吊艙整流罩自身紅外輻射對目標測試的影響

王浩+王海風

摘 要 結(jié)合某吊艙加裝紅外熱像儀的使用，基于紅外熱像儀測試目標輻射亮度、輻射強度的功能，提出了在目標紅外輻射特性測試中扣除整流罩影響的方法，并在實驗室利用黑體、整流罩、長波紅外熱像儀，測試了整流罩的波段透過率，給出了某吊艙扣除整流罩影響的修正公式，并在型號測試中應用，取得了良好的效果。

關鍵詞 整流罩；透過率；目標紅外輻射特性

中圖分類號：V520.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0074-02

利用機載紅外測量吊艙對空中目標進行測試時，通常在紅外測試設備前端增加整流罩，一方面用于保護吊艙中的紅外設備在飛行時不被破壞；另一方面測量吊艙加裝整流罩后，拓寬了吊艙在空中的飛行包線，利于對空中目標不同狀態(tài)的特性進行測試。某機載紅外測量吊艙內(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透過整流罩的能量，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，還原目標的輻射能量。本文提出了一種便于工程中采用的方法，通過測試整流罩的波段透過率和整流罩的溫度，來修正整流罩對目標輻射能量的影響。

1 整流罩輻射對目標紅外測試的影響

對于某型紅外測量吊艙，其結(jié)構如圖1所示，根據(jù)能量傳遞關系，到達熱像儀的紅外輻射能量由三部分組成，分別為：透過整流罩的目標和背景等輻射能量；整流罩自身輻射的能量，整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量。因此通過紅外測量吊艙進行目標紅外輻射特性測試時，目標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，將影響到對目標紅外輻射特性的測試，如圖2所示，熱像儀直接測試黑體和熱像儀鏡頭前用整流罩遮擋再測試黑體，從圖2的黑線可以看出，直接測試黑體，熱像儀得出的輻射溫度和黑體設置一致；從圖2的紅外線可以看出熱像儀鏡頭前用整流罩遮擋，熱像儀測試得出的輻射溫度和黑體的設置溫度存在差異，整流罩自身熱輻射疊加到目標的熱輻射中，如果用該輻射溫度當作目標的輻射溫度，將會對結(jié)果帶來誤差，影響對目標的測試，需將整流罩輻射和反射的影響消除，還原目標的輻射能量。對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整流罩的反射到達熱像儀，整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量在工程測試中可忽略[1]。基于此，根據(jù)紅外物理學的相關原理，輻射到熱像儀的能量可表達為式（1）。

（1）

其中，Lm——熱像儀直接測得的輻射亮度；

Lt——目標及背景的輻射亮度；

Lf——整流罩自身的輻射亮度；

τ——整流罩透過率；

ε——整流罩發(fā)射率。

對式（1）進行轉(zhuǎn)化，得到式（2）

（2）

通過測量Lm、Lf、τ、ε四個參數(shù)就可將整流罩的影響消除，對于消除整流罩影響的四個參數(shù)具體的測試方法見下文敘述。

圖1 紅外測量吊艙基本結(jié)構示意圖

（虛線代表無整流罩的測溫結(jié)果，實線表示帶整流罩的測溫結(jié)果）

圖2 整流罩對輻射測溫的影響

圖3 熱像儀與整流罩安裝布局示意圖

2 測試方法

2.1 整流罩透過率的測試方法

根據(jù)紅外物理學的基本原理，當外來輻射入射到物體表面時，將出現(xiàn)反射（ρ）、吸收（α）和透射（τ）三種過程，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)合紅外測量吊艙的實際使用，可忽略整流罩對吊艙的反射，則整流罩的發(fā)射率和透過率近似滿足式（3）的關系。

（3）

因此，通過測試整流罩的透過率，就可以計算整流罩的發(fā)射率，從而修正整流罩在紅外測試中的影響。課題組設計了如圖4所示的光路，利用長波紅外熱像儀測試整流罩的波段透過率，具體試驗步驟分為兩步：第一步測試黑體的輻射能量，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，測試透過整流罩的黑體輻射能量。

a）

b）

圖4 測試光路

2.2 整流罩表面溫度測試方法

整流罩的紅外輻射是通過測量整流罩的表面溫度，利用普朗克公式計算得到整流罩的紅外輻射能量。本項目中，整流罩表面布置了三個測溫傳感器，三個測溫傳感器的分布如圖5所示，將三個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 試驗數(shù)據(jù)及處理

在本次試驗中，實驗室的溫度通過空調(diào)進行適當恒溫，進行了環(huán)境溫度約在16℃、19℃和23℃三個溫度，依據(jù)圖3的測試光路，測試了黑體溫度從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由長波紅外熱像儀測試的輻射溫度經(jīng)普朗克公式轉(zhuǎn)化后給出，Lf由測得的整流罩表面溫度，通過普朗克公式積分后給出，則由式（4）可以計算出整流罩的波段透過率，具體的計算結(jié)果見圖6所示，對計算獲得的透過率取平均值為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測試過程的影響消除，還原目標自身的輻射能量，同時從圖6可以看出，環(huán)境溫度的變化對整流罩透過率的影響較小，相關資料也有表述在8?m～9.5?m波段內(nèi)，CVDZnS的透過率在600℃保持恒定[3]。利用式（5）對測試黑體的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如圖7所示，圖7中符號為“·”的數(shù)據(jù)為公式（5）的計算值，符號為“▂”的數(shù)據(jù)為實際測量數(shù)據(jù)，從圖7可以看出，計算數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)吻合，從而說明在工程測試中可以應用公式（5）將整流罩的影響從目標的紅外特性測試中扣除，提高測試的精度。

圖6 透過率隨環(huán)境溫度的變化特性

圖7 擬合數(shù)據(jù)和實際測試數(shù)據(jù)的對比

4 結(jié)論及應用

本文提出了一種在空中目標紅外特性測試中，扣除整流罩對測試帶來影響的方法，針對加裝的不同波段透過率的整流罩，均可用此方法進行整流罩波段透過率的測試，從而扣除整流罩在目標紅外輻射特性測試的影響，還原目標自身的輻射能量。配合某測量吊艙加裝的長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，已在某型號的工程測試中應用，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的紅外測試，同時也進一步驗證了整流罩修正公式的實用性。

參考文獻

[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].國防工業(yè)出版社（1975）.

[3]余懷之.紅外光學材料[M].國防工業(yè)出版社.

作者簡介

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

研究。

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