光譜儀在發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱身測評中的應(yīng)用研究

姚凱凱,王 浩,許 帆,張銳娟,王海風(fēng)

(中國飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710089)

1 引 言

隱身技術(shù)可極大地提高作戰(zhàn)飛機(jī)的戰(zhàn)場生存能力,已成為現(xiàn)代飛機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)要求,伴隨著飛機(jī)紅外隱身性能在不斷提升[1-2]；發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器推力來源,同時(shí)也是重要的紅外輻射源[3-4]。當(dāng)前,發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外隱身關(guān)鍵技術(shù)主要有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、異形噴管、壁面冷卻技術(shù)、涂層技術(shù)、遮擋技術(shù)、改進(jìn)燃?xì)獬煞旨疤砑觿┘夹g(shù)、引射摻混技術(shù)、氣溶膠隱身技術(shù)等[5-8]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)前,需全面評估發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射特征指標(biāo),為其裝機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐[9-10]。為了更貼近空中工作狀態(tài),在地面進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射特征測試評估最為直接有效的途徑是將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于試車臺架上,通過紅外測量設(shè)備獲取發(fā)動(dòng)機(jī)接近裝機(jī)狀態(tài)的紅外輻射特征數(shù)據(jù)。紅外輻射特性測量設(shè)備主要有紅外熱像儀、紅外光譜輻射計(jì)[11-12]。紅外熱像儀可捕捉到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁及尾焰的瞬態(tài)溫度場,進(jìn)而可計(jì)算得到紅外輻射強(qiáng)度；紅外光譜輻射計(jì)可獲取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁及尾焰的能量分布,即光譜分布,經(jīng)計(jì)算可得所需波段的輻射強(qiáng)度,從光譜分布和能量極值兩方面衡量紅外輻射特征。SR5000N光譜輻射計(jì)采用分光形式,電視視場與紅外視場相同,在測試過程中易于瞄準(zhǔn)目標(biāo)。為了獲取高置信度數(shù)據(jù),準(zhǔn)確評估紅外隱身效果,對光譜測試提出了更高要求,測試過程中的誤差控制和數(shù)據(jù)處理過程中的標(biāo)定是影響測試精度的兩個(gè)重要因素。基于此,本文主要圍繞SR5000N光譜輻射計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射特征測試過程中的誤差控制方法和數(shù)據(jù)標(biāo)定方法展開研究。

2 光譜測試誤差控制方法研究

2.1 臺架試驗(yàn)光譜測試誤差分析

發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)光譜輻射特性測量過程如圖1所示,根據(jù)能量傳遞關(guān)系,光譜輻射計(jì)接收到的輻射能量包含兩部分,一是經(jīng)大氣衰減后目標(biāo)的輻射能量,二是經(jīng)大氣衰減后背景的輻射能量。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)光譜測試示意圖

分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)光譜測試精度的因素主要有:

a)背景輻射影響:發(fā)動(dòng)機(jī)光譜測量過程中,為了獲取發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口及尾焰的數(shù)據(jù),光譜輻射計(jì)的視場會遠(yuǎn)大于尾噴口尺寸,導(dǎo)致試車臺、建筑物、天空等背景的輻射能量會進(jìn)入光譜輻射計(jì),直接影響測試精度；

b)大氣衰減影響:大氣中的水蒸氣、二氧化碳及氣溶膠的吸收及散射作用會造成發(fā)動(dòng)機(jī)輻射能量的衰減,直接影響測試精度；

c)測試距離的影響:光譜輻射計(jì)視場一定時(shí),背景的面積計(jì)算與測試距離密切相關(guān),背景面積計(jì)算精度影響扣除背景輻射能量的精度,另一方面,大氣透過率計(jì)算也與測試距離密切相關(guān),因此,測試距離間接影響測試精度；

d)光譜輻射計(jì)工作狀態(tài)變化的影響:隨著工作時(shí)間以及工作環(huán)境的變化,會引起光譜輻射計(jì)探測器響應(yīng)度的穩(wěn)定性、光學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電子增益的穩(wěn)定性變化,導(dǎo)致儀器響應(yīng)函數(shù)可能會發(fā)生變化,直接影響測試精度。

