王學(xué)新，岳文龍，楊鴻儒，謝 毅

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國防科技工業(yè)光學(xué)一級計(jì)量站，陜西 西安710065）

引言

材料發(fā)射率在軍事上主要應(yīng)用于紅外隱身技術(shù)方面。隱身技術(shù)是軍事目標(biāo)的主動(dòng)防護(hù)技術(shù)，包括雷達(dá)隱身和紅外隱身。雷達(dá)隱身技術(shù)主要用于減少目標(biāo)自身雷達(dá)波的反射信號，紅外隱身是降低自身的紅外輻射信號，從而達(dá)到隱身的目的，紅外隱射與探測能力有關(guān)，探測能力越強(qiáng)，隱身所需要的距離越長。目前，隱身應(yīng)用最廣泛的是飛機(jī)，美國的F－22和F－35，俄羅斯的米格1.14都采用了隱身技術(shù)。

隨著紅外探測技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的，具有高精度、高靈敏度的紅外光電武器系統(tǒng)如紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭、軍用紅外熱像儀等，使得武器精確打擊能力越來越強(qiáng)，為了降低被對方光電武器系統(tǒng)識(shí)別的概率，或先于發(fā)現(xiàn)對方，目前世界上許多國家都在研究紅外隱身技術(shù)，采用各種方法和途徑降低軍事目標(biāo)自身的紅外輻射，降低被敵方紅外光電武器系統(tǒng)識(shí)別的概率，提高生存能力。

降低自身的紅外輻射是一種非常有效的紅外隱身手段。物體的紅外輻射主要由其材料表面的溫度和發(fā)射率決定，材料發(fā)射率越小，其發(fā)射的紅外輻射越弱，降低軍事目標(biāo)表面材料的發(fā)射率可有效地減小自身的紅外輻射，從而達(dá)到軍事目標(biāo)的紅外隱身。因此需要開展材料和涂層發(fā)射率測量和校準(zhǔn)技術(shù)研究，從而評估其紅外隱身性能。

國防科工局光學(xué)計(jì)量一級站成功地研制了IRS400型材料發(fā)射率測試裝置，主要用于各種材料表面的法向發(fā)射率測試，可實(shí)現(xiàn)±70°范圍內(nèi)方向發(fā)射率測量，該測試裝置測量溫度范圍為（50～400）℃，光譜范圍為（3～5）μm和（8～12）μm，發(fā)射率測量范圍為0.2～0.99，測量不確定度為2%（k＝2）。

1 測試原理

任何物體或者材料的表面都具有發(fā)射輻射的能力，該輻射能力用發(fā)射率來表示。發(fā)射率定義為材料的輻射量與相同溫度下的普朗克輻射體的相應(yīng)輻射量之比，是體現(xiàn)物體紅外輻射特性最重要的技術(shù)指標(biāo)。物體的發(fā)射率主要由其表面材料、涂層或漆層決定，材料發(fā)射率越高，向外發(fā)射的輻射就越強(qiáng)。

發(fā)射率分為定向發(fā)射率和半球發(fā)射率。定向發(fā)射率是某個(gè)小的立體角的發(fā)射率，半球發(fā)射率半球空間的發(fā)射率。使用目的不同，選擇發(fā)射率評價(jià)的參數(shù)不同，在工業(yè)輻射加熱方面，加熱材料半球空間都產(chǎn)生熱輻射，關(guān)心的參數(shù)為半球發(fā)射率，主要用于評估材料的加熱效率；在紅外隱身方面，光電武器系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)距離觀察和打擊，一般距離目標(biāo)較遠(yuǎn)，目標(biāo)相對于光學(xué)探測系統(tǒng)立體角較小，因而關(guān)心的是目標(biāo)的定向發(fā)射率。

紅外光電武器系統(tǒng)大都工作在（1～3）μm、（3～5）μm和（8～12）μm 3個(gè)波段，該波段大氣對紅輻射衰減較少，有利于對紅外目標(biāo)的探測，因而材料發(fā)射率測試儀器一般也主要針對這3個(gè)波段的發(fā)射率值進(jìn)行測試和評估。材料發(fā)射率隨自身溫度的變化而有所變化，因而材料發(fā)射率的測試，是相對于某個(gè)溫度而言。

