劉冀洵

【摘要】紅外夜視技術(shù)在戰(zhàn)爭中有著重要的地位，而紅外消光材料是實(shí)現(xiàn)電子對抗無源干擾的重要手段之一，研究紅外消光材料的性能變得極其重要，紅外消光系數(shù)是紅外消光性能的重要參數(shù)，因此做出了一個測試紅外消光系數(shù)的系統(tǒng)來判斷紅外消光性能，該測試系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是郎伯定律、能量與電壓理論；系統(tǒng)由兩大部分組成，Labview作為上位機(jī)，以及單片機(jī)作為下位機(jī)。Labview作為上位機(jī)接受下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后顯示在虛擬示波器上面，以及對下位機(jī)進(jìn)行控制；下位機(jī)主要由單片機(jī)組成，把測量的數(shù)據(jù)通過串口原理傳送上位機(jī)。在測量的過程中可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測，測量的結(jié)果表明系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】紅外；消光；測量

一、引言

隨著科技的發(fā)展，對光學(xué)的研究也越來越深入[1-6]，眾所周知，在夜視技術(shù)的發(fā)展中，紅外熱成像有著舉足輕重的位置，尤其在隱身，制導(dǎo)等領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用大大提高了夜戰(zhàn)能力水平。而增強(qiáng)目標(biāo)的隱蔽性能有兩種方式：其一是降低目標(biāo)本身的清晰度，但這種方式實(shí)現(xiàn)難度較大成本投入也較高；另一種方式可以通過運(yùn)用紅外消光材料的消光作用干擾對方的紅外熱成像探測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)我方目標(biāo)的隱藏。因此材料消光性能的檢測在實(shí)際應(yīng)用中具有重要地位，而紅外消光系數(shù)是表達(dá)紅外消光性能的參數(shù)。國內(nèi)研究主要以煙幕箱為主，缺點(diǎn)是不可以進(jìn)行實(shí)時檢測，沒有實(shí)現(xiàn)自動化測量。本文基于Proteus作為單片機(jī)仿真軟件，然后做出單片機(jī)實(shí)物，Labview[2]做為上位機(jī)軟件，與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，在電腦上面對單片機(jī)[7-``]發(fā)來的信號進(jìn)行處理與顯示，做出一個紅外消光系數(shù)檢測系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)原理

（一）理論原理

目前用于測量紅外消光系數(shù)的理論[4]主要是朗伯定律，朗伯（Lambert）定律可以闡述為：光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，因此在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光，而光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。

紅外吸收系數(shù)參數(shù)：

（1）

Io開始的能量，I經(jīng)過物體之后的能量，吸收系數(shù)，c物體的密度，l紅外經(jīng)過的長度。

根據(jù)紅外吸收系數(shù)的計(jì)算公式，再通過各個參數(shù)的測量取值，然后帶入計(jì)算式，即可獲得特定波長下相應(yīng)材料的紅外吸收系數(shù)。為了是結(jié)果更準(zhǔn)確，我們在測量取值的時候可以多次測量取得其平均值作為參考量。

知道了薄膜的吸收系數(shù)a和照射光波長l，即可利用以下公式計(jì)算薄膜的消光系數(shù)k[12-20]：

（2）

（二）測量原理

要測量紅外消光系數(shù)必須要知道消光前后能量的變化，而紅外接收二極管只可以測得兩端電壓變化，其中電壓與能量的關(guān)系如下：

紅外的光強(qiáng)強(qiáng)度與測量儀器的電壓、電流之間的關(guān)系：

I=KUaLb （3）

其中I為流光電阻兩端的電流；K為光強(qiáng)比例系數(shù)；U為光電阻兩端的電壓；

a為電壓指數(shù)，近似為1；L為光照強(qiáng)度；b為照度指數(shù)。

光強(qiáng)公式可以作為我們數(shù)據(jù)處理方法可行性的理論證明。

設(shè)為初始化的電壓與光強(qiáng)的數(shù)據(jù)，為測得某種材料時候的電壓與光強(qiáng)的數(shù)據(jù)，由公式得以下結(jié)論：