2.2 誤差控制方法

從影響發(fā)動(dòng)機(jī)臺架光譜測試試驗(yàn)的關(guān)鍵因素出發(fā),結(jié)合外在輻射因素、試驗(yàn)位置的確定、儀器的參數(shù)配置、附加的環(huán)境監(jiān)測等方面,分析測試過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn),減小測試誤差,控制方法主要有:

a)背景輻射均勻化:在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架前,對發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺及周邊的建筑物等可發(fā)射或反射紅外輻射的物體進(jìn)行遮蔽處理,形成統(tǒng)一的均勻的測試背景,減少外在因素對測量精度的影響。遮蔽板基體采用3 mm厚的鋁板,內(nèi)側(cè)由巖棉板組成,防止鋁板受熱升溫,并在遮蔽板外側(cè)鋁板表面涂刷低發(fā)射率涂料,形成漫反射表層,實(shí)現(xiàn)背景的均勻化并且易于與環(huán)境分離。并且在遮蔽板上加裝測溫傳感器,實(shí)時(shí)記錄測試過程中遮蔽板的表面溫度,用于背景能量的扣除。

b)背景輻射影響最小化:考慮到太陽光對光譜輻射特性測試的影響,選擇在晴朗的夜晚進(jìn)行試驗(yàn),最大化減小外界環(huán)境因素對本征測試結(jié)果的影響。

c)距離精準(zhǔn)化:采用全站儀定位測試方位角,角度誤差控制在±20″范圍內(nèi),采用差分gps設(shè)備對測試設(shè)備及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定位,將測試距離和角度誤差降到最低,并且為了使得發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口中心和光譜輻射計(jì)視場中心在同一水平線上,將光譜輻射計(jì)放置在與試車臺高度相同的測量平臺上；

d)測量參數(shù)合理化:試驗(yàn)開展前,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)多角度摸底測試,利用光譜輻射計(jì)、熱像儀、發(fā)射率測量儀、測溫儀等多種設(shè)備,從發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口幾何尺寸、尾焰長度、安全距離方面進(jìn)行綜合考慮,從儀器視場、響應(yīng)范圍、增益、采樣率等多個(gè)參數(shù)出發(fā),設(shè)置最優(yōu)化的測量參數(shù),在包含發(fā)動(dòng)機(jī)全部輻射特征的同時(shí),將背景噪聲等影響降到最低；

e)外界環(huán)境實(shí)測化:利用氣象儀實(shí)時(shí)獲取測試路徑上的能見度、濕度、溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù),提高大氣透過率計(jì)算精度,減小修正誤差,從外部測量監(jiān)控手段上對試驗(yàn)過程進(jìn)一步控制。

3 標(biāo)定原理及方法

SR5000N型光譜輻射計(jì),是由以色列CI公司生產(chǎn)的一種漸變?yōu)V光片式光譜輻射計(jì),與傅立葉變換式光譜輻射計(jì)[13-14]工作原理不同,其采用一個(gè)連續(xù)漸變?yōu)V波器的結(jié)構(gòu),光的輻射通過在圓周不同的點(diǎn),經(jīng)過漸變?yōu)V波器后,測量傳輸可透過濾波器波長的輻射特性。傳輸?shù)牟ㄩL與漸變?yōu)V波器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是線性關(guān)系。隨著漸變?yōu)V波器的轉(zhuǎn)動(dòng),輻射的波長在最大值和最小值之間掃描[15]。

SR5000N型光譜輻射計(jì)在測量過程中,獲取場景的信號如下:

S(λ)=K(λ){W(λ)τ-P(λ,T0)+P(λ,Tair)(1-τ)}

(1)

其中,S(λ)為測量場景的光譜信號;K(λ)為儀器響應(yīng)函數(shù);W(λ)為發(fā)動(dòng)機(jī)的光譜輻射;τ為大氣透過率;P(λ,T0)為內(nèi)置黑體的光譜輻射;P(λ,Tair)為大氣程輻射。

