气象观测站的总辐射表、直接辐射表和日照计需要定期校准保证数据准确。但这些气象仪器接收的是自然太阳辐射，校准时不能靠天吃饭——等一个晴朗无云的日子做校准既不可控也不可重复。气象计量机构用气象用太阳模拟器作为标准辐射源在实验室内校准气象仪器。我们上海科迎法电气在太阳光模拟器产品线中提供适用于气象仪器校准的辐射校准光源方案，本文从气象计量人员的实际需求出发，讲清楚气象用太阳模拟器的校准规范要求、校准方法和量值溯源体系。
气象用太阳模拟器怎么校准？
一、气象用太阳模拟器和光伏用太阳模拟器的区别
气象用和光伏用太阳模拟器虽然都模拟太阳光，但校准对象和技术要求不同。
校准对象不同。光伏用太阳模拟器校准对象是太阳能电池和组件，关注的是IV特性曲线和光电转换效率。气象用太阳模拟器校准对象是辐射测量仪器（总辐射表、直接辐射表、日照计），关注的是辐射照度测量准确度和角度响应特性。
光谱要求不同。光伏用模拟器按IEC 60904-9标准做六波段光谱匹配，重点是300到1200纳米范围。气象用模拟器按WMO（世界气象组织）要求光谱范围更宽，通常300到3000纳米，覆盖紫外、可见和红外全波段。因为总辐射表的光谱响应覆盖整个太阳光谱（300到3000纳米），模拟器光谱只覆盖到1200纳米会导致校准结果偏差。
辐照度要求不同。光伏用模拟器辐照度通常1000瓦每平方米（1个太阳常数）。气象用模拟器辐照度需连续可调，范围200到1200瓦每平方米，模拟不同太阳高度角和大气条件下的辐射照度。气象仪器需要在不同辐照度下线性响应，校准时需要多点辐照度测试。
准直度要求不同。光伏用模拟器准直半角正负3到5度够用。气象用模拟器用于直接辐射表校准时要求准直半角正负0.75度以内（模拟太阳圆面张角约0.5度），因为直接辐射表的开角限制了非准直光进入，准直度不够校准结果不准。
稳定性要求不同。光伏用模拟器可以做脉冲式（闪灯10到20毫秒）。气象用模拟器必须做稳态式（连续照射），因为气象仪器热电堆传感器响应时间1到5秒，脉冲光来不及响应。稳态辐照度稳定性要求优于正负0.5百分比（10分钟内），比光伏A级标准（正负2百分比）更严格。
二、校准规范要求
气象用太阳模拟器校准规范参考以下标准和规程。
JJG 458 总辐射表检定规程。国家计量检定规程，规定总辐射表的检定项目、检定方法和不确定度要求。检定项目包括灵敏度、零位漂移、响应时间、非线性误差、方向响应误差和光谱响应误差。总辐射表用太阳模拟器做灵敏度检定时，模拟器辐照度稳定性直接影响检定结果。
JJG 456 直接辐射表检定规程。规定直接辐射表的检定项目包括灵敏度、开角、方向响应和温度特性。直接辐射表配准直管限制接收光束角度，太阳模拟器通过准直管照射直接辐射表做灵敏度检定。
QX/T 1 日照计检定方法。气象行业标准规定日照计的检定项目和检定方法。日照计用太阳模拟器照射做阈值响应和记录误差检定。日照计的日照阈值通常120瓦每平方米，模拟器需要精确调节到阈值附近测试日照计的触发灵敏度。
WMO CIMO Guide 气象仪器和观测方法指南。世界气象组织仪器和观测方法委员会指南，对气象辐射仪器校准给出国际通用技术要求。WMO建议气象辐射仪器每两年校准一次，太阳模拟器作为校准用标准源需每年检定。
三、校准用太阳模拟器技术要求
要求一 光谱匹配。气象用太阳模拟器光谱范围300到3000纳米，光谱功率分布应匹配AM1.5全球总辐射标准光谱（IEC 60904-3）或WMO定义的太阳光谱。光谱匹配度按宽带评估（紫外、可见、近红外三个宽带），不按IEC 60904-9六波段评估（六波段只到1100纳米不够气象用）。
要求二 辐照度范围和稳定性。辐照度连续可调200到1200瓦每平方米。10分钟内辐照度稳定性优于正负0.5百分比（比IEC 60904-9 A级要求正负2百分比严格4倍）。稳定性用标准辐射计在线监测，实时反馈到光强控制系统。
