王浩+王海風(fēng)

摘 要 結(jié)合某吊艙加裝紅外熱像儀的使用，基于紅外熱像儀測(cè)試目標(biāo)輻射亮度、輻射強(qiáng)度的功能，提出了在目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)試中扣除整流罩影響的方法，并在實(shí)驗(yàn)室利用黑體、整流罩、長(zhǎng)波紅外熱像儀，測(cè)試了整流罩的波段透過(guò)率，給出了某吊艙扣除整流罩影響的修正公式，并在型號(hào)測(cè)試中應(yīng)用，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞 整流罩；透過(guò)率；目標(biāo)紅外輻射特性

中圖分類號(hào)：V520.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0074-02

利用機(jī)載紅外測(cè)量吊艙對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常在紅外測(cè)試設(shè)備前端增加整流罩，一方面用于保護(hù)吊艙中的紅外設(shè)備在飛行時(shí)不被破壞；另一方面測(cè)量吊艙加裝整流罩后，拓寬了吊艙在空中的飛行包線，利于對(duì)空中目標(biāo)不同狀態(tài)的特性進(jìn)行測(cè)試。某機(jī)載紅外測(cè)量吊艙內(nèi)部加裝紅外熱像儀，頭部加裝ZnS材料制成的整流罩，紅外熱像儀獲取的能量是整流罩自身的熱輻射和目標(biāo)透過(guò)整流罩的能量，因此，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中需消除整流罩自身輻射的影響，還原目標(biāo)的輻射能量。本文提出了一種便于工程中采用的方法，通過(guò)測(cè)試整流罩的波段透過(guò)率和整流罩的溫度，來(lái)修正整流罩對(duì)目標(biāo)輻射能量的影響。

1 整流罩輻射對(duì)目標(biāo)紅外測(cè)試的影響

對(duì)于某型紅外測(cè)量吊艙，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)能量傳遞關(guān)系，到達(dá)熱像儀的紅外輻射能量由三部分組成，分別為：透過(guò)整流罩的目標(biāo)和背景等輻射能量；整流罩自身輻射的能量，整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量。因此通過(guò)紅外測(cè)量吊艙進(jìn)行目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)試時(shí)，目標(biāo)的輻射能量將疊加整流罩的輻射、整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量，將影響到對(duì)目標(biāo)紅外輻射特性的測(cè)試，如圖2所示，熱像儀直接測(cè)試黑體和熱像儀鏡頭前用整流罩遮擋再測(cè)試黑體，從圖2的黑線可以看出，直接測(cè)試黑體，熱像儀得出的輻射溫度和黑體設(shè)置一致；從圖2的紅外線可以看出熱像儀鏡頭前用整流罩遮擋，熱像儀測(cè)試得出的輻射溫度和黑體的設(shè)置溫度存在差異，整流罩自身熱輻射疊加到目標(biāo)的熱輻射中，如果用該輻射溫度當(dāng)作目標(biāo)的輻射溫度，將會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)誤差，影響對(duì)目標(biāo)的測(cè)試，需將整流罩輻射和反射的影響消除，還原目標(biāo)的輻射能量。對(duì)于整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量，由于熱像儀緊挨整流罩，如圖3所示，這樣避免了吊艙的能量通過(guò)整流罩的反射到達(dá)熱像儀，整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量在工程測(cè)試中可忽略[1]?；诖?，根據(jù)紅外物理學(xué)的相關(guān)原理，輻射到熱像儀的能量可表達(dá)為式（1）。

（1）

其中，Lm——熱像儀直接測(cè)得的輻射亮度；

Lt——目標(biāo)及背景的輻射亮度；

Lf——整流罩自身的輻射亮度；

τ——整流罩透過(guò)率；

ε——整流罩發(fā)射率。

對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到式（2）

（2）

通過(guò)測(cè)量Lm、Lf、τ、ε四個(gè)參數(shù)就可將整流罩的影響消除，對(duì)于消除整流罩影響的四個(gè)參數(shù)具體的測(cè)試方法見(jiàn)下文敘述。

圖1 紅外測(cè)量吊艙基本結(jié)構(gòu)示意圖

（虛線代表無(wú)整流罩的測(cè)溫結(jié)果，實(shí)線表示帶整流罩的測(cè)溫結(jié)果）

圖2 整流罩對(duì)輻射測(cè)溫的影響

圖3 熱像儀與整流罩安裝布局示意圖

2 測(cè)試方法

2.1 整流罩透過(guò)率的測(cè)試方法

根據(jù)紅外物理學(xué)的基本原理，當(dāng)外來(lái)輻射入射到物體表面時(shí)，將出現(xiàn)反射（ρ）、吸收（α）和透射（τ）三種過(guò)程，根據(jù)能量守恒定律，三種能量的百分比滿足ρ+α+τ=1，同時(shí)基于基爾霍夫定律物體的發(fā)射率等于吸收率這一基本概念[2]，以及結(jié)合紅外測(cè)量吊艙的實(shí)際使用，可忽略整流罩對(duì)吊艙的反射，則整流罩的發(fā)射率和透過(guò)率近似滿足式（3）的關(guān)系。

