CC BY
109
В.Н.Гришанов
КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ИМИТАТОРОВ
Трудно переоценить влияние солнечной радиации на процессы протекающие в природной и техногенной средах, поэтому испытаниям на воздействие солнечного излучения подвергают изделия и материалы от самых простейших до космических аппаратов и их систем [1]. Проведение испытаний в натурных условиях часто оказывается невозможно или слишком дорого по причинам сложности поддержания одних и тех же условий при проведении серии экспериментов; работы в режиме реального времени, что неоправдано удлиняет сроки испытаний [2]. Эти трудности многократно возрастают при комбинированных воздействиях.
С другой стороны имитация как абсолютных значений плотности мощности потока солнечного излучения, так и его спектрального распределения на площади -100 см2, на которой можно было бы разместить испытуемый образец, изделие или модель аппарата связано с крупными энергозатратами. Так промышленный имитатор Солнца [3] с газоразрядной ксеноновой лампой с максимальным световым диаметром 120 мм потребляет от сети 15 кВт, хотя и имеет погрешность имитации солнечного спектра ±10% в диапазоне длин волн 0,35...2 мкм. Конкретизаиция цели физического моделирования часто позволяет добиться адекватности модельной и реальной ситуации менее энергоемкими средствами.
В настоящее время можно ввести классификацию задач, каждая из которых предъявляет свои специфические требования к имитатору Солнца:
- Солнце как источник фотоиндуцируемых химических превращений [4];
- Солнце как источник радиационного нагрева [1];
- Солнце как источник фоновых помех [5];
- Солнце как маяк астронавигационных систем [6, 7] ;
- Солнце как источник электродвижущей силы фотопреобразователей [8];
- Солнце как источник биологически активного излучения. Последняя проблема выходит за рамки настоящей работы.
Создание имитатора для решения любой из вошедших в классификационный список задач, как правило, не требует воссоздания солнечного спектра во всем исследованном диапазоне 0,14...300 мкм и достижения интегральной плотности потока солнечной радиации на уровне солнечной постоянной 135,5 мВт/см2 [9]. Экспериментальными исследованиями механизмов фотоокрашивания покрытий с наполнителями из неорганических пигментов (А1203, МёО, ТЮ2, РЮ03, ХпО и др.) доказано, что на их протекание основное влияние оказывает "жесткая" часть ультрафиолетового излучения (0,2...0,3 мкм) в световом пучке [4]. В этой спектральной области лучшим имитатором спектра Солнца является ксеноновая лампа ДКиР. Расхождение спектров Солнца и лампы ДКиР в длинноволновой области (^0,4 мкм) несущественны в связи с ее слабой фотоактивностью. Присутствие ультрафиолетовой части спектра в пределах от 280 нм до 400 нм с плотностью потока £100 Вт/м2 также необходимо и при испытаниях радиоаппаратуры [10]. В области "жесткого" ультрафиолета лампы накаливания неэффективны и вряд ли могут составить конкуренцию газоразрядным и дуговым источникам света.
В общем виде поглощенный элементарной площадкой ¿о2 квазимонохроматичный лучистый поток, создаваемый элементарной площадкой источника в
дифференциальной форме определяется выражением:
^пХ=(^со8ф1£Ь1)(ахсо8ф2йГа2)^л/г2, (1)
Вк- спектральная энергетическая яркость источника (Ьх в направлении площадки ¿ст2; ах - спектральный коэффициент поглощения площадки ¿а2 в направлении источника ао1; Ф1 - угол между радиусом-вектором, соединяющим площадки ¿/о, и
2 и НОрмалью к изучающей площадке ^ ^ - угол между тем же радиусом-вектором и нормалью к площадке ¿о2 [1]; г - длина радиуса-вектора.
Форма записи выражения (1) в виде произведения двух скобок удобна тем, что позволяет разделить члены, относящиесяя в основном к источнику лучистого потока и к поглощающей его площадке.
Если учесть, что ах и Вх зависят не только от направлений, но и состояния поляризации, что задача как теоретических, так и экспериментальных оценок поглощенного образцом лучистого потока без упрощающих предположений становится сложной. Удаленность Солнца и отсутствие поляризационной составляющей в его спектре приводит к следующим упрощениям выражения (1):
/^сош^; ф^сшОД (2)
2 г \ ^Ф] d F^ = а^ cos^dG^dk J --—ncfoj = а? Е. zos^d^dk , (3)
с г *
Sl
где - S^ - площадь поверхности Солнца;
f^cosy, j
= ]-2-(4)
5 Г
спектральная плотность энергетической освещенности, создаваемой Солнцем на расстоянии равном радиусу орбиты Земли. Значения Е\ в верхних слоях атмосферы и на поверхности Земли надежно установлены и приведены в справочной литературе [9, 12, 13].
