丁文皓 張 霞 方 奇

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，山東濟南 250031)

1 引 言

所有溫度高于絕對零度的物體都向外部環(huán)境輻射紅外能量，紅外輻射按照波長由短到長又可以劃分為：近紅外輻射0.76nm～3μm、中紅外輻射(3～40)μm和遠紅外輻射(40～1 000)μm，物體在這些對應(yīng)波段的輻射特性就是紅外輻射特性。

目前，用于描述紅外輻射特性的參數(shù)有紅外發(fā)射率(或紅外輻射率、法向輻射率等)、輻射溫度等，這些參數(shù)的測量和分析在軍民領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如太陽能工程、紅外無損探測、紅外遙感技術(shù)、醫(yī)學(xué)理療和國防軍事工業(yè)等，在國防軍事領(lǐng)域各種裝備的紅外制導(dǎo)、紅外跟蹤和紅外隱身等功能，已經(jīng)成為武器裝備在戰(zhàn)場生存和打擊的重要技能，對戰(zhàn)場形勢有主導(dǎo)作用。

軍用武器裝備根據(jù)自身材料結(jié)構(gòu)功能和所處戰(zhàn)場環(huán)境紅外輻射特性的不同，面臨來自不同方位的紅外探測打擊威脅。武器裝備紅外輻射特性一般容易暴露的是動力裝置(發(fā)動機)、熱流排出部位(尾噴口、排氣管)和氣動外殼(飛行器蒙皮)等幾個部分。如地面目標(biāo)中裝甲車輛發(fā)動機和排氣管，無人機蒙皮、尾噴口和尾噴流，直升機發(fā)動機機艙蒙皮和排氣艙口，巡航導(dǎo)彈發(fā)動機排氣系統(tǒng)壁面和蒙皮，單兵裝備的服裝等，這些相關(guān)武器裝備相關(guān)材料和器件的研發(fā)，都要配備精確的紅外輻射特性測試作為引導(dǎo)和支撐。

紅外輻射特征測試的重要意義決定了對測試精度的高要求，針對目前紅外發(fā)射率和輻射溫度的測量，必須有科學(xué)精確的校準方法和校準儀器，國內(nèi)外科研機構(gòu)和高校、企業(yè)都在進行深入的研究，本文就從幾個研究角度簡要介紹國內(nèi)外的相關(guān)研究進展。

2 標(biāo)準黑體輻射源研究

在紅外輻射校準過程中，黑體輻射源是關(guān)鍵的校準裝置之一，黑體輻射源的光譜輻射亮度可以用來復(fù)現(xiàn)溫度，作為標(biāo)定紅外測溫儀的標(biāo)準器件，還可以進一步作為輻射測溫關(guān)鍵對比儀器，成為溫標(biāo)保存裝置。

美國國家標(biāo)準與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)提供了輻射溫度和紅外光譜輻射率的國家級標(biāo)準，其先進紅外輻射測量和成像(Advanced Infrared Radiometry and Imaging，AIRI)實驗室可以在模擬低于1100℃的環(huán)境下測試黑體源和目標(biāo)物的絕對光譜輻射率和發(fā)射率，具有國家級可溯源性，如圖1所示。

圖1 可變溫度/光譜裝置實物圖Fig.1 Temperature/spectral variable device

美國NIST在250℃以下的紅外波段的典型參考黑體見表1。

表1 紅外光譜發(fā)射率和輻射溫度的參考黑體Tab.1 Reference blackbody of infrared spectral emissivity and radiation temperature參考樣類型材料名稱溫度范圍/℃腔發(fā)射率來源腔口尺寸/mm定溫參考黑體汞 Mercury-38.834—50水 Water0.01—50鎵 Gallium29.765測試/計算43銦 Indium145.599測試/計算12錫 Tin231.928測試/計算12變溫參考黑體氨熱管Ammonia Heat Pipe-50～50計算75水浴Water Bath10～75測試/計算104水加熱管Water Heat Pipe55～250測試/計算63低溫乙醇水浴Low Temperature Ethanol Bath-50～25——大孔徑液體浴黑體Large Aperture Fluid Bath -60～25——

中科院安徽光學(xué)精密機械研究所研制了高精度的水浴黑體，該黑體置于溫控精度在0.01℃的加熱恒溫浴槽內(nèi)，腔體采用圓柱+圓錐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)壁噴涂法向發(fā)射率大于等于0.93的紅外高吸收涂層，腔體采用2Al2T4鋁合金，并在尖端采用倒錐設(shè)計避免涂層不均勻，如圖2所示。

