張玉國孫紅勝王加朋杜繼東郭亞玭張 徐

（北京振興計量測試研究所，北京 100074）

1 引 言

紅外成像探測在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應用于對地遙感、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)觀測、氣候研究等領(lǐng)域。 隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，其應用環(huán)境越來越復雜，逐步擴展至野外、高空、臨近空間、外層空間等，其工作適應溫度范圍越來越寬，低溫可達到－50 ℃以下，高溫可達到70 ℃以上，紅外成像探測系統(tǒng)需要在寬溫度范圍內(nèi)滿足定量化探測技術(shù)要求，確保完成相應功能。

為了保證紅外探測系統(tǒng)滿足要求，必須對在整個溫度范圍內(nèi)對其進行性能測試、輻射定標、量值溯源等操作，而大口徑高精度變溫標準黑體輻射源就是必不可少的標準器，實現(xiàn)標準紅外輻射的產(chǎn)生。 為了確保性能測試、輻射定標、量值溯源等準確性，需要使變溫標準黑體輻射源與被測的紅外探測系統(tǒng)處于同一環(huán)境，并且覆蓋整個溫度范圍。 因此，要求固定點紅外輻射源必須能夠在－50 ℃～70 ℃的寬溫度范圍內(nèi)可靠工作，滿足紅外探測系統(tǒng)的使用要求。

此外，由于當前紅外探測系統(tǒng)分辨率越來越高，為了在形成特定大小的目標，就要求變溫標準黑體輻射源具有更大的口徑，更好的均勻性，對變溫標準黑體輻射源的性能提出了很高的要求。

為了解決上述問題，研制的寬溫度范圍條件下大口徑變溫標準黑體輻射源，采用循環(huán)介質(zhì)與細分分布控溫方法保證整體性能。 經(jīng)初步試驗驗證，取得了較好的應用效果。

2 總體設(shè)計及原理

寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標準黑體輻射源總體結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1所示，主要包括光闌組件、輻射腔、輻射腔內(nèi)壁涂層、加熱組件、溫度控制組件、氣路接口、電氣接口、支撐結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)等。 輻射腔為核心部件，其有效發(fā)射率由空腔腔型、內(nèi)壁涂層的輻射性能確定，采用蒙特卡洛方法針對輻射腔各種腔型比較計算，確保發(fā)射率在0.999 以上；使用純銅制成薄壁空腔，可減小空腔內(nèi)壁上的溫度梯度，提升均勻性。 采用細分加熱的方式，實現(xiàn)溫度的高均勻性控制。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理圖Fig.1 Principal diagram of system composition and working

黑體輻射腔放置于一個密封結(jié)構(gòu)內(nèi)，密封結(jié)構(gòu)只有黑體輻射出射口與外界連通。 為防止低溫工作條件下，黑體輻射腔內(nèi)壁面結(jié)露結(jié)霜，影響表面發(fā)射率和溫度值，采用雙路配氣保護系統(tǒng)。 其中一路直接通過氣路接口，干燥氣體直接進入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成正壓環(huán)境，阻隔外部空氣進入密封腔內(nèi)部，另外一路，設(shè)置在黑體輻射出射口外的一個密封夾層內(nèi)，使空氣進入密封夾層，在密封夾層內(nèi)形成正壓，其氣壓小于密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣壓，使干燥氣體通過黑體輻射出射口排出。 通過雙路配氣保護系統(tǒng)，可較徹底的隔絕外部空氣，避免結(jié)露結(jié)霜。

密封結(jié)構(gòu)上，設(shè)置了電氣接口，實現(xiàn)內(nèi)部黑體輻射源與外部的電氣連接，實現(xiàn)加熱、溫度監(jiān)測等的功能。 電氣接口可采用真空密封接插件，該接插件采用玻璃燒結(jié)密封，在保證密封性的同時，保證信號連接可靠，以保證電氣連接效率。 在密封結(jié)構(gòu)底部，設(shè)置橡膠減震支腳，增加環(huán)境適應性。

3 分系統(tǒng)組成

3.1 黑體輻射腔腔型設(shè)計及材料選擇

輻射腔是寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標準黑體輻射源的核心部件，其幾何參數(shù)的選擇、內(nèi)壁表面發(fā)射率及表面溫度均勻性等因素直接影響黑體的整體性能。 目前，輻射腔腔型形式較為多樣，如圖2所示。

在設(shè)計過程中，黑體輻射腔由空腔腔型、內(nèi)壁涂層的輻射性能決定，黑體輻射腔有效發(fā)射率計算采用蒙特卡洛方法，對圖2黑體輻射源空腔腔型進行計算并比較計算，在內(nèi)壁面涂層輻射特性相同的前提下，計算腔型的有效發(fā)射率，以此為依據(jù)，結(jié)合加工制備可行性，確定黑體輻射源腔型。