當(dāng)傳輸距離較短,大氣程輻射可忽略,式(1)可寫為:

S(λ)=K(λ){W(λ)τ-P(λ,T0)}

(2)

光譜輻射計(jì)中內(nèi)置黑體的溫度在測量過程中會實(shí)時(shí)記錄,根據(jù)普朗克公式可計(jì)算得到其輻射能量,即P(λ,T0)為已知值,τ可根據(jù)測量過程中的氣象參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出,也為已知值,因此標(biāo)定的過程實(shí)則是確定光譜輻射計(jì)的響應(yīng)函數(shù)K(λ)。同傳統(tǒng)的傅立葉變換式光譜輻射計(jì)標(biāo)定方法不同,為了得到光譜輻射計(jì)的響應(yīng)函數(shù),只需測量一個(gè)溫度下黑體的光譜測量數(shù)據(jù),即可由式(2)計(jì)算得到儀器響應(yīng)函數(shù)。

SR5000N光譜輻射計(jì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的測試過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口未充滿視場,如圖1所示,因此,采用的標(biāo)定和計(jì)算方法如下:

1)標(biāo)定試驗(yàn)選擇與測試模式同樣的參數(shù)設(shè)置,采用未充滿視場方式,記錄對應(yīng)的標(biāo)定距離、視場、黑體溫度、黑體輻射面積、環(huán)境溫度等參數(shù)；

2)黑體溫度盡可能與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口溫度接近,因此,光譜標(biāo)定時(shí)設(shè)定的黑體溫度可參考測試時(shí)的熱像儀或測溫儀溫度；

3)測試距離根據(jù)黑體面積在光譜輻射計(jì)視場占比確定,黑體的視場占比與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口視場占比相當(dāng)；

4)在標(biāo)定時(shí)利用其內(nèi)部的調(diào)制黑體源作為參考。

因?yàn)椴捎梦闯錆M視場方法進(jìn)行標(biāo)定,在標(biāo)定過程中,不僅有黑體的輻射能量,還有背景的輻射能量進(jìn)入光譜輻射計(jì),式(2)變?yōu)?

圖1為基于少模光纖耦合的前置光放大空間光通信系統(tǒng)示意圖(直接探測)，接收光學(xué)系統(tǒng)可以等效為焦距為f、直徑為D的薄透鏡.理想情況下，被調(diào)制的空間光經(jīng)過無像差的理想接收光學(xué)天線匯聚到后焦面形成艾里斑，光能量耦合入放置在后焦面位置的少模光纖纖芯中，經(jīng)光纖送入少模前置光放大器，最后通過多模光纖進(jìn)入雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測器.各模式傳輸信息相同，模間串?dāng)_可忽略.

(3)

因此,還需測量一次背景的輻射能量:

(4)

其中,SBB(λ)為帶背景的目標(biāo)測量值;P(λ,TBB)為標(biāo)定黑體的輻射亮度,可由普朗克公式計(jì)算得到,ABB為標(biāo)定黑體的面積,單位為cm2;LBB為標(biāo)定黑體到光譜輻射計(jì)的距離,單位為cm;P(λ,TBG)為背景的輻射亮度;ABG為背景在光譜輻射計(jì)視場占的面積,單位為cm2;SBG(λ)為背景的測量值。

由式(3)和式(4)可得:

(P(λ,TBB)-P(λ,TBG))

(5)

由于黑體的溫度遠(yuǎn)高于背景的溫度,即P(λ,TBB)?P(λ,TBG),且標(biāo)定距離較短,大氣吸收衰減可忽略不計(jì),式(5)簡化為:

(6)

則標(biāo)定的儀器響應(yīng)系數(shù)K(λ)為:

(7)

(8)

式中,STarget(λ)為帶背景的目標(biāo)測量值;SBGT(λ)為沒有目標(biāo)的背景測量值;ATarget為目標(biāo)的面積,單位為cm2;LTarget為目標(biāo)到光譜輻射計(jì)的距離,單位為cm。

