紅外隱身涂層光譜發(fā)射率測量定標研究

李 猛,郭 娟,季新杰,陳立海,李越峰

(1.空軍工程大學航空機務(wù)士官學校,河南 信陽 464000;2.河北石油職業(yè)技術(shù)大學,河北 承德 067000;3.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院,四川 成都 610500)

1 引 言

不斷發(fā)展的紅外探測、跟蹤、制導技術(shù)推動武器系統(tǒng)目標紅外探測距離大幅提高,嚴重威脅飛機的突防能力和戰(zhàn)場生存能力[1-3]。在飛機主要輻射源[3-4]上涂覆紅外隱身涂層可減弱紅外輻射,降低飛機的可探測性,并提高其生存能力[2]。

紅外涂層隱身性能取決于發(fā)射率和溫度兩個因素[5],涂覆能控制并降低發(fā)射率的涂層材料是提高飛機紅外隱身能力的有效途徑之一。但因高溫、潮濕、氣動應力等因素作用,涂層容易產(chǎn)生氣泡、裂紋、剝落等損傷[6-7],影響飛機的隱身能力。美軍F-22、F-35隱身涂層就因涂層頻繁剝落,給其監(jiān)控和維護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。國產(chǎn)隱身飛機也面臨類似的保障問題。通過檢測涂層光譜發(fā)射率,對其進行狀態(tài)監(jiān)控,及早發(fā)現(xiàn)涂層物性變化,是隱身飛機保障工作的一個重點研究方向。

紅外發(fā)射率測量設(shè)備的誤差將直接影響監(jiān)測結(jié)果的準確度,為控制測量誤差,確保量值一致,需要對其定標開展研究。文獻[8]設(shè)計了積分球定向——半球反射比(也叫反射率,本文統(tǒng)稱為反射比)測量系統(tǒng),研究了反射比隨波長的變化趨勢和系統(tǒng)誤差。文獻[9]針對紅外隱身材料光譜發(fā)射率測評,建立固體材料定向光譜發(fā)射率測量裝置,分析了系統(tǒng)測量誤差。文獻[10]研究了紅外發(fā)射率測量技術(shù)的不確定度分析方法。文獻[11]研究了紅外光譜發(fā)射率測量校準發(fā)展趨勢,指出采用反射比法測量,通常溯源到美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)。

在軍用隱身飛機領(lǐng)域,開展紅外隱身涂層測量定標研究的文獻較少。本文研究發(fā)射率測量原理、方法和誤差構(gòu)成,確定定標基準和校準方法,并開展定標和校準試驗,為紅外隱身涂層狀態(tài)監(jiān)控提供了可靠、可溯源的定標方法。

2 測量系統(tǒng)組成及原理[8,12-14]

2.1 定向積分反射比法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測量采用定向半球積分反射比法,系統(tǒng)(如圖1所示)由高穩(wěn)定型光源、高反射率漫射內(nèi)表面積分球、探測器、標準樣品構(gòu)成。測量對象為待測樣品。

2.2 測量原理

如圖1所示,樣品置于積分球樣品架,一定能量入射光條件下,探測器輸出相應的電壓信號V。

圖1 定向積分反射比法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

待測樣品對應的輸出電壓Vs(θ,λ)為:

Vs(θ,λ)=K(R,ρλ)Lrs(θ,λ)

(1)

其中,K(R,ρλ)是與積分球半徑、內(nèi)壁發(fā)射率和探測器相關(guān)的系統(tǒng)相應輸出函數(shù)；Lrs(θ,λ)是待測樣品反射的輻射亮度。

參考樣品對應的輸出電壓VB(θ,λ)為:

VB(θ,λ)=K(R,ρλ)LrB(θ,λ)

(2)

式中,LrB(θ,λ)是參考樣品的反射輻射亮度。

根據(jù)能量守恒原理,非透明材料光譜吸收率α(θ,λ)可表示為:

α(θ,λ)=1-ρ(θ,λ)

(3)

其中,ρ(θ,λ)為光譜反射比(反射率)。

如果材料表面溫度穩(wěn)定,則光譜發(fā)射率與光譜吸收率相等。則有發(fā)射率ε(θ,λ):