圖2 輻射腔腔型形式圖Fig.2 Form diagram of radiation cavity

進行有效發(fā)射率仿真計算時，結(jié)果為5 位有效數(shù)字。 對于0.99 至0.999 9 范圍內(nèi)的黑體輻射腔有效發(fā)射率計算，光束確定為100 萬條，能量流閾值設(shè)為10。 發(fā)射率計算結(jié)果的不確定度與光束數(shù)量平方根的倒數(shù)成正比，100 萬條光線對應的發(fā)射率計算結(jié)果不確定度在10以下，可滿足要求。

經(jīng)初步計算，輻射腔的長徑比為6.67，錐底角120°，腔體內(nèi)表面發(fā)射率為0.9，圓錐－圓柱輻射腔發(fā)射率為0.999 5，同時該腔型加工制備可行性好，因此，選擇圓錐－圓柱輻射腔。 此外，輻射腔內(nèi)表面加工成圓形圖案，通過增加反射次數(shù)，進一步提升輻射腔輻射性能。

考慮到黑體輻射源耐用性和導熱性的要求，采用純銅作為腔體材料，可有效提升均勻性、溫度準確性等性能。 黑體空腔使用純銅制成薄壁空腔，可減小空腔內(nèi)壁上的溫度梯度，空腔壁厚2 mm，內(nèi)壁噴涂超黑材料高發(fā)射率黑漆，發(fā)射率本身在0.98以上。 為保證空腔口部與腔底等溫，空腔全部浸入恒溫套中，輻射腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。 空腔開口為60 mm，內(nèi)部長度為400 mm。

圖3 輻射腔結(jié)構(gòu)三維圖Fig.3 3D diagram of radiation cavity

3.2 黑體輻射腔均溫加熱設(shè)計

為確保黑體輻射腔溫度均勻性，除了采用高導熱率的純銅制作腔體外，還需要采用細分加熱的方式，實現(xiàn)溫度的高均勻性控制。 其原理圖如圖4所示。

圖4 細分加熱原理圖Fig.4 Principal diagram of subdivision heating

圖4中，為確保均勻性，采用細分加熱的方式。整個黑體輻射腔共分為8 個加熱區(qū)域，沿軸向設(shè)置6 個加熱區(qū)域，腔底設(shè)置兩個加熱區(qū)域，對應設(shè)置8個溫度傳感器，通過對應溫度傳感器控制對應區(qū)域，使所有區(qū)域加熱均勻，溫度一致，確保均溫效果。

其中，黑體輻射腔放置在液冷恒溫套內(nèi)，恒溫套采用外部恒溫制冷液槽連接，實現(xiàn)制冷功能，通過加熱絲加熱，可實現(xiàn)整個溫度范圍的覆蓋。

3.3 黑體輻射源溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

溫度傳感器選用標準鉑電阻溫度傳感器，為保證輻射量值準確性，必須準確測量黑體輻射腔的溫度，并且要保證各個測溫點的溫度測量一致性。 這就需要傳感器經(jīng)過出廠、計量兩次篩選，確保傳感器準確性、一致性滿足要求。 為提高面源黑體測溫精度，本項目使用的鉑電阻傳感器引線為4 線制，長度大于8 m使得試驗時線纜可以在高低溫箱內(nèi)外實現(xiàn)可靠電氣連接，選用AF250－0.12 多股電纜，直接焊接在電氣插座上，減少接觸電阻，提升測量準確性。 傳感器尺寸如圖5所示。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of sensor

為保證測溫一致性和溫度采集精度，采取以下溫度傳感器一致性修正措施。 首先將選用的一批傳感器進行檢定，選用溫度偏差較小且溫度一致性較好的傳感器作為備選傳感器，此時使用的電測儀器為檢定機構(gòu)提供。 再將計量過的精度較高的控溫儀，作為電測儀器與備選傳感器相連接后整體進行第二次檢定，以便對傳感器和控溫儀整體產(chǎn)生的測量溫差進行一次性修正。 在整個溫度范圍內(nèi)進行多點修正，每2 個溫度點之間采用線性插值法修正其溫度值。 將溫度傳感器和控溫儀表作為一個整體進行計量，并對測量結(jié)果進行修正，最終修正后值的測量不確定度包括：測量重復性引入的不確定度分量、計量標準引入的不確定度分量；主要包括恒溫槽插孔溫差、電測儀表誤差、標準傳感器自熱等因素引入的不確定度分量。

為了減少傳感器與被測部位之間的熱阻，保證測量準確性與動態(tài)響應特性，在裝配過程中，選擇合理材料及封裝形式。 采用金屬焊接密封的方法，實現(xiàn)傳感器與被測部位的熱連接，焊接金屬材料應選擇與被測部位熱膨脹接近的材料，經(jīng)過試驗，選擇金屬銦作為封裝金屬材料。 安裝圖如圖6所示。