(9)

4 標(biāo)定結(jié)果分析

通過上述標(biāo)定方法,對發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)、不同測試角度的測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定,得到儀器的響應(yīng)函數(shù),對原始信號進(jìn)行計(jì)算,得到不同角度、不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的光譜輻射強(qiáng)度值。通過上述方法,計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)和中間兩種狀態(tài)在尾后0°、2.5°、5°三個(gè)不同角度的中波波段光譜輻射強(qiáng)度,并將其與熱像儀測試計(jì)算紅外輻射強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行比對分析,對比結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出,在不同的測試角度下,發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作狀態(tài)下,光譜輻射計(jì)測試計(jì)算結(jié)果和熱像測試計(jì)算結(jié)果較一致,經(jīng)計(jì)算可得,兩者的差異大小見表1,發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下,兩者在2.5°時(shí)計(jì)算結(jié)果差異最大,為1.31 %,發(fā)動(dòng)機(jī)中間狀態(tài)下,兩者在0°時(shí)的計(jì)算結(jié)果差異最大,為2.64 %。由計(jì)算結(jié)果分析可知,未充滿視場情況下的光譜標(biāo)定方法可行,結(jié)果正確。

圖2 光譜和熱像計(jì)算結(jié)果對比圖

表1 光譜和熱像差異計(jì)算結(jié)果

為了分析標(biāo)定距離、黑體溫度、黑體孔徑大小對該標(biāo)定結(jié)果的影響,設(shè)置不同標(biāo)定條件,見表2,得到不同標(biāo)定文件,根據(jù)式(7)計(jì)算得到儀器響應(yīng)函數(shù),對原始信號進(jìn)行計(jì)算,得到最大連續(xù)狀態(tài)中波波段的光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果,如圖3(a)所示,三個(gè)角度光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的最大浮動(dòng)比例分別為1.11 %、1.08 %、0.94 %。中間狀態(tài)光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3(b)所示,三個(gè)角度光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的最大浮動(dòng)比例分別為1.13 %、0.96 %、0.84 %。

圖3 不同標(biāo)定條件結(jié)果對比圖

表2 標(biāo)定條件

通過對不同標(biāo)定條件計(jì)算的光譜輻射強(qiáng)度結(jié)果分析,可以得出以下結(jié)論:①對于同一黑體源,設(shè)置不同溫度時(shí),但均在儀器的線性響應(yīng)范圍內(nèi),光譜輻射強(qiáng)度標(biāo)定結(jié)果基本一致；②當(dāng)標(biāo)定距離較近時(shí),大氣環(huán)境因素可忽略,其標(biāo)定結(jié)果與標(biāo)定距離無關(guān)；③當(dāng)黑體孔徑大小(也即輻射面積)不同時(shí),但其在視場中的占比均處于視場的均勻響應(yīng)區(qū),其標(biāo)定結(jié)果與黑體輻射面積無關(guān)。從以上三個(gè)方面也驗(yàn)證了儀器響應(yīng)理論與工程實(shí)際的一致性,減小了光譜標(biāo)定的限制,拓寬了光譜輻射計(jì)的工程應(yīng)用領(lǐng)域范圍。

5 結(jié) 論

本文主要圍繞SR5000 N光譜輻射計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)外場臺架測試中的應(yīng)用展開了研究,一是分析了光譜測試過程中的誤差源,并針對每種誤差源提出了控制措施,測試結(jié)果表明了控制措施有效；二是提出了非充滿視場下的標(biāo)定方法,標(biāo)定后得到的光譜輻射強(qiáng)度結(jié)果同熱像測量結(jié)果一致,表明了該標(biāo)定方法的正確性,分析了不同標(biāo)定條件下標(biāo)定結(jié)果的差異性,得到了標(biāo)定條件對標(biāo)定結(jié)果影響較小的結(jié)論,減小了標(biāo)定限制,為后續(xù)臺架光譜測試提供經(jīng)驗(yàn)和方法借鑒。