圖2 黑體腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of blackbody cavity

該水浴黑體經(jīng)國家計量院檢定其有效發(fā)射率大于0.997，與理論計算值0.9969基本符合，滿足熱紅外輻亮度計的定標(biāo)需求，如圖3所示采用其為雙通道熱紅外標(biāo)準輻亮度計進行定標(biāo)，獲得了5μm通道優(yōu)于0.39%和10μm通道優(yōu)于1.3%的定標(biāo)不確定度。

新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院利用半導(dǎo)體制冷和熱管技術(shù)，研制了-30℃～50℃的新型熱管低溫黑體輻射源，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.02℃/20min，熱管空腔有效發(fā)射率計算值大于0.9992，發(fā)射率平均變化率僅為0.06‰。

浙江省方正校準有限公司設(shè)計研制了一款便攜式黑體計量爐，采用半導(dǎo)體加熱制冷，可控溫在-20℃～150℃，腔體發(fā)射率優(yōu)于0.99，并采用氮氣吹掃技術(shù)在腔底形成氣簾防止結(jié)霜，有利于低溫應(yīng)用。

圖3 輻亮度計觀測水浴黑體系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of radiometer viewing a water-bath blackbody

中國科學(xué)院紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室就在對無人機紅外輻射特性測量和溫度反演研究中，采用以色列CI系統(tǒng)公司的面源黑體對雙波段紅外探測系統(tǒng)在5℃～125℃進行了輻射定標(biāo)，用需要定標(biāo)的探測系統(tǒng)去測試已知輻射輸出值的紅外輻射源(面源黑體)，根據(jù)不同輻射量和對應(yīng)的輸出信號建立定量關(guān)系，從而獲得探測系統(tǒng)的響應(yīng)度。

該研究還利用參考黑體來測量目標(biāo)和測試系統(tǒng)之間的大氣透過率，將標(biāo)準黑體放置在目標(biāo)旁邊，用目標(biāo)到黑體之間的大氣狀況來模擬無人機到探測器的大氣狀況，計算出大氣透過率和大氣路徑輻射，該方法有效避免了未知物體發(fā)射率或天氣狀況帶來的精度下降，減低測量誤差，提高反演準確性見表2。

表2 黑體校正技術(shù)對雙波段溫度反演結(jié)果準確性的提高作用Tab.2 The enhancement effect of the blackbody calibration on dual waveband temperature retrieval result探測點實際溫度/K基于傳統(tǒng)的雙波段溫度反演結(jié)果基于黑體校正的雙波段溫度反演結(jié)果計算溫度/K絕對偏差/K相對偏差/%計算溫度/K絕對偏差/K相對偏差/%ABCDE305.5301.54.01.3304.11.40.46300.94.61.5303.42.10.69301.24.31.4303.71.80.59301.63.91.3304.31.20.39301.83.81.2304.61.10.36

3 校準方法研究

NIST的紅外光譜發(fā)射率測試系統(tǒng)(Infrared Spectral Emittance Measurement System，ISEMS)如圖4所示，該系統(tǒng)包含基于FT(Fourier Transform)光譜輻射度匹配器(含近紅外波段)；λ角度范圍從1μm到大于50μm，溫度范圍從100℃～900℃；如圖5所示設(shè)計的平板黑體系統(tǒng)為表征材料性能而設(shè)計，更易于進行黑體校準；用可控溫的背景作為實時樣品板來替代傳統(tǒng)的樣品架，從而實現(xiàn)中低溫調(diào)控。

圖4 紅外光譜發(fā)射率測試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Infrared spectral emittance measurement system

圖5 帶有樣品硬件刪除功能的平板黑體源實物圖Fig.5 Flat plate blackbody source with sample hardware removed

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于積分球反射計的紅外發(fā)射率測量系統(tǒng)，提出了一種適用于反射法光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的校正方法，通過參考反射標(biāo)準樣光譜反射率的數(shù)據(jù)擬合得到反射率曲線方程，從而計算出反射測量系統(tǒng)的校正系數(shù)，對參考標(biāo)準樣的輸出電壓進行校正推導(dǎo)出光譜反射率為1的參考標(biāo)準樣輸出電壓曲線，從而消除非理想?yún)⒖紭?biāo)準造成的系統(tǒng)誤差。如圖6和圖7所示可以看出，校正后的發(fā)射率曲線和FTIR測量結(jié)果具有更好的一致性。

圖6 參考樣的測量和修正后輸出電壓曲線圖Fig.6 Comparison of the measured voltages of reference standard samples and its corrected voltages

圖7 校準前后發(fā)射率和FTIR結(jié)果對比曲線圖Fig.7 Comparison of result by spectral emissivity measurement system before and after correction with those by FTIR