圖6 傳感器安裝圖Fig.6 Diagram of sensor installation

3.4 黑體輻射源溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

黑體輻射源由于采用了分區(qū)加熱，同時結(jié)合了液體攪拌恒溫槽均溫方式，因此，采用多路協(xié)同控溫技術(shù)，該技術(shù)需要許多單控制回路協(xié)同工作，其前提是單控制回路具有高控溫精度，為了保證控溫精度，需要采用采用基于PID 參數(shù)自整定算法的控溫技術(shù)，確?？販鼐葷M足系統(tǒng)要求。

由于常規(guī)PID 控制設(shè)計過于依賴被控對象的數(shù)學模型，本系統(tǒng)黑體輻射源種類多，均溫方式、加熱方式模型復雜，難以建立精確地數(shù)字模型，隨著外部環(huán)境變化數(shù)學模型也在變化，一旦數(shù)學模型變化，又要重新確定新的數(shù)學模型以及比例、積分、微分系數(shù)，工作量大，傳統(tǒng)的PID 控制器應用在這種非線性、時變的復雜系統(tǒng)不能有滿意的控制效果。 因此可以采用模糊控制解決傳統(tǒng)PID 控制帶來的影響。 PID 表達式為：

式中：（）——控制器的輸出；——采樣序號；——采樣周期；（），（－1）——控制器的輸入；K，K，K——比例、積分、微分放大系數(shù)；T——積分時間常數(shù)；T——微分時間常數(shù)。

PID 算法根據(jù)遞推原理可得：

用式（2）減去式（1）可得：

進一步改寫為：

式中：A，B，C——常數(shù)。

且：

由式（6）可以看出，采用增量式控制算法時采樣周期恒定，只要確定了K，K，K，使用3 個采樣值的偏差即可得控制增量。 增量式數(shù)字PID 控制算法的優(yōu)點在于它的輸出控制量與前一刻的狀態(tài)有關(guān)，可以有效防止因突然死機導致控制器的崩潰。

模糊控制的基本思想就是采用模糊數(shù)學語言描述的控制規(guī)律，模仿人們的基本操作經(jīng)驗做出模糊決策的控制方式，魯棒性強，適于解決常規(guī)PID控制難以解決的控制問題。

模糊控制所依據(jù)的控制規(guī)律不是確切定量的公式，屬度函數(shù)的選擇、模糊關(guān)系的運算法則、解模糊化的轉(zhuǎn)換方法，都帶有任意性，很難從理論上精確的評價模糊控制器的性能，需要根據(jù)實際效果來判斷性能優(yōu)劣。

模糊控制系統(tǒng)的組成可以分為4 個部分：模糊控制器、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、傳感器、外部接口。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of fuzzy control system

模糊PID 的自整定控制算法就是將PID 算法與模糊控制算法相結(jié)合，確定PID 三個控制參數(shù)K，K，K和被控量之間的模糊關(guān)系，在運行過程中通過不斷檢測輸入量，利用模糊控制方法對PID 控制參數(shù)實現(xiàn)實時修正，以滿足不同輸入量對控制性能的不同要求，從而使控制性能滿足要求，具有滿意的動態(tài)、靜態(tài)性能。 其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 模糊PID 自整定控制算法結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Block diagram of fuzzy PID control algorithm with adaptive parameters

這種控制器控制精度、穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)魯棒性、控制曲線平滑性均優(yōu)于前兩種傳統(tǒng)算法，在強非線性的擾動作用下通過參數(shù)優(yōu)化依然可以出現(xiàn)理想的控制曲線，采用此種控制算法，復雜控制系統(tǒng)易于達到高精度控制的效果。

4 高低溫環(huán)境下試驗驗證

采用大口徑高精度變溫標準黑體輻射源在高低溫試驗箱內(nèi)，對某高精度定量化紅外成像探測系統(tǒng)進行輻射參數(shù)校準，校準波段為中波波段，校準數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 校準數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration data table

分別在環(huán)境溫度為－50 ℃，70 ℃條件下，對定量化紅外成像探測系統(tǒng)進行輻射參數(shù)校準，獲得對應溫度下的響應度，初步滿足了定量化紅外成像探測系統(tǒng)特殊環(huán)境下參數(shù)校準需求。

經(jīng)對比測試，在高低溫環(huán)境下進行了驗證試驗，該固定點紅外輻射源工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可達到以下指標：有效發(fā)射率≥0.999，空腔開口直徑≥60 mm，溫度測量不確定度10 mK（＝2），溫度分辨率0.1 mK，溫度穩(wěn)定性≤2 mK／h。 經(jīng)驗證，可滿足寬溫度范圍條件紅外探測系統(tǒng)的計量測試要求。

5 結(jié)束語

介紹了一種寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標準黑體輻射源研制方法，可在高低溫環(huán)境下實現(xiàn)定量化紅外成像探測系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)校準，并取得了較好的應用效果。 后續(xù)，可將該標準設(shè)備系列化，應用于其它領(lǐng)域，包括對地遙感、復雜條件目標特性測量、環(huán)境監(jiān)測、氣候研究等，對特殊環(huán)境定量化紅外探測技術(shù)具有積極的意義。