（4）

（5）

由此可以根據(jù)前后的電壓比值計(jì)算出介質(zhì)的吸收系數(shù)a，然后把a(bǔ)帶入公式（1）、（2）并單位化得：

（6）

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）Labview設(shè)計(jì)

labview[21-26]實(shí)現(xiàn)的功能是與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，處理單片機(jī)傳過來的數(shù)據(jù)，再在電腦上面顯示單片機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)顯示在電腦上面。具體過程：通過數(shù)據(jù)采集板接受單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)串口狀態(tài)為真時，調(diào)用串口屬性節(jié)點(diǎn)”Bytes at Port”，如果串口緩沖區(qū)有X字節(jié)的數(shù)據(jù)就接收X字節(jié)的數(shù)據(jù)。最后，用一個狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)相鄰兩個字符串的判斷。如果串口在相鄰兩個字符串之間接收時間大于50ms，則判斷為兩個獨(dú)立的字符串；如果小于50ms，則自動拼接前后兩個字符串。

（二）Proteus設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)由以下幾個部分組成：穩(wěn)壓源模塊，紅外發(fā)射模塊，紅外接收模塊，51單片機(jī)模塊和信號放大模塊，0808A/D轉(zhuǎn)換模塊以及液晶顯示模塊。

（1）紅外發(fā)射/接受模塊：

本章選用的是配對的940nm波段紅外發(fā)射與接受二極管，利用紅外發(fā)射管的光電特性，VI特性，和環(huán)境溫度特性，再利用所選取相對簡單的一個測量量，然后推出其余的變量。

（2）0808A/D轉(zhuǎn)換模塊：

ADC0808是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)中選擇IN0通道作為信號輸入，ADC0808的OUT口作為信號的數(shù)字輸出。

（3）單片機(jī)模塊

本文選用的是STC89C52RC單片機(jī)，單片機(jī)的作用是控制0809A/D轉(zhuǎn)換和labview進(jìn)行串口通訊。具體的管腳連接為：單片機(jī)的P3管腳和A/D0809的信號輸出端連接。

四、數(shù)據(jù)分析

在紅外發(fā)光，接收管兩端電壓為1.2V（這個時候發(fā)射的光線940nm紅外，接收頭接收紅外是最好的），發(fā)光管與接收管之間的距離<1cm的情況下測量了以下兩種數(shù)據(jù)。

表1 光子晶體消光系數(shù)

時間（分鐘） labview測量值（10-6） 理論值（10-6）

10 11.601 11.602

15 11.608 11.603

20 11.608 11.602

25 11.611 11.603

30 11.606 11.602

表1測量的是光子晶體的消光系數(shù)，系統(tǒng)在不同時間對玻璃片的消光系數(shù)測試結(jié)果，其中每組數(shù)據(jù)都測量了10次，取其平均值得出下面列表。在測量的過程中，Labview系統(tǒng)穩(wěn)定的測量，從表中數(shù)據(jù)可以看出，測量值與理論值之間的誤差在，根據(jù)通用誤差判斷標(biāo)準(zhǔn)10%*10-6，，系統(tǒng)滿足系統(tǒng)有良好的可靠性。滿足測量的要求。

五、總結(jié)

對紅外消光測試系統(tǒng)進(jìn)行了消光仿真，與測量對比，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與可靠性以及穩(wěn)定性，為后續(xù)的仿真和控制打下了良好的基礎(chǔ)。依據(jù)串口通信原理建立了單片機(jī)和Labview之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了基于接口方式的多領(lǐng)域交互式仿真設(shè)計(jì)環(huán)境的構(gòu)建[27]。Labview軟件強(qiáng)大的前面板功能設(shè)計(jì)作為人機(jī)交互界面。整個過程可視化了電壓變化，完成精確的壓力需求分析。Labview和單片機(jī)的聯(lián)合能夠?qū)崿F(xiàn)電路、控制等領(lǐng)域的綜合仿真設(shè)計(jì)[28-30]。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電動化測量紅外消光系數(shù)，以及可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的測量，有良好的穩(wěn)定性與可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]chuang zhang，lianfa bai，yizhang.fusion image quality appraisal method of dualspectrum night vision techonology[C].ICICIC06.first international conference，2006.

[2]王紅霞，劉代志，宋子彪，等.納米碳纖維煙幕紅外消光性能研究[J].紅外技術(shù)，2008，29（6）：324-327.

[3]楊華，陳昌明.美國反導(dǎo)系統(tǒng)紅外探測，跟蹤和識別技術(shù)分析[J].紅外技術(shù)，2001，23（4）：1-3.

[4]Oldenburg S J，Jackson J B，Westcott S L，et al.Infrared extinction properties of gold nanoshells[J].Applied Physics Letters，1999，75（19）：2897-2899.

[5]Bouchet P，Lequeux J，Maurice E，et al.The visible and infrared extinction law and the gas-to-dust ratio in the Small Magellanic Cloud[J].Astronomy and Astrophysics，1985，149：330-336.

