IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置的研制

王學(xué)新，岳文龍，楊鴻儒，謝 毅

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國(guó)防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)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(hào)，紅外隱身是降低自身的紅外輻射信號(hào)，從而達(dá)到隱身的目的，紅外隱射與探測(cè)能力有關(guān)，探測(cè)能力越強(qiáng)，隱身所需要的距離越長(zhǎng)。目前，隱身應(yīng)用最廣泛的是飛機(jī)，美國(guó)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(cè)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(duì)方光電武器系統(tǒng)識(shí)別的概率，或先于發(fā)現(xiàn)對(duì)方，目前世界上許多國(guó)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(cè)量和校準(zhǔn)技術(shù)研究，從而評(píng)估其紅外隱身性能。

國(guó)防科工局光學(xué)計(jì)量一級(jí)站成功地研制了IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置，主要用于各種材料表面的法向發(fā)射率測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)±70°范圍內(nèi)方向發(fā)射率測(cè)量，該測(cè)試裝置測(cè)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(cè)量范圍為0.2～0.99，測(cè)量不確定度為2%（k＝2）。

1 測(cè)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(píng)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(píng)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(duì)于光學(xué)探測(cè)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(duì)紅輻射衰減較少，有利于對(duì)紅外目標(biāo)的探測(cè)，因而材料發(fā)射率測(cè)試儀器一般也主要針對(duì)這3個(gè)波段的發(fā)射率值進(jìn)行測(cè)試和評(píng)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(cè)試，是相對(duì)于某個(gè)溫度而言。

IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置主要用于測(cè)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(cè)試。其測(cè)試原理如圖1所示。裝置主要由被測(cè)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(cè)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(cè)試裝置原理圖Fig.1 Schematic of IRS400 type material emissivity measurement device

測(cè)試時(shí)，首先將被測(cè)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(cè)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(cè)器上，探測(cè)器前面裝有斬波器，斬波器主要用于調(diào)制光信號(hào)，消除外界雜散輻射的影響，光信號(hào)到達(dá)探測(cè)器后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)通過前放和選頻放大電路后進(jìn)入信號(hào)采集卡，信號(hào)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(cè)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(cè)材料在（λ1～λ2）時(shí)發(fā)射率值；LλM（T）為被測(cè)材料在波長(zhǎng)為λ時(shí)的輻射亮度；Lλ（T）為參考黑體在波長(zhǎng)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(cè)材料和參考黑體的輻射采用相同的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)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(cè)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)度為R（λ1，λ2），則探測(cè)系統(tǒng)對(duì)黑體和樣品探測(cè)時(shí)，探測(cè)器輸出信號(hào)為

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

式中：VB（λ1，λ2）和VM（λ1，λ2）可 以測(cè)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(cè)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(cè)要求，這2個(gè)反射鏡面形誤差波峰－波谷值均小于30nm。

探測(cè)器既要滿足波長(zhǎng)測(cè)量范圍，也要有好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。探測(cè)器選用鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器，探測(cè)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(cè)量。斬波器選用占空比為1∶1，熱釋電探測(cè)器由于響應(yīng)頻率比較低，所以斬波頻率選為10Hz左右。考慮到探測(cè)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(duì)探測(cè)信號(hào)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(cè)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(cè)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(guó)防科工局光學(xué)計(jì)量一級(jí)站作為國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)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(cè)量裝置溯源如圖2所示。將被測(cè)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(duì)被測(cè)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(guó)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(cè)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(cè)材料發(fā)射率準(zhǔn)確的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。探測(cè)器探測(cè)的是目標(biāo)的溫差信號(hào)，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(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置的測(cè)量不確定度主要包括以下分量：標(biāo)定引入的測(cè)量不確定度u1＝0.5%；由于探測(cè)電路和探測(cè)器等不穩(wěn)定性引入的測(cè)量不確定度，通過示波器測(cè)量電信號(hào)得到，測(cè)量不確定度為u2＝0.5%；由發(fā)射率測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)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(cè)量不確定度為

取k＝2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度U為

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

3 測(cè)試軟件

IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置軟件采用VB語言編程，發(fā)射率測(cè)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(cè)試溫度和測(cè)試波長(zhǎng)，包括手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試2個(gè)功能，測(cè)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(cè)量結(jié)果。

圖3 IRS400型材料發(fā)射率測(cè)試裝置測(cè)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(cè)試裝置通過采用鎖相放大探測(cè)、環(huán)境溫度補(bǔ)償和溯源等技術(shù)，測(cè)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(cè)試，測(cè)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(duì)飛機(jī)噴管研制了隱身涂層，因而需要對(duì)這些隱身涂層的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)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(cè)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(cè)量范圍，研制測(cè)量溫度高于1 200℃的材料發(fā)射率測(cè)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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