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。

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。

为实现太阳模拟器的大辐照面积均匀照明, 研究了大面积发散太阳模拟器光学系统的设计与仿真。分析了复眼透镜阵列组与发散投影系统的工作原理及旁瓣效应的产生机理; 基于嵌套建模思想, 结合多项式拟合方法, 得出了氙灯轴上的强度分布曲线, 并根据氙灯发光能量对称的性质, 实现了氙灯空间光强分布的模拟; 结合提出的光学系统设计边界条件与参数, 设计了光束整形系统、复眼透镜阵列组和发散投影系统。实验结果表明: 大面积发散太阳模拟器的工作距离为20 000 mm, 辐照面直径为1 500 mm, 辐照均匀度为92.8%, 满足均匀照明的使用需求。