要求三 光斑均匀度。光斑均匀度优于正负2百分比（比IEC A级正负5百分比严格）。气象仪器探测器面积小（热电堆直径5到10毫米），小面积内辐照度均匀性要求更高。
要求四 准直度。总辐射表校准准直半角正负3度够用（总辐射表是全接收角180度）。直接辐射表校准准直半角正负0.75度以内（直接辐射表开角约5度，模拟器准直半角应小于开角的四分之一）。日照计校准准直半角正负1.5度。
要求五 光源类型。氙灯太阳模拟器光谱匹配好但红外段（1200到3000纳米）能量不足（氙灯红外谱线弱）。金卤灯模拟器可见段和近红外段能量充足但紫外段偏弱。LED模拟器各波段可独立调节但红外段LED功率不足。气象校准通常用氙灯加红外补偿光源（卤钨灯）组合方案，氙灯覆盖300到1200纳米，卤钨灯覆盖1200到3000纳米。
四、总辐射表校准方法
总辐射表是测量半球空间总辐射的仪器，校准核心项目是灵敏度校准。
校准步骤一 准备。总辐射表在实验室环境温度20正负5摄氏度放置2小时以上达到热平衡。清洁传感器表面（玻璃罩和热电堆接收面）。检查仪器水平泡是否水平。连接数据采集系统，设置采样率1赫兹。
校准步骤二 安装。将总辐射表安装在太阳模拟器光斑中心位置。传感器接收面和光束方向垂直对准（用对准激光确认）。传感器表面到模拟器出口的距离按照模拟器标称工作距离。确认光斑完全覆盖传感器接收面（光斑直径大于传感器直径）。
校准步骤三 标准仪器读数。在总辐射表旁边放一台标准辐射计（已经溯源到国家基准的传递标准）。标准辐射计和被校总辐射表同时接收模拟器辐照。记录标准辐射计读数作为实际辐照度参考值。
校准步骤四 多辐照度测试。调节太阳模拟器辐照度到200、400、600、800、1000、1200瓦每平方米六个点。每个辐照度点稳定2分钟后同时记录标准辐射计和被校总辐射表的输出信号。每个点读数10次取平均值。
校准步骤五 计算灵敏度。灵敏度等于被校表输出信号除以标准辐照度。单位微伏每瓦每平方米。取六个辐照度点灵敏度的平均值作为校准结果。各点灵敏度偏差反映被校表的非线性误差，偏差应在正负1百分比以内。
校准步骤六 方向响应测试。在1000瓦每平方米辐照度下，将被校总辐射表从0度（正对光源）旋转到正负75度，每5度记录一次输出信号。理想总辐射表的方向响应应余弦响应（输出信号等于余弦角度乘以正对信号）。实际方向响应偏差应小于正负3百分比（0到60度范围）和正负10百分比（60到80度范围）。
校准步骤七 温度特性测试。在恒温箱内改变总辐射表环境温度从负20到正40摄氏度，每10度一个点。每个温度点稳定30分钟后在固定辐照度下读数。计算温度系数（百分比每摄氏度）。温度系数应在正负0.15百分比每摄氏度以内。
五、直接辐射表校准方法
直接辐射表配准直管测量太阳直接辐射，校准时模拟器光束必须准直。
校准步骤一 准直管安装。直接辐射表前端安装准直管（开角约5度，限制非准直光进入）。准直管对准太阳模拟器光束中心。模拟器准直半角应小于正负0.75度，确保只有准直光进入准直管。
校准步骤二 准直度验证。在准直管入口前后移动标准辐射计（距离变化正负50毫米），读数变化应小于0.5百分比。如果读数随距离变化大说明光束不够准直，需要调整模拟器准直透镜。
校准步骤三 灵敏度校准。辐照度设1000瓦每平方米，稳定2分钟后记录标准辐射计和被校直接辐射表读数。计算灵敏度。多点辐照度测试和总辐射表类似（200到1200瓦每平方米六点）。
校准步骤四 开角测试。将被校直接辐射表在准直管前方水平方向偏转0到3度，每0.5度记录一次输出信号。开角阈值响应应在标称开角角度（通常2.5到5度）外信号快速下降。开角特性影响直接辐射测量的遮挡误差。
六、日照计校准方法