Воссоздание Е^ в рабочей зоне является достаточным условием, предъявляемым к имитатору солнечного излучения для испытаний на радиационный нагрев, причем на диапазон 0,3...1,8 мкм приходится 90% излучаемого Солнцем потока [9]. Так же нет необходимости предъявлять жесткие требования к расходимости излучения, поскольку cosl5°=0,966, и величина cfiF^ мало меняется даже для такого сильно расходящегося потока. В случае же слабой зависимости а^ от X вообще достаточно воспроизвести величину
Е0=)ЕхЛ, (5)
на уровне солнечной постоянной без строгой идентификациии спектрального распределения. Поэтому простые осветители типа софитов с галогенными лампами являются вполне удовлетворительными имитаторами.
К задаче радиационного нагрева тесно примыкают и проблемы испытаний фотопреобразователей лучистого потока в электрическую энергию, т.к. требуемые для этого интегральные плотности потоков излучения соизмеримы с солнечной постоянной. Но и здесь наиболее распространенные фотоэлементы на основе кремния эффективны лишь при освещении их светом с длинами волн от 0,4 мкм до 1,1 мкм, достигая максимума коэффициента преобразования на 1 мкм [8]. В спектральном диапазоне 0,4...1,1 мкм интегральная энергетическая освещенность составляет уже не 135,5 мВт/см2, а 91,2 мВт/см2, а с учетом поглощения в слое атмосферы и того меньше. Поскольку электродвижущая сила фотоэлемента также изменяется по закону cos2 от угла падения света, то жесткие требования к расходимости излучения не предъявляются. Максимум спектральной плотности силы излучения галогенных ламп накаливания приходится на область L..l,2 мкм [4], что согласуется с максимумом коэффициента преобразования кремниевых фотоэлементов. Таким образом, имитатор Солнца с простыми в эксплуатации лампами накаливания в качестве источника излучения будет иметь характеристики, близкие к оптимальным.
При проверке астронавигационных приборов имитатор должен воспроизводить заданный уровень превышения сигнала над фоном в области спектральной чувствительности датчика и, для датчиков точной ориентации [7], угловые размеры Солнца (32 угл.мин) [15]. Чувствительными элементами датчиков служат кремниевые, германиевые или сернисто-кадмиевые фотодиоды и фотосопротивления. Максимум их спектральной чувствительности лежит в видимом или ближнем ИК диапазонах. Часто в датчиках Солнца с помощью красных и нейтральных светофильтров осуществляется амплитудная селекция излучения по мощности и спектру. Следовательно спектральное согласование имитатора с датчиком Солнца требуется лишь в относительно узкой области, а величина интегрального светового потока в согласованном интервале длин волн уменьшена на величину ослабления вносимого нейтральным светофильтром, естественно с одновременным его выведением из оптического тракта. Компактность тела накала малогабаритных галогенных ламп типа КГ-12x100 и КГ-24х150 [16] обеспечивает малые угловые размеры источника излучения.
Солнце как источник фоновых помех для оптико-электронных приборов активного типа с лазерными излучателями и спектральной селекцией отраженных сигналов можно имитировать теми или аналогичными лазерными излучателями с формирующей оптикой и ослабителями, чтобы получить уровни фоновых освещенностей на модели или ее части в соответствии с полосой пропускания ОЭП. При узкой 1...10 нм полосе пропускания эти уровни невелики и легко достижимы. От экспериментатора требуется лишь воспроизведение угловых положений в системе: имитатор - модель - ОЭП.
Для ОЭП пассивного типа, работающих по отраженному объектом солнечному излучению или собственному тепловому, важно соблюсти подобие спектральных распределений Солнца и имитатора, достижение же интегральной энергетической освещенностью значения солнечной постоянной не является обязательным условием. Основные параметры ОЭП - вероятности обнаружения и ложных тревог зависят от отношения сигнал/шум [5], обеспечение которого и является необходимым условием адекватности модельной ситуации и реальности. Часто достаточно отношение сигнал/шум 5... 10. В лабораторных же условиях помехи могут составлять в среднем доли фотона за цикл измерения. Однако уменьшение интегральной энергетической освещенности может привести к трансформации статистики фотоотсчетов от нормального распределения для сильного сигнала через различные промежуточные к пуассоновской [17]. Оценочные уровни смены статистик: ^100 фотоотсчетов за цикл измерения - нормальная, ¿10 -пуассоновская, 10...100 - промежуточная, которая определяется источником излучения, средой распространения и самим ОЭП и, как правило, нуждается в самостоятельном исследовании. Поскольку спектр излучения Солнца довольно точно аппроксимируется черным телом [18], как и излучение галогенных ламп [14], то и в этом случае, как будет показано ниже соответствующим подбором светофильтров излучение галогенной лампы приводится к цветовой температуре Солнца в требуемой спектральной области.