ε(θ,λ)=1-ρ(θ,λ)

(4)

公式(4)表明,將已知的輻射能量投射到被測的不透明樣品表面,并用積分球反射計測出表面反射能量,計算出反射比ρ(θ,λ),即可求得樣品的反射率[8,12,15]。

含有參考樣品的反射比測量系統(tǒng),分別測量參考樣品和被測樣品的探測器信號。假設(shè)探測器、光學系統(tǒng)相應函數(shù)穩(wěn)定,則被測樣品的反射比可按照下式計算:

(5)

其中,ρx(θ,λ)為被測樣品的反射比；ρb(θ,λ)為參考樣品的反射比；Vx(θ,λ)為被測樣品對應的探測器信號；Vb(θ,λ)為參考樣品時的探測器信號；V0(θ,λ)為無樣品狀態(tài)下的探測器信號。

根據(jù)公式(4)、(5),待測樣品的發(fā)射率為:

(6)

式中,εx(θ,λ)為被測樣品的發(fā)射率;εb(θ,λ)為參考樣品的發(fā)射率。

考慮到系統(tǒng)Vx(θ,λ)?V0(θ,λ)、Vb(θ,λ)?V0(θ,λ),反射比和發(fā)射率計算公式分別簡化為(7)和(8):

(7)

(8)

公式(8)就是采用反射比測量系統(tǒng)測量涂層發(fā)射率的最終計算公式。

3 系統(tǒng)校準及定標方法

3.1 發(fā)射率測量方法

本文采用的測量流程如圖2所示。

①黑體輻射源通電,設(shè)定黑體溫度T。

②用參考樣品校準設(shè)備,找到輸出信號與參考樣品表面發(fā)射率的線性關(guān)系,即滿足公式(9)的系數(shù)k:

k=ε1/V1=ε2/V2=ε3/V3

(9)

式中,k是探測器輸出電壓與被測物體表面的發(fā)射率的比率；εi是第i塊參考樣品的發(fā)射率；Vi是第i塊參考樣品對應的輸出電壓。

圖2 光譜發(fā)射率測量流程

③把待測樣品置于樣品架上進行測量,讀取并記錄樣品對應的輸出信號電壓Vxi；

④重復②、③的操作3次。輸出不穩(wěn)定時,重復該步驟。

記錄的待測樣品測量數(shù)據(jù),按下式計算樣品的發(fā)射率:

(10)

式中,εk為樣品發(fā)射率；n為測量次數(shù)；i為測量序號,i=1,2,3；Vxi為第i次測量時的輸出信號電壓。

3.2 誤差分析

定向半球積分發(fā)射比測量系統(tǒng)中,光路系統(tǒng)和探測器相對穩(wěn)定,可忽略其對測量示值誤差的影響。在測量過程中,黑體作為輻射源,其溫度穩(wěn)定性將帶給測量結(jié)果一定的誤差。同時,參考樣品的光譜分析儀器進行定標給出,因此其發(fā)射率數(shù)據(jù)誤差也是一個誤差源。

黑體輻射能量受溫度變化范圍的影響歸結(jié)為下式:

(11)

式中,W為黑體輻射照度的數(shù)值。

控制黑體輻射源溫度T穩(wěn)定度為±T′,則T的最大變化為ΔT=2T′?？刂颇繕藶門′=±0.25 K,則T的最大變化為ΔT=0.5 K,同時,黑體溫度設(shè)定為T=500 K。根據(jù)公式(11)得到ΔW/W=0.004,即黑體輻射源溫度穩(wěn)定性引起的最大誤差為0.004。

參考樣品光譜發(fā)射率誤差的控制目標為≤0.02。測量三塊參考樣品發(fā)射率并擬合發(fā)射率直線,則可控制該項誤差符合要求(≤0.02)。

測量系統(tǒng)總的示值誤差為:0.004+0.02=0.024<0.03。所以,定向半球積分反射比法測量系統(tǒng)的誤差為:±0.03。參考樣品發(fā)射率誤差占比0.02/0.024=83.3 %,為主要誤差。因此,系統(tǒng)定標的主要任務(wù)就是縮小參考樣品的發(fā)射率誤差。

