【摘 要】
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太阳模拟器是一种模拟地球外层空间太阳光辐射的装置,在卫星太阳敏感器的地面模拟试验、精度标定与性能验证等方面具有应用价值。现有的太阳模拟器光学系统由于受其成像关系、聚光系统与匀光系统参数相互制约等因素的影响,致使太阳模拟器的光学性能难以提高,为此,本文针对传统椭球聚光太阳模拟器存在能量利用率低和辐照均匀度差等问题,开展基于变曲率椭球聚光的太阳模拟技术研究,对航天地面测试水平的提升具有一定的理论意义和
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太阳模拟器是一种模拟地球外层空间太阳光辐射的装置,在卫星太阳敏感器的地面模拟试验、精度标定与性能验证等方面具有应用价值。现有的太阳模拟器光学系统由于受其成像关系、聚光系统与匀光系统参数相互制约等因素的影响,致使太阳模拟器的光学性能难以提高,为此,本文针对传统椭球聚光太阳模拟器存在能量利用率低和辐照均匀度差等问题,开展基于变曲率椭球聚光的太阳模拟技术研究,对航天地面测试水平的提升具有一定的理论意义和实用价值。阐述了辐照强度、辐照不稳定度、辐照均匀度、光束准直角和光谱分布等太阳辐射量;结合非成像光学理论,确定了太阳模拟器的组成、总体结构与布局;着重对其光学系统,尤其变曲率椭球聚光系统进行了深入研究与设计。基于聚光、匀光和准直等技术,提出了一种由光源、变曲率椭球聚光镜、光学积分器和准直光学系统等组成的变曲率椭球聚光镜式太阳模拟器光学系统的总体设计方案,解决了能量利用率低和辐照均匀度较差的问题。通过对现有光源的对比分析,选取氙灯作为系统光源,根据辐照度和光学系统能量利用率,计算出氙灯的功率。结合氙灯发光特性,以提高能量利用率为目标,提出了一种变曲率椭球聚光镜设计方法,通过泰勒级数展开得到变曲率椭球镜的曲线方程,以变曲率椭球镜第二焦面的均匀性为判据,利用matlab模拟试凑法确定变曲率椭球镜曲线方程的最佳系数。研究分析了现有匀光器件的原理,优化设计了一种光学积分器,提高了辐照面的均匀性。根据指标要求要求,设计了一种准直光学系统,保证了最佳辐照面大小和光束准直性。研究了基于嵌套模型的氙灯建模方法,并结合变曲率椭球聚光镜、光学积分器和准直光学系统,对太阳模拟器光学系统进行了建模与仿真分析,结果表明所设计的太阳模拟器第二焦面的光源能量利用率为77.41%,辐照面的最大辐照度为2565W/m2、辐照均匀度为98.48%;通过与传统椭球镜太阳模拟器相比,在相同指标下,第二焦面的光源能量利用率提高了0.95倍,辐照面的辐照度提高了791 W/m2、辐照均匀度提高了3.79%;同时分析了氙灯、光学积分器离焦对系统辐照均匀性的影响,结果表明氙灯适当正向离焦可显著提高辐照均匀度,而光学积分器离焦对辐照均匀度并没有太大改善。综上所述,本文设计的变曲率椭球聚光镜式太阳模拟器光学系统,显著提高了太阳模拟器的能量利用率,同时辐照均匀性得到一定改善。
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