IRS400型材料發(fā)射率測試裝置主要用于測量（3～5）μm和（8～12）μm波段下的法向發(fā)射率值，根據(jù)需要可增加濾光片，通過標(biāo)定后可實(shí)現(xiàn)關(guān)心波段的發(fā)射率測試。其測試原理如圖1所示。裝置主要由被測樣品1、樣品爐2、黑體3、直線導(dǎo)軌4、熱隔離光欄5、濾光片轉(zhuǎn)盤6、準(zhǔn)直物鏡7、會(huì)聚物鏡8、斬波器9、熱釋電探測器10和計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)等組成。

圖1 IRS400型材料發(fā)射率測試裝置原理圖Fig.1 Schematic of IRS400 type material emissivity measurement device

測試時(shí)，首先將被測樣品放置于樣品爐內(nèi)，通過參考黑體和樣品爐溫度控制器將參考黑體和裝有被測樣品的樣品爐加熱到同一溫度T，同一溫度下由于發(fā)射率不同，向外輻射的功率也不同，通過直線導(dǎo)軌帶動(dòng)樣品爐和參考黑體分別進(jìn)入采集光路中，濾光片轉(zhuǎn)盤上安裝有2個(gè)濾光片：（3～5）μm和（8～14）μm波段濾光片，以及4個(gè)備用孔，可根據(jù)需要安裝關(guān)心的濾光片，參考黑體和樣品爐發(fā)出的輻射經(jīng)過濾光片后被準(zhǔn)直物鏡和會(huì)聚物鏡反射聚焦到探測器上，探測器前面裝有斬波器，斬波器主要用于調(diào)制光信號，消除外界雜散輻射的影響，光信號到達(dá)探測器后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過前放和選頻放大電路后進(jìn)入信號采集卡，信號采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后進(jìn)入計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

根據(jù)發(fā)射率的定義，材料發(fā)射率是相同測試條件下，某溫度下輻射量與相同溫度的參考黑體的相應(yīng)輻射量的比值如下：

式中：εM（λ1，λ2）為被測材料在（λ1～λ2）時(shí)發(fā)射率值；LλM（T）為被測材料在波長為λ時(shí)的輻射亮度；Lλ（T）為參考黑體在波長為λ時(shí)的輻射亮度；T為溫度；εB（λ1，λ2）為參考黑體在（λ1～λ2）時(shí)的光譜發(fā)射率。

若被測材料和參考黑體的輻射采用相同的光學(xué)系統(tǒng)和探測系統(tǒng)接收，光學(xué)系統(tǒng)的在λ1～λ2下的透過率為T（λ1，λ2），探測系統(tǒng)的光譜響應(yīng)度為R（λ1，λ2），則探測系統(tǒng)對黑體和樣品探測時(shí)，探測器輸出信號為

式中：VB（λ1，λ2）為參考黑體輻射在探測器上產(chǎn)生的電壓值；VM（λ1，λ2）為材料輻射在探測器上產(chǎn)生的電壓值。

式中：VB（λ1，λ2）和VM（λ1，λ2）可 以測試得到；εB（λ1，λ2）通過定標(biāo)可以得到。根據(jù)公式（1）可以計(jì)算得到被測材料的發(fā)射率εM（λ1，λ2）。

為了提高信噪比，IRS400的光學(xué)系統(tǒng)采用全反射式設(shè)計(jì)，準(zhǔn)直物鏡 和會(huì)聚物鏡為2個(gè)大離軸量的拋物面反射鏡，反射鏡表面鍍金，保證系統(tǒng)較高的透過率。為了保證成像光斑符合探測要求，這2個(gè)反射鏡面形誤差波峰－波谷值均小于30nm。

探測器既要滿足波長測量范圍，也要有好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。探測器選用鉭酸鋰熱釋電探測器，探測器從紫外到亞毫米波光譜響應(yīng)幾乎不變，從而保證全紅外波段測量。斬波器選用占空比為1∶1，熱釋電探測器由于響應(yīng)頻率比較低，所以斬波頻率選為10Hz左右?？紤]到探測器的響應(yīng)及前放、選頻放大的穩(wěn)定，調(diào)制器的穩(wěn)定性對探測信號的穩(wěn)定非常重要，因而選用比較好的調(diào)制器是相當(dāng)重要的。A／D采樣轉(zhuǎn)化時(shí)間為200ms或小于100ms，所以儀器需要采用外觸發(fā)（邊沿觸發(fā)），使采樣點(diǎn)固定，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

由于自然界各種物體隨時(shí)隨地都在向外發(fā)出紅外輻射，為了保證被測樣品的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不受外界的紅外雜波的干擾，在系統(tǒng)中加入了冷屏蔽，以保證測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠。