（3）

因此，通過(guò)測(cè)試整流罩的透過(guò)率，就可以計(jì)算整流罩的發(fā)射率，從而修正整流罩在紅外測(cè)試中的影響。課題組設(shè)計(jì)了如圖4所示的光路，利用長(zhǎng)波紅外熱像儀測(cè)試整流罩的波段透過(guò)率，具體試驗(yàn)步驟分為兩步：第一步測(cè)試黑體的輻射能量，如圖4中的a）所示；第二步將整流罩放在黑體前方，如圖4中的b）所示，測(cè)試透過(guò)整流罩的黑體輻射能量。

a）

b）

圖4 測(cè)試光路

2.2 整流罩表面溫度測(cè)試方法

整流罩的紅外輻射是通過(guò)測(cè)量整流罩的表面溫度，利用普朗克公式計(jì)算得到整流罩的紅外輻射能量。本項(xiàng)目中，整流罩表面布置了三個(gè)測(cè)溫傳感器，三個(gè)測(cè)溫傳感器的分布如圖5所示，將三個(gè)溫度傳感器獲取的數(shù)據(jù)取平均，作為整流罩的表面溫度。

圖5 溫度傳感器在整流罩表面的分布示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

在本次試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室的溫度通過(guò)空調(diào)進(jìn)行適當(dāng)恒溫，進(jìn)行了環(huán)境溫度約在16℃、19℃和23℃三個(gè)溫度，依據(jù)圖3的測(cè)試光路，測(cè)試了黑體溫度從4℃～48℃下的輻射特性。根據(jù)本文提出的公式（2）和公式（3），可以得到式（4）。

（4）

其中，式（4）中Lt和Lm由長(zhǎng)波紅外熱像儀測(cè)試的輻射溫度經(jīng)普朗克公式轉(zhuǎn)化后給出，Lf由測(cè)得的整流罩表面溫度，通過(guò)普朗克公式積分后給出，則由式（4）可以計(jì)算出整流罩的波段透過(guò)率，具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6所示，對(duì)計(jì)算獲得的透過(guò)率取平均值為0.79998，則根據(jù)公式（3）整流罩的波段發(fā)射率為0.20002，公式（2）可表示為

（5）

利用式（5）就可將整流罩在空中目標(biāo)測(cè)試過(guò)程的影響消除，還原目標(biāo)自身的輻射能量，同時(shí)從圖6可以看出，環(huán)境溫度的變化對(duì)整流罩透過(guò)率的影響較小，相關(guān)資料也有表述在8?m～9.5?m波段內(nèi)，CVDZnS的透過(guò)率在600℃保持恒定[3]。利用式（5）對(duì)測(cè)試黑體的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示，圖7中符號(hào)為“·”的數(shù)據(jù)為公式（5）的計(jì)算值，符號(hào)為“▂”的數(shù)據(jù)為實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，從圖7可以看出，計(jì)算數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)吻合，從而說(shuō)明在工程測(cè)試中可以應(yīng)用公式（5）將整流罩的影響從目標(biāo)的紅外特性測(cè)試中扣除，提高測(cè)試的精度。

圖6 透過(guò)率隨環(huán)境溫度的變化特性

圖7 擬合數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比

4 結(jié)論及應(yīng)用

本文提出了一種在空中目標(biāo)紅外特性測(cè)試中，扣除整流罩對(duì)測(cè)試帶來(lái)影響的方法，針對(duì)加裝的不同波段透過(guò)率的整流罩，均可用此方法進(jìn)行整流罩波段透過(guò)率的測(cè)試，從而扣除整流罩在目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)試的影響，還原目標(biāo)自身的輻射能量。配合某測(cè)量吊艙加裝的長(zhǎng)波紅外熱像儀的使用，利用本文提出的整流罩影響修正公式，已在某型號(hào)的工程測(cè)試中應(yīng)用，取得了良好的效果，提升了數(shù)據(jù)的精度，很好的完成了某型號(hào)的紅外測(cè)試，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了整流罩修正公式的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]Thomas A. Morris，ANALYSIS OF UNCERTAINTIES IN INFRARED CAMERA，THESIS.

[2]R.D.小哈德遜.紅外系統(tǒng)原理[M].國(guó)防工業(yè)出版社（1975）.

[3]余懷之.紅外光學(xué)材料[M].國(guó)防工業(yè)出版社.

作者簡(jiǎn)介

王浩（1982-），男，漢族，陜西富平縣人，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，碩士研究生，研究方向：目標(biāo)電磁、紅外散射特性

研究。

王海風(fēng)（1980-），男，漢族，河南太康縣人，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，碩士研究生，研究方向：目標(biāo)電磁、紅外散射特性研究。endprint