哈工大研究團隊為準確測試隔熱材料的發(fā)射率，采用雙溫法對FLIR光譜儀進行標(biāo)定，選用黑體源在700℃和900℃兩個溫度下測得的光譜信息，對DLaTGS檢測器進行標(biāo)定。雙溫法校正中檢測器響應(yīng)函數(shù)

R

(

λ

)與波長相關(guān)與溫度無關(guān)，為驗證標(biāo)定標(biāo)定響應(yīng)函數(shù)的準確性，選取四個溫度段內(nèi)的溫差進行標(biāo)定計算，如圖8所示，可以看出4個不同溫差對該檢測器的響應(yīng)函數(shù)

R

(

λ

)影響很小，穩(wěn)定性很好。

圖8 不同溫差對檢測器響應(yīng)函數(shù)R(λ)的影響曲線圖Fig.8 Influence curve of temperture difference on the response function R(λ) of detector

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所使用FLIR制冷型中波紅外探測器(測量范圍(3.7～4.8)μm)和SR-800高精度面源黑體(CI公司，工作范圍0℃～15℃)對輻射定標(biāo)理論模型分析和輻射定標(biāo)環(huán)境進行設(shè)計實驗研究后，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度變化時由雜散輻射引起的灰度輸出變化和整個系統(tǒng)像元灰度變化幾乎相等。由此設(shè)計利用涂覆高發(fā)射率涂層的鏡頭蓋進行定標(biāo)測試和研究，修正溫度變化對測試的影響，修正后黑體的測量誤差從0.8℃下降到0.095℃，能有效提高外場紅外測量系統(tǒng)的測量精度。

4 輻射計定標(biāo)技術(shù)研究

紅外輻射定標(biāo)就是研究進入輻射計的輻射通量和輻射計的輸出量(電壓或數(shù)字信息)之間的定量關(guān)系。目前研究較多的是用紅外輻射計對標(biāo)準黑體的輻亮度直接定標(biāo)，也就是用紅外輻射計將紅外標(biāo)準從國家級輻射計、凝固點黑體、傳輸標(biāo)準點溫儀(變溫黑體，或標(biāo)準探測器)依次傳遞到用戶黑體。

德國PTB發(fā)展了基于光譜輻射率/輻射溫度、光譜輻射強度和光電子通量的兩套測試系統(tǒng)，分別為光譜輻射校準儀和還原背景校準儀，可以涵蓋200nm～45μm的定標(biāo)范圍。

美國NIST的熱紅外傳遞輻射計TXR，主要用于校準接近室溫狀態(tài)(77～300)K下的黑體輻射源，真空或大氣條件都可操作，雙通道分別為5μm(InSb探測器)和10μm(HgCdTe探測器，MCT)，系統(tǒng)在10μm的輻射率測量噪聲為50mK，不確定度為0.02%，該類TXR光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造如圖9所示。

圖9 TXR光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.9 The figure of the TXR Optical Layout

中科院安徽光電所基于受激參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生光子的相關(guān)特性，構(gòu)建紅外標(biāo)準傳遞輻射測量系統(tǒng)，通過測量標(biāo)準黑體輸出值用最小二乘法擬合獲得定標(biāo)系數(shù)，用該系數(shù)構(gòu)建輻射亮溫和相對黑體相應(yīng)數(shù)據(jù)表，將測得的黑體輻射數(shù)據(jù)和表中的數(shù)據(jù)做匹配，反演得到待測黑體的輻射亮溫。實驗顯示，該紅外標(biāo)準傳遞輻射計測量水浴黑體輻亮度的聯(lián)合不確定度為1.64%，可作為標(biāo)準黑體到用戶傳感器的傳遞標(biāo)準。

中科院長春光學(xué)物理所研制了由黑體照明光管和參考輻射計兩部分組成的雙波段紅外輻射計，如圖10所示。分別對野外作業(yè)的雙波段大口徑紅外經(jīng)緯儀進行定標(biāo)，經(jīng)研究分析，在短波1.315μm用InGaAs探測器得到的校準不確定度為4.12%，用PbSe探測的在中波(3.6～4.2)μm得到的校準不確定度為2.35%，可以保證紅外經(jīng)緯儀的準確測量。

圖10 瓊斯法輻射定標(biāo)裝置示意圖Fig.10 Structure diagram of Jones radiation calibration device

5 結(jié)束語

目前，根據(jù)部分遙感探測、無接觸測溫和軍用隱身制導(dǎo)的需要，紅外輻射校準技術(shù)在低溫和中高溫段仍然存在不足，校準方法的可操作性，標(biāo)準黑體的準確與簡易，輻射計的多環(huán)境使用性和不確定度提高，這些都是下一步繼續(xù)研究的重點。