日照计记录日照时数，校准核心是阈值响应准确度。
校准步骤一 阈值校准。日照计的日照阈值通常120瓦每平方米（WMO标准）。调节太阳模拟器辐照度从80到160瓦每平方米，每10瓦一个点。在阈值附近（110到130瓦每平方米）每2瓦一个点。记录日照计触发和解除时的辐照度值。触发阈值偏差应在正负10瓦每平方米以内。
校准步骤二 记录误差测试。在120瓦每平方米阈值辐照度下持续照射10分钟，检查日照计记录的日照时数是否为10分钟。记录误差应小于正负0.1分钟（6秒）。
校准步骤三 方向响应测试。日照计绕水平轴旋转0到正负75度，每5度记录触发阈值变化。方向响应影响日照计在不同太阳高度角下的阈值准确性。
七、量值溯源体系
气象用太阳模拟器的辐照度量值必须溯源到国家基准保证校准结果可信。
溯源链。世界辐射测量基准（WRR）到国家太阳辐射基准标准组到传递标准辐射计到工作用太阳模拟器。
溯源层级一 世界辐射测量基准（WRR）。世界气象组织在瑞士达沃斯维持的世界辐射参考基准，是国际太阳辐射测量的最高基准。WRR通过一组绝对腔体辐射计（PMO6型等）复现，不确定度约正负0.3百分比。
溯源层级二 国家太阳辐射基准。国家气象计量站（中国气象局）维持的国家太阳辐射基准标准组，定期和国际基准（WRR）比对。国家基准不确定度约正负0.5百分比。
溯源层级三 传递标准辐射计。校准实验室用传递标准辐射计（如Eppley PSP型或Kipp and Zonen CMP22型）从国家基准传递量值到工作用太阳模拟器。传递标准辐射计每年送国家气象计量站校准一次，校准不确定度约正负1百分比。
溯源层级四 工作用太阳模拟器。传递标准辐射计在太阳模拟器光斑中测量辐照度，将模拟器辐照度溯源到国家基准。工作用太阳模拟器辐照度不确定度约正负1.5到2百分比（包含传递标准不确定度和模拟器稳定性不确定度）。
八、不确定度评定
校准结果的不确定度评定是校准报告的核心内容。气象用太阳模拟器校准不确定度主要来源如下。
来源一 标准辐射计不确定度。传递标准辐射计自身校准不确定度约正负1百分比（k等于2）。
来源二 太阳模拟器辐照度稳定性。10分钟内稳定性正负0.5百分比。通过在线监测和多次读数平均可以降低此分量影响。
来源三 光斑均匀度。光斑内辐照度不均匀性正负2百分比。通过将传感器放在光斑中心位置和标准辐射计紧邻放置可以部分消除。
来源四 对准误差。传感器和光束不垂直对准导致余弦误差。对准偏差1度引入误差约0.015百分比（余弦1度等于0.9998），可忽略。对准偏差5度引入误差约0.4百分比。
来源五 环境温度波动。实验室温度波动正负2摄氏度，热电堆温度系数约0.15百分比每摄氏度，温度波动引入误差约0.3百分比。
来源六 数据采集系统。数据采集系统（数字万用表或数据采集器）测量热电堆输出电压的不确定度约0.05百分比，可忽略。
合成不确定度。以上分量合成（方和根法），扩展不确定度约正负1.5到2.5百分比（k等于2，置信概率约95百分比）。气象辐射仪器校准结果不确定度应优于正负3百分比（k等于2）。
九、校准周期和期间核查
校准周期。总辐射表和直接辐射表建议每两年校准一次。日照计建议每年校准一次。使用环境恶劣（高污染、高湿度、高紫外线）的仪器建议每年校准。
太阳模拟器检定周期。校准用太阳模拟器建议每年检定一次。检定项目包括辐照度稳定性、光斑均匀度、光谱匹配度和准直度。检定用传递标准辐射计和光谱辐射计。
期间核查。两次校准之间用工作标准辐射计（和传递标准同型号）在太阳模拟器光斑中做比对核查。核查结果偏差超过2百分比时需要重新校准或检修模拟器。
如需气象用太阳模拟器校准方案或辐射校准光源选型，请联系科迎法电气技术团队。我们提供符合气象校准要求的太阳光模拟器产品线，支持总辐射表、直接辐射表和日照计的实验室校准需求。
