模拟太阳光.doc

课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1 熟悉太阳光分峰的原理与方法；2 理解太阳光光波成分组成及其应用；3 学习PeakFit和Origin软件的使用。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计要求：波谱技术在各学科领域得到越来越广泛的应用,谱峰分辨在科学研究中显示出重要的作用,对于圆滑的谱峰可应用高斯函数。太阳光谱可以看作由各种波长的光谱混合叠加而成，欲对重叠的光谱有较为全面, 准确的认识, 对光谱进行曲线分峰拟合是十分必要的。光谱的分峰曲线拟合已成为一种有力的研究手段，使得在计算机上有效地进行光谱曲线分峰拟合计算已成为可能。1.分波仿真：运用PeakFit和Origin软件对标准太阳光分峰，进行曲线拟合（12人）2.相关电路设计：设计合适的LED驱动电路用以构造模拟太阳光光学系统，LED发光强度可调节。（12人）3.分析空气对太阳光谱的影响以及合成LED发光的光谱特性。（12人）参数要求：1.波长范围：200nm3000nm。2.平均辐射亮度：=3.3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1） 课程设计说明书一份；2） 电子文档（说明书、设计程序）一份 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985 5设计成果形式及要求：1） 课程说明书打印，并装订；2） 必要的光路图路图和结构图。6工作计划及进度：2008年12月22日2008年12月24日 下达设计任务书，学生熟悉设计内容； 2008年12月25日2008年12月27日 查阅参考资料，确定基本设计方案；2008年12月28日2008年12月31日 基本参数的计算和设计2009年01月1日2008年01月4日 完成设计报告2009年01月5日 答辩 系主任审查意见： 签字： 年 月 日1 引言在太阳科学研究中，为了迅速、准确地测量各种数据，判定各种装置的优略性，尤其是在空间研究中，由于太阳光在通过大气层时受到大气的吸收、散射等作用的影响，其光谱曲线发生了改变，为了更加精确地测量各种设备在大气层以外的工作性能，需要一种能够模拟太阳光光谱曲线的设备，因此我们设计了一种装置来模拟太阳光光谱曲线。该设备的设计共分为三大部分，首先我们通过peakfit软件对标准太阳光光谱进行了波段的划分，使其能够很好地与太阳光光谱吻合；接着我们选取相应波长的LED，使其的中心频率、发光强度与各波段相吻合；第三部分为电路驱动部分，通过一系列占功比可调的矩形波调节LED的发光时间，从而实现发光强度的调节。通过以上三部分的设计，从而实现模拟合成太阳光的目的。1.1 太阳光模拟器的现状现阶段，太阳光模拟器主要由高色温卤钨灯、水银卤素灯等通过滤光片等光学器件对其光谱进行一定的处理而模拟得到太阳光光谱，但这些模拟方法对于能量的利用率较低，光强的均匀性不够理想。随着发光二极管发光效率的不断提高，以及各种波长发光二极管的出现，用发光二极管模拟太阳光成为了人们研究的对象。由于发光二极管体积较小，均匀性问题将的到很好的解决。另外，LED发光二极管利用半导体特性发光，具有低电压低电流的省电发光特点，同时具有轻、薄、短、小、抗震耐摔等高可靠、长寿命的优点，对环境的污染小，用发光二极管模拟太阳光光谱将成为发展趋势。1.2 利用发光二极管模拟太阳光光谱利用发光二极管模拟太阳光光谱有两大类方法。首先，通过单色LED发光激发各种荧光物质，从而合成太阳光谱；另外一中就是通过各种单色LED发光合成太阳光光谱。两种方法各有优略，我们用的是后一种方法。2 太阳光分波模拟2.1大气层外太阳光谱的绘制表1为大气层外太阳光平均辐照度随波长变化的变化数据。将该组数据输入制图软件，得到标准太阳光的光谱曲线（如图1所示）。表1：大气层外随变化的太阳平均辐照度光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)240635001942800110926013052018339008912802225401783100074830051456016951200485320830580171514003373401074600166616002453601068620160218001593801120640154420001034001429660148622007942017476801427240062440181070013692600484602066720131428003948020747501235300031 图1为大气层外太阳光光谱曲线，太阳光包含的波长从200nm左右到3000nm左右。从图中可以看出，太阳光的能量主要集中于可见光区域，在红外区和紫外区也有很强的辐射，在仿真模拟的时候我们应尽量保证使每个波长区域的光都得到再现。