[6]Bukasov R，Shumaker-Parry J S.Highly tunable infrared extinction properties of gold nanocrescents[J].Nano letters，2007，7（5）：1113-1118.

[7]王玄玉，潘功配，何艷蘭.壓片法測試納米氧化鋁的紅外消光特性[J].光譜實(shí)驗(yàn)室，2005，22（3）：449-452.

[8]王宏喜，王宏霞，薛麗.石墨紅外消光性能研究[J].炭素，2005（4）：41-43.

[9]張友俊，姬波，王向前，等.光子晶體及其應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2004，33（3）：320-322.

[10]快素蘭，章俞之，胡行方.光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，潛在應(yīng)用和制備方法[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2001，16（2）：193-199.

[11]戴敬，王世立.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].國防工業(yè)出版社.2002：133-143.

[12]郭天祥。單片機(jī)c語言教程[M].電子工業(yè)出版社。2012：124-139。[13]Raulo，A，Hennard，G，Sowinska，M.Te inclusions in large size CdTe THM crystal[J].IEEE NSS/MIC，2011

[14]姚永平，賈其.膨脹石墨紅外消光性能研究[J].紅外技術(shù)，2011（7）：385-388

[15]羅亞衡等.一維電介質(zhì)—金屬光子晶體的光學(xué)特性研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008（3）：256-259

[16]田義.李奇，張勵等一維光子晶體紅外空間光調(diào)制器的構(gòu)想[J].紅外與激光工程，2012（9）：http：//wenku.baidu.com/view/f632e7a1d1f34693daef3ee2.html

[17]Przemyslaw Matkowski*，Jan Felba.Influence of solder joint constitution and aging process duration on reliability of lead-free solderjoints under vibrations combined with thermal cycling[C].2010 3rd Electronic System-Integration Technology Conference （ESTC 2010），2010

[18]Zhao Y，Basaran C，etc.Thermomechanical behavior of BGA solder joints under vibrations an experimental observation[C].IEEE，Intel society conference on thermal phenomena，2000（2）：349-355

[19]Zhao Y，Basaran C，Cartwright，A.，Dishongh，T.Inelastic behavior of microelectronics solder joints under concurrent vibration and thermal cycling[C].IEEE，Intel society conference on thermal phenomena，2000（2）：174-180

[20]T.E.Wong，Reed，B.A.，Cohen，H.M.，Chu，D.W. Development of BGA solder joint vibration fatigue life prediction model[C].IEEE，Electronic Components and Technology Conference，1999：149-154

[21]Lei yongping，Linjian，F(xiàn)u Hanguang，Wu Zhong wei，Wangyong，Like，Liao gaobing.Experimental Research on Sn99.0/Ag0.3/Cu0.7 Lead-Free Soldering Paste and its Board-Level Packaging Joint Reliability[C].2010 11th International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging，2010：925-937

[22]任亞軍.基于USB氣體傳感器檢測裝置的研究[D]：西安.西安科技大學(xué).2010

[23]劉元新，鮑元楠，孫宏娟.薄膜厚度和消光系數(shù)的透射光譜測量方法[J].國筑材料測試中

[24]劉元新，鮑元楠，孫宏娟.薄膜厚度和消光系數(shù)的透射光譜測量方法[J].國家建筑材料測試中心.

[25]歐陽的華.煙幕粒子粒度的分型特征及紅外性能研究[J].紅外技術(shù)2012（11）：663-668

[26]Johnson G W.LabVIEW graphical programming：practical applications in instrumentation and control[M].McGraw-Hill School Education Group，1997.

[27]Ertugrul N.Towards virtual laboratories：a survey of LabVIEW-based teaching/learning tools and future trends[J].International Journal of Engineering Education，2000，16（3）：171-180.

[28]Elliott C，Vijayakumar V，Zink W，et al.National instruments LabVIEW：a programming environment for laboratory automation and measurement[J].Journal of the Association for Laboratory Automation，2007，12（1）：17-24.

[29]楊樂平.LabVIEW 高級程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社有限公司，2003.

[30]ZHANG B，LIU L，GAO G，et al.Data Acquisition and Signal Analysis Based on LabVIEW [J][J].Instrument Technique and Sensor，2007，12：74-75.

[31]劉元新，鮑元楠，孫宏娟.薄膜厚度和消光系數(shù)的透射光譜測量方法[J].國家建筑材料測試中心.

基金項(xiàng)目：國家“863計(jì)劃”（2012AA7024034）；710裝備預(yù)研（A-12-39）。