积分球出射光在远距离处的大辐照面上辐照均匀性及辐照度受出射光角度影响较大。针对这一问题，提出将复合抛物面聚光器逆用为复合抛物面反射器的积分球出射光角度调制方法。首先，研究复合抛物面反射器光束调制原理并推导抛物线方程；其次，分析复合抛物面反射器的参数对辐照面辐照均匀性及辐照度的影响，确定复合抛物面反射器的发散角与截取比等尺寸参数；最后，建立发散式太阳模拟器光学系统模型并仿真。仿真结果表明：复合抛物面反射器将积分球出射光半角由82°调制为25°；在太阳模拟器有效辐照面Φ1000 mm内，与未使用复合抛物面反射器相比，当复合抛物面反射器的截取比为20%时，辐照均匀性提高了0.24倍，为97.30%，辐照度提高了5.1倍，为553.54 W/m²，实现了远距离处高辐照均匀性的大辐照面模拟。

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题，设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型，根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论，建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系；依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程，通过龙格-库塔法求解微分方程，计算出离散点数据；拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线，旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线，利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化，从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统，结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升，辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%，辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%；通过误差仿真分析，依据现有自由曲面加工与检测水平，验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。

为解决现有星模拟器无法模拟天空背景变化的问题，提出了一种用于测试星敏感器工作性能的背景可调星模拟器。设计了离轴反射式准直光学系统，通过在主光路中引入半反半透镜产生两个共轭焦面，星点分划板和杂光光阑分别由恒星光源模拟器和背景光源模拟器中的两个积分球照亮。实时监测积分球出口辐照度并根据星点和背景亮度的需要控制光源的输出功率。两路光束合束后准直成像为平行光，最终被星敏感器接收，从而实现具有可变星空背景且视星等可变的恒星模拟。测试结果表明，该系统的视星等在-2.00~6.00范围内连续可调，视星等模拟精度为0.30，背景光源均匀性达到97.3%。该系统可较好地模拟星敏感器运行时恒星的背景变化，有效提升星敏感器的性能测试精度。

针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。

现有太阳模拟器在辐照度调节时存在调节范围窄、数值不连续等缺陷,这会严重影响辐照不稳定度和光谱匹配度。针对这个问题,提出基于环带聚光与对称匀光理论的太阳辐照调制方法。首先,研究椭球聚光镜配光所形成的辐照面的能量分布;接着,研究光学积分器的匀光机理,提出基于通孔的能量调制方法,结合辐照度分布函数获得均匀的辐照度分布;最后,设计辐照调节系统,通过改变辐照调节板开孔尺寸实现辐照度的连续调节,利用Lighttools软件进行辐照度仿真。仿真结果表明:太阳模拟器的辐照度在490.38~1473.78 W/m ²范围内连续可调,且椭球聚光镜的斜率误差为σ=2 mrad时,不同辐照度下的不均匀度均优于1.76%(达到太阳模拟器校准规范的A级要求),实现了太阳模拟器辐照度的宽范围调节,且辐照度调节不会改变辐照不稳定度和光谱匹配度。

针对应用于太阳模拟器辐照衰减器设计上的不足,提出一种新的衰减器设计方法,旨在提高其辐照均匀性。基于光学扩展量计算衰减器上的网孔面积,对会聚光路的辐射通量进行调制;利用聚光镜环带法,理论上分析衰减器上的辐射分布;利用网孔非均匀分布的结构对会聚光路的辐射分布进行调制,给出具体设计参数;对比分析了网孔均匀分布和非均匀分布对辐射调制效果和辐照均匀性的影响。实验表明:安装网孔非均匀分布的衰减器,调节氙灯功率,能够连续输出0.1~1.0个太阳常数的辐照度;基于网孔非均匀分布的衰减器对辐射分布调制后,光斑内辐照不均匀度降低率最高为48.7%,低辐照不均匀度下可以实现辐照度的大范围调整,对提高太阳模拟器的使用性能具有一定的借鉴意义。