图1：标准太阳光光谱图2.2用peakfit软件对大气层外太阳光谱分波将标准太阳光光谱数据输入peakfit软件，通过软件的处理，对太阳光光谱曲线进行分峰。图2：用高斯曲线对太阳光谱拟合图太阳光谱可以用一系列高斯曲线对其进行无限的逼近，这一系列的高斯曲线将太阳光分成了几个波段，每一个波段用一个相应波长的LED代替，从而可以合成太阳光。图2即为5个高斯曲线拟合的标准太阳光光谱曲线。在进行曲线拟合的时候应保证以下两个条件：拟合曲线与标准太阳光光谱曲线尽量一致；存在相应峰值波长的LED。只有满足这两个条件，才能较好地合成太阳光。2.3拟合结果及分析拟合结果为用五个高斯曲线对标准太阳光进行拟合，各高斯曲线的参数如表2所示：表2：各拟合高斯曲线的参数表由于发光二极管的光谱曲线同样为高斯曲线，通过上表中给出的参数我们可以很容易地选取相应的二极管，从而代替相应的波段，以合成标准太阳光。通过高斯曲线的峰值高度可以确定相应发光二级管的相对发光强度；通过高斯曲线的脉宽可以确定相应发光二级管的光谱半宽度；通过高斯曲线的中心波长可以确定相应发光二级管的发光波长。通过以上的三个参数我们可以选择适合的发光二极管，从而实现对太阳光光谱曲线的拟合。2.4 大气层内太阳光谱绘制大气层内的太阳光谱数据表3 太阳光谱数据光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)光波长（nm）平均辐照度(Wm- 2m- 1)200095020170016250010006017507.3333003.3333105046.66718002.66735023.33311001018501.66740053.3331150301900345096.66712004019506500120125036.66720002550120130023.33320509.667600118.66713503.333321001065096.66714001.66721503.3337009014502.3332200075010015001022506.33380070155023.33323003.333385080.667160023.33323503.33390043.33316502024002.667 图3大气层内的太阳光谱曲线2.5 用peakfit软件对大气层内的太阳光谱分波用PEAKFIT进行拟合后的曲线为下图： 图4大气层太阳光谱拟合曲线图2.6 拟合结果 表4拟合曲线的参数表2.7 大气层对太阳光的作用从以上可以了解到，太阳光包含的波长从200nm左右到2400nm左右。从图中可以看出，在紫外及可见光部分大气层内的光谱曲线与大气层外的基本相同，在红外部分有选择性的吸收。3 用于拟合太阳光的LED的选取通过分峰拟合，将太阳光谱分成了5个波段，现选取适合的LED，从而实现太阳光光谱的拟合。通过高斯曲线的峰值高度确定相应发光二级管的相对发光强度为Iv1300nm: Iv1070nm:Iv850nm:Iv645nm: Iv450nm=1：1.54：2.67：3.3：4.9；通过高斯曲线的中心波长确定相应发光二级管型号如表2所示。表5：选用各LED的特性参数表型号导通电压（V）电流(mA)亮度(mcd)主波长(nm)光谱半宽（nm）个数最小值典型值最大值最小值典型值最大值L1300-031.01.55014125013001450801L1300-331.01.5509125013001450802L1070-061.11.55030102010701120501L1070-331.11.55010102010701120502L850-04US1.451.75080850401L645-05V2.02.320100635645655201L450-09U3.84.320150440450460301由表3中各个发光二级管的发光亮度可以计算出该装置的发光亮度为412mcd。如果需要增强发光亮度可以按表2增加一组或几组发光二极管，从而增强其发光强度。4 驱动电路的设计 如图5为该模拟太阳光光谱装置的整个驱动电路。该电路由三大部分组成，利用555定时器组成的多谐振荡电路、MAX1916芯片组成的LED驱动电路、由电阻和电容组成的不同电压提供电路。 图5 驱动电路5 结束语通过对太阳光分波仿真驱动电路的设计，我们增加了对太阳光谱的了解，运用Peakfit软件对大气层内外太阳光谱进行拟合，了解到大气层对太阳光谱有选择性吸收作用，在以后的工作中有很大的帮助，使用Peakfit软件进行曲线拟合时，我们发现选择的LED愈多，曲线越接近，考虑到在LED选取方面的难度，我们把拟合曲线中的波长，特意向实际LED波长靠近，从而在Peakfit中得到以上的拟合曲线图，通过团队合作，加快了设计进度，对相关原理也有了一定的了解。10参考文献1 郑海中，杨仁贤，舒雄娟.