3.3 參考樣品定標方法

為降低參考樣品的發(fā)射率誤差,保持量值統(tǒng)一和溯源性,設(shè)計并加工三塊反射比科溯源至NIST[11]的參考樣品。參考樣品反射比定標基準選擇有效發(fā)射率在0.9897～0.992之間黑體腔,因此黑體腔的發(fā)射率為0.991±0.0023。

定標方法:在一定溫、濕度條件下,采用傅里葉變換紅外光譜儀對參考樣品反射比進行測量。

4 定標及校準試驗

4.1 參考樣品光譜發(fā)射率定標試驗

將傅里葉變換紅外光譜儀波數(shù)設(shè)置為2.5～15 μm,反射比測量范圍設(shè)置為0.1～1.0。在環(huán)境溫度(22.0±2.0) ℃,濕度為(20.0±5.0) % RH條件下,對三塊參考樣品反射比進行定標(如圖3所示)。

圖3 參考樣品光譜反射比定標結(jié)果

從圖3可以看出,同一塊參考樣品反射比在3～5 μm波段和8～12 μm波段內(nèi)稍有變化,8～12 μm波段內(nèi)的反射比要大一些。2#參考樣品反射比與標準黑體輻射源反射比的誤差最大,達到|0.991-0.973|=0.018<0.002,符合參考樣品誤差控制標準。因此,三塊參考樣品符合定標要求。

已知參考樣品反射比,根據(jù)公式(4)計算出各參考樣品的發(fā)射率(如圖4所示)?？梢钥闯?三塊樣品發(fā)射率之間的發(fā)射率一致性較好,表明參考樣品制造工藝滿足要求,為控制示值誤差奠定了基礎(chǔ)。

圖4 參考樣品光譜發(fā)射率定標結(jié)果

4.2 示值誤差校準試驗

按照反射比測量方法,在3～5 μm波段測量三塊參考樣品的發(fā)射率與測量系統(tǒng)輸出電壓關(guān)系如圖5所示。

圖5 參考樣品光譜發(fā)射率與輸出信號的關(guān)系

圖5表明,在3～5 μm、8～12 μm波段內(nèi),參考樣品的光譜發(fā)射率與輸出電壓比非常穩(wěn)定,測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。同時,參考樣品的發(fā)射率與輸出信號比率擬合曲線可以看出,在3～5 μm波段k=0.0812,在8～12 μm波段k=0.0638。通過校準試驗確定的系數(shù)k,可以用于待測樣品的測量。

4.3 涂層樣品發(fā)射率測量試驗

經(jīng)過定標的測量設(shè)備對紅外隱身涂層樣品發(fā)射率開展測量,得到不同紅外波段的測量結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 3～5 μm波段涂層光譜發(fā)射率測量結(jié)果

從圖6可以看出,在3～5 μm波段,紅外隱身涂層樣品的發(fā)射率逐漸增大。測量結(jié)果的示值誤差最大值為0.0117<0.03,符合標準要求。

圖7表明,在8～12 μm波段,紅外隱身涂層樣品的發(fā)射率也是逐漸增大的趨勢。最大測量誤差約在8 μm波長處,誤差值為0.0083<0.03,結(jié)果也符合標準要求。

圖7 8～12 μm波段涂層發(fā)射率測量結(jié)果

此外,圖6、圖7也表明,涂層樣品的光譜發(fā)射率在整個光譜范圍內(nèi),隨著波長增加而逐漸減小。

5 結(jié) 論

對紅外隱身涂層發(fā)射率測量系統(tǒng)定標方法開展了研究,主要結(jié)論如下。

(1)定向積分反射比法中,黑體溫度穩(wěn)定性和參考樣品的光譜發(fā)射率誤差是主要誤差源,參考樣品的光譜發(fā)射率誤差占支配地位。

(2)對參考樣品開展可溯源的定標測量,參考樣品反射比與參考黑體發(fā)射比之間的誤差<0.02,能夠控制系統(tǒng)總的示值誤差<0.03。

(3)參考樣品與輸出信號比擬合系數(shù)k,能有效控制測量誤差。