，辐射抑制效果越好，对检测带来的误差也就越小。

图7 开口半径为0.1m 时不同距离测试面上的辐射通量仿真实验结果Fig.7 Simulation results of radiation flux on the test surface at different distances when r=0.1m

4 实验与分析

经检测，太阳模拟器在半径为0.1 m 的工作面上辐照均匀性达到98.1%，稳定性为0.965%/h，足够满足气象仪器测试要求。下面将通过对比实验验证本文提出的辐射抑制方法的可行性。

4.1 直接辐射模拟系统测试

考虑到日照计记录的时间为大于等于120 W/m2的时间总和，所以大于120 W/m2的辐照度值并不构成误差，最终选择3 个小于120 W/m2的辐照度值进行实验。首先使用辐射计对工作面上的直接辐照度值进行测量，检测是否与理论值一致；然后将积分球的开口与太阳模拟器对准，测量此时工作面上的直接辐射模拟值；最后接入辐射抑制方法后，使用辐射计在相同位置测量此时的模拟值，如图8所示，实验数据如表1。

图8 直接辐射模拟系统测试Fig.8 Direct solar radiation simulation device test

表1的实验数据表明使用辐射抑制方法后，115～120 W/m2各个模拟值的误差分别下降了86%、85%、81%，误差明显减小。但是误差依然存在，并随着直接辐射模拟值的增加而增加，说明这部分误差可能与太阳模拟器有关，该误差将在4.3 节中详细说明。

表1 直接辐射模拟测试Table 1 Solar scattered radiation simulation test

4.2 散射辐射模拟系统测试

散射辐射模拟装置使用3 个卤素灯模拟散射辐射。本文研究的辐射抑制方法是通过吸收辐射达到模拟直接辐射和模拟散射辐射相对独立，解决直接辐射和散射辐射模拟相互干扰的问题，从而减小散射辐射模拟系统的误差。下面将测试应用辐射抑制方法后散射辐射模拟系统的误差，原理如图9所示。首先，在不加入太阳模拟器时，测量积分球中a、b、c三个位置的散射辐射模拟值，将这个值作为散射辐射模拟参考值（标准值）。然后，接入太阳模拟器，在没有使用辐射抑制方法时，分别测量115 W/m2、117 W/m2、120 W/m2时，a、b位置处的辐射值，a和b分别对应此时光电式日照计测量散射辐射的两个窗口；使用辐射抑制方法后，继续a、b测量位置。位置c是为了测试从积分球内壁上返回的辐射通量是否会对测量造成影响。对比两种条件下，不同直接辐照度时3 个位置测量结果，如果测量结果与参考值约接近说明由于使用了本文的辐射抑制方法，即便增大太阳模拟器的输出值，依然保证散射辐射模拟不受干扰。实验数据如表2。

表2 散射辐射模拟测试Table 2 Solar scattered radiation simulation test

图9 散射辐照度测试位置示意图Fig.9 Schematic diagram of scattered irradiance test location

从实验效果看，在使用辐射抑制方法之前，散射辐射模拟值与参考值相比，散射辐照度的误差可达20 W/m2，相对误差分别约为100%、50%、30%，并且误差值随着直接辐射模拟值的增加呈现上升趋势。在使用辐射抑制方法后，散射辐照度与参考值相比，误差均控制在1 W/m2左右，相比之前分别下降了约96%、96%、95%；并且无论直接辐射模拟量是否增加，散射辐射测量值均保持稳定，证明本文设计的辐射抑制方法很好的解决了直接辐射和散射辐射相互干扰的问题，实现了直接辐射和散射辐射的独立模拟，为后期整体系统的装调和误差溯源奠定了良好的基础。同时，从实验数据中发现个方向上测量值非常接近，证明积分球各个方向上辐射均匀性良好，散射辐射模拟效果良好。

4.3 太阳模拟器杂散光对系统的影响分析

理想状态下，太阳模拟器的出射光束应为一个规则的“光柱”。但是实际情况下，为了工作面的辐照均匀性在后期装调的过程中会对各个光学元件的位置进行微调，导致光学元件偏离设计位置从而使部分光线变为大角度的散射光。一般情况下，这部分散射光不会对工作面产生影响，但在加入积分球后，这部分散射光经过内壁反射到达工作面上，成为分布均匀、但对系统模拟过有负面作用的杂散光，导致直接辐射测量值大于理论值，如图11所示。下面通过实验考察太阳模拟器杂散光对整体系统的影响：关闭散射辐射模拟灯具，打开太阳模拟器，根据图10的分析，如果太阳模拟器的出射光束为理想状态，辐照计在图中a、b、c三个位置的测量值应该为0。但是如果有杂散光存在，那么辐照计则会在a、b、c位置接收到微量辐射。按照图10所示位置进行测量，结果如表3。

图10 太阳模拟器杂散光测试位置示意图Fig.10 Stray schematic of stray light test position of solar simulator

表3 太阳模拟器杂散光测试Table 3 Stray light of solar simulator test

测试数据验证了上文的分析，但是这个误差本质上属于太阳模拟器制造过程中产生的系统误差，加上不同积分球的参数各异，因而目前无法精确计算，仅能通过实际测量的方式确定。

因而，对于直接模拟系统来说，建议将测量后的数值作为当前系统的阈值修正值使用。对于散射辐射模拟系统来说，从表2中测量数据看来，散射辐射测量值为均匀分布。考虑到日照计的工作原理为总辐射减去散射辐射，所以，模拟的散射值均匀分布的情况下，此时误差对检测结果的影响可以忽略。

5 结论

本文对于日照计室外检测效率低下及现有日照计检测系统中存在的检测误差大的问题，设计了适用于光电式日照计的室内检测系统，研究了系统中的辐射抑制方法。根据光电式日照计的工作原理，介绍了检测系统的组成。研究了应用于该系统的辐射抑制方法，分析了抑制辐射的原理并推导了计算式。实验结果表明采用本文的辐射抑制方法后，直接辐射模拟的精度提高了80%以上，散射辐射模拟的精度提高了95%以上，并且实现了直接辐射和散射辐射分别模拟、独立测量，并进一步分析了系统的误差，结果表明应用辐射抑制方法后的系统满足目前光电式日照计的检测要求。下一步将从分析散射辐射来源的角度优化散射辐射源设计，使系统更加接近真实条件下太阳辐射。