高准直高辐照度太阳模拟器的设计与仿真分析

作     者：宋培宇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王治乐

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：太阳模拟器 能量利用率 组合聚光镜 光瞳匹配 光学积分器 

摘      要：太阳在众多科学领域有着很重要的地位,例如航天、气象、太阳能等领域,太阳模拟技术均具有重要的科学意义。太阳模拟器作为模拟太阳光辐照特性的重要设备,可以在地面上模拟与真实的太阳光在光谱分布、准直性、辐照度、稳定性、均匀性等光学特性相接近的辐射光源。对于空间光学系统的杂散光测试、太阳敏感器的地面试验等需求,均需要一种高度符合太阳光准直特性(准直角32′)和高辐照特性(1353W/m2以上)的太阳模拟器,而现有的太阳模拟器均不能很好的满足以上性能指标要求。本文深入研究了高准直、高辐照度太阳模拟器的关键技术,主要的研究工作包括以下几部分内容:首先,列举常见的系统类型,归纳其优缺点,确定结构类型并阐述了系统组成及工作原理。论述了太阳模拟技术常用的基本概念和指标要求。根据技术指标要求,选取同轴透射准直式结构,由光源系统、聚光系统、匀光系统、视场光阑、准直系统等组成,并对其工作原理及成像关系进行了分析。其次,根据本文指标要求分析关键技术及难点,确定光学系统设计的评价指标,并进行光学系统设计。对系统的工作原理分析可知,高准直性和高辐照度不能同时满足的原因在于能量利用率的降低,因此本文以提高能量利用率作为光学系统设计的评价指标,以光瞳匹配作为设计准则。依据功率估算等多方面指标对光源进行选择,短弧氙灯为最理想选择。同时分析氙灯的各方面特性,指导后续光学系统部件的设计。提出组合聚光镜方案,突破传统方案的限制,提升整体系统的能量利用率。选择光学积分器作为匀光部件,提出新型成像关系,以能量利用率等依据确定系统参数。确定视场光阑及准直镜的参数,从提高准直精度的角度对准直镜进行优化设计。最后,建立系统模型,利用仿真软件分析系统关键参数对性能的影响,并仿真系统的整体性能。提出新型氙灯建模方法,以更好的模拟氙灯辐照的空间分布和角度分布。建立太阳模拟器的光学模型,进行对比仿真分析,以确定关键参数如匀光棒方案、氙灯离焦、投影镜离焦、光学积分器口径、成像关系等对系统性能的影响,得到最佳设计结果。分析结果表明,系统满足各方面指标要求,并且能量利用率大幅度提升,解决了高准直、高辐照度太阳模拟技术中的技术难点。