將（2）式和（3）式代入（1）式得到材料的光譜發(fā)射率為

2 定標(biāo)和溫度補(bǔ)償技術(shù)

國防科工局光學(xué)計(jì)量一級站作為國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有國際先進(jìn)水平的國防最高標(biāo)準(zhǔn)“50℃～1 000℃黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置”，可用于參考黑體發(fā)射率εB（λ1，λ2）的標(biāo)定。

IRS400型材料發(fā)射率測量裝置溯源如圖2所示。將被測材料的樣品放入樣品爐里加熱到需要標(biāo)定的溫度，通過“50℃～1 000黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置”可對被測樣品的真實(shí)發(fā)射率值進(jìn)行標(biāo)定，“50℃～1 000℃黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置”可溯源到國際標(biāo)準(zhǔn)金屬凝固點(diǎn)黑體，從而實(shí)現(xiàn)材料發(fā)射率的溯源。

圖2 IRS400型材料發(fā)射率測量裝置溯源圖Fig.2 Traceability chart of IRS400 type material emissivity measuring device

環(huán)境溫度補(bǔ)償技術(shù)是保證被測材料發(fā)射率準(zhǔn)確的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。探測器探測的是目標(biāo)的溫差信號，采用“50℃～1 000℃黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置”標(biāo)定的溫度，當(dāng)樣品溫度穩(wěn)定時(shí)，隨著季節(jié)的變化，環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生變化，樣品隨著環(huán)境的溫差相應(yīng)地會(huì)發(fā)生變化，由于材料發(fā)射率與溫度有關(guān)，材料發(fā)射率隨環(huán)境溫度發(fā)生變化，造成材料發(fā)射率測量不準(zhǔn)確，因而本裝置采用了環(huán)境溫度補(bǔ)償技術(shù)，以溫差為溫度參數(shù)，從而保證了材料發(fā)射率測量的準(zhǔn)確性。

IRS400型材料發(fā)射率測試裝置的測量不確定度主要包括以下分量：標(biāo)定引入的測量不確定度u1＝0.5%；由于探測電路和探測器等不穩(wěn)定性引入的測量不確定度，通過示波器測量電信號得到，測量不確定度為u2＝0.5%；由發(fā)射率測量重復(fù)性引入的測量不確定度為u3＝0.2%。這3個(gè)分量之間相互獨(dú)立，且不相關(guān)，則合成測量不確定度為

取k＝2，則相對擴(kuò)展不確定度U為

因此，IRS400型材料發(fā)射率測試裝置測量不確定度小于2%（k＝2）。

3 測試軟件

IRS400型材料發(fā)射率測試裝置軟件采用VB語言編程，發(fā)射率測控軟件界面如圖3所示。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印、重新顯示等功能，可設(shè)置不同測試溫度和測試波長，包括手動(dòng)和自動(dòng)測試2個(gè)功能，測試結(jié)果顯示在醒目的位置。圖3中下方數(shù)據(jù)框內(nèi)顯示黑漆和鋁片的材料發(fā)射率測量結(jié)果。

圖3 IRS400型材料發(fā)射率測試裝置測試界面Fig.3 Test interface of IRS400 type material emissivity measuring device

4 總結(jié)和展望

IRS400型材料發(fā)射率測試裝置通過采用鎖相放大探測、環(huán)境溫度補(bǔ)償和溯源等技術(shù)，測量不確定度小于2%（k＝2），能夠?qū)趶叫∮讦?0 mm，厚度小于10mm樣品材料表面或者涂層的發(fā)射率進(jìn)行測試，測量最高溫度為400℃。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的最高工作溫度達(dá)到1 200℃左右，西北工業(yè)大學(xué)等單位也針對飛機(jī)噴管研制了隱身涂層，因而需要對這些隱身涂層的發(fā)射率進(jìn)行測量，以評估飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外隱身性能，但由于樣品和樣品爐之間需要通過熱傳遞進(jìn)行加熱，熱損耗較大，采用普通的方法將樣品加熱到高溫比較困難。因此，為滿足高溫材料發(fā)射率測試的需求，需要采取有效的措施，提高樣品的加熱效率，提高溫度測量范圍，研制測量溫度高于1 200℃的材料發(fā)射率測量裝置，以滿足飛機(jī)紅外隱身技術(shù)發(fā)展的需求。

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