Схемы построения излучателей имитаторов Солнца аналогичны оптическим схемам проекционных приборов [15, 19]: источник света, конденсор, о&ьекгив (см.рис.1). Назначение конденсора - собрать как можно большую долю светового потока источника в фокальной плоскости объектива, а объектива - задать требуемую расходимость. Корректирующий светофильтр приближает спектральное распределение источника света к солнечному в заданной области спектра.
Как было показано, для решения нескольких классов задач перспективно использование в качестве источника света имитатора Солнца галогенных ламп накаливания. Их цветовая температура в рабочей области изменяется по линейному закону в зависимости от протекающего через них тока от 1900 до 3500 К [14] поэтому ток лампы имитатора необходимо стабилизовать электронными средствами что и отражено на схеме (рис.1). Поскольку Солнце и галогенная лампа моделируются абсолютно черными телами с цветовыми температурами Тх и Т2 соответственно, ^ ^°^Г[20]е раСПредеЛения энергии излучения по длинам волн описываются
4.9631
З'иКи) = -1)-1, (6)
где индекс 1 относится к Солнцу, а индекс 2 к лампе:
X - длина волны; 2 - длина волны излучения абсолютно черного тела в максимуме и вычисляется по закону Вина:
Лп,1,2 = С/Т1,2>
(7)
где с=2897,8 мкм • к - постоянная Вина.
•1 I
С\
Рис.1, Схема имитатора Солнца 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - корректирующий светофильтр; 4 - регулируемая диафрагма; 5 - объектив; 6 - стабилизатор тока.
В абсолютных единицах, спектральное распределение энергетической освещенности примет вид:
где Еу - интегральная энергетическая освещенность (солнечная постоянная), Е^ -интегральная энергетическая освещенность, которую создает галогенная лампа; с12 -нормирующий множитель, имеющий размерность А."1. Он вычисляется из условия:
= (9)
и для абсолютно черного тела определяется простым выражением:
с1г2 = 0,657568/^^2
(10)
Коэффициент пропускания корректирующего светофильтра Тх, трансформирующего спектр лампы Е^ в спектр подобный солнечному кЕХ1 в некотором диапазоне (см.рис.2), является решением уравнения:
откуда
Щл = т\£>а . тх = кЕи/Еп> где к - коэффициент пропорциональности.
(11) (12)
Рис.2. К расчету корректирующего светофильтра 1 - Солнце с цветовой температурой Тх; 2 - лампа с цветовой температурой Т2; 3,4,6 -элементарные площадки; 5 - корректирующий светофильтр.
Подставив в (12) выражение для х 2 (8), получим:
кЕ,
4
и
я2 У
4,9651
е
(13)
-1
Если в решении (13) Т2>ТХ , то т.е. ^.т1Дт2>1 и соответствующим
подбором величин к и Е^ можно получить полную идентичность спектрального распределения имитатора и Солнца в любом спектральном диапазонее 0<Х<оо с помощью пассивного светофильтра, т.к. 1 для всех 0<Я.<а>.
Поскольку цветовая температура Солнца выше чем у галогенных ламп (Т2<Т} и ^1//\.т2<1 и полная идентификация спектров с помощью корректировок пассивным (7^1) светофильтром невозможна в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Тем не менее в ограниченной области спектра для длин волн больше некоторой критической точное воспроизведение спектрального распределения
излучения Солнца достижимо.
Значение ^ находится из условия 7^=1 :
кЕ,
\*
и,
(е4,9651)чГ -1
«2/
4,9651
= 1.
(14)
-1
Из-за трансцендентности уравнения (14) доказательство существования его решения следует из рассуждений качественного характера. При Т2<Т1 , Я.т2>Хт1 наиболее быстрорастущей частью выражения (13) с уменьшением X является числитель
(е<*")Т--1 . (15)
Поэтому, если для больших удается подобрать к и Е^ , чтобы 7^<1 , то по
достижении Л=ЛКр с уменьшением л, сначала достигается равенство Тх=1 , а затем и Тх> 1, коща пассивный фильтр становится физически нереализуем.
В заключение следует отметить перспективность использования импульсных излучателей для создания имитаторов Солнца как источника фоновых помех, маяков и электродвижущей силы, особенно при решении задач, связанных с получением интегральных плотностей мощности потока на уровне солнечной постоянной или выше. Здесь наряду с изложенными выше требованиями по уровням энергетической освещенности, спектральным распределениям и расходимости, следует наложить еще естественное ограничение на длительность импульса имитатора ти. ти должна быть больше характерного для конкретных испытаний промежутка времени т0 , в качестве которого может выступать время сбора первичной информации датчиков, например время записи в ЭВМ кадра телевизионного изображения, постоянная времени датчика Солнца или солнечной батареи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды./ Под ред.Г.И.Петрова.- М.: Машиностроение, 1971. -382 с.
2. Петров В.П. Контроль качества и испытание оптических приборов.- Л.: Машиностроение, 1985. -222 с.
3. Дубиновский A.M., Панков ЭД. Стендовые испытания и регулировка оптико-элекгрон-ных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. -152 с.
4. Войценя B.C., Гужова С.К., Титов В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -224 с.
5. Протопопов В.В., Устинов HJJ. Инфрокрасные лазерные локационные системы. - М.: Воениздат, 1987. -175 с.
6. Сафронов Ю.П., Андриянов Ю.Г. Инфрокрасная техника и космос. - М.: Сов.радио, 1978. -248 с.
7. Ивандиков Я.М. Опшко-элекгронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1971. -200 с.
8. Колтун ММ Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. -192 с.
9. Макарова ЕЛ., Харитонов A.B. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная. - М.: Наука, 1972. -288 с.
10. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. - М.: Высш.шк., 1991. -336 с.
11. Гуревич М.М. Введение в фотометрию. - М.: Энергия, 1968. -244 с.
12. Околоземное космическое пространство: Справочные данные/Под ред.Ф.С.Джонсона. - М.: Мир, 1966. -191 с.
13. Инженерный справочник по космической технике/Под редА.В.Солодова. - М.: Воениздат. 1977. -430 с.
14. Сидоров С.Н., Смолкин М.Ы., Никитичева A.M. Интегральные и спектральные характеристики галогенных ламп накаливания. ОМП, 1976, N 2, стр.79-80.
15. Тельный A.A. Имитация солнечного излучения в лабораторных условиях. ОМП, 1976, N 5, стр.43-46.
16. Вугман С.М., Волков В.Л. Галогенные лампы накаливания. - М.: Энергия, 1980. -136с.
17. Стонога В А., Лагутин М.Ф. Исследование статистики фотоотсчетов реального локационного канала. - Тез докл. IV Всесоюзн.симп.по лазерному зондированию атмосферы. -Томск: изд-во Ин-та оптики атмосфер СО АН СССР, 1976, стр.182-183.
18. Бакулин П.И., Кононовым Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. - М.: Наука, 1970. -536 с.
19. Вычислительная оптика: справочник/Под ред.М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение, 1984. -423 с.
20. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфрокрасной техники. - М.: Сов.радио, 1978. -400 с.
К СВЕДЕНИЮ АВТОЮВ
При подготовке статей в сборник "Компьютерная оптика" просим руководствоваться следующими правилами:
1. Материал должен быть изложен лаконично и ясно, окончательно отработан. Текст должен представляться в двух экземплярах (один из которых - первый машинописный оттиск) па русском или английском языках.
2. Рукопись должна быть напечатана через два интервала на одной стороне листа формата А4. Объем статей и обзоров для публикации в сборнике, как правило >, не должен превышать 24 страниц машинописного текста, кратких сообщений - 10 страниц.
3. К статье (обзору) должна бьпъ приложена ашютация на русском и английском языках.
4. Формулы вписываются крупно и отчетливо. Заглавные и строчные буквы, отличающиеся только своими размерами, подчеркиваются карандашом двумя чертами: заглавные - снизу, строчные -сверху. Нуль не подчеркивается. Греческие буквы обводят кружном красным карандашом, знаки математических операций (например, дифференцирования и интегрирования) - зеленым. Употребление специальных букв и символов следует оговаривать на полях рукописи. Индексы и показатели степени следует писать четко ниже или выше строки и отчеркивать дугами карандашом. Латипские буквы в тексте обводят кружком синим карандашом.
5. Иллюстративный и графический материал должен бьпъ пронумерован и выполнен в виде, пригодном для полиграфического воспроизводства. К рисункам (при необходимости) отдельно даются подрисуночные тексты.
6. Страницы рукописи должны бьпъ пронумерованы. На полях следует указать места размещения рисунков, графического материала и таблиц.
7. В список литературы следует включать все использованные источники, снабжая их порядковой нумерацией. Библиографические описания источников должны располагаться в списке в порядке появлепня ссылок в тексте. При ссылках на источник в тексте указывается номер по списку в квадратаых скобках.
8. Рукопись должна бьпъ обязательно подписана автором, а при наличии нескольких авторов -всеми соавторами. Статьи, являющиеся результатом работ, проведенных в организациях, должны обязательно сопровождаться письмами этих организаций.
9. Необходимо указать фамилию, полное имя и отчество каждого соавтора, ученую степень, ученое звание, должность, организацию, страну, точный адрес и номер телефопа.
10. Для публикации в сборнике принимаются только открытые материалы.
