紅外窗口整流罩輻射特性研究

張銳娟　姚凱凱　王　震　王　浩（中國飛行試驗研究院，陜西西安　710089）

紅外窗口整流罩輻射特性研究

張銳娟姚凱凱王震王浩
（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

近年來，紅外成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大幅提高了作戰(zhàn)平臺的全天時綜合作戰(zhàn)性能。本文利用紅外熱像儀和光譜儀對整流罩紅外窗口的輻射特性進(jìn)行了分析研究，從譜分布特性和波段透過率兩方面對紅外窗口的透過率進(jìn)行了測試，利用測量值對加裝紅外窗口后的紅外測量結(jié)果進(jìn)行了修正，從客觀上提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了測試結(jié)果的可信度。

紅外窗口整流罩透過率輻射

1　引言

近年來，紅外成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大幅提高了作戰(zhàn)平臺的全天時綜合作戰(zhàn)性能。然而， 裝有紅外傳感器的軍用平臺通常都在惡劣的環(huán)境中工作，氣動/熱沖擊、雨雪沙石等侵蝕破壞都會影響其性能。因此，需要高性能的紅外窗口將其與外界隔離開［1］。通常，在溫度升高的情況下，即使具有低發(fā)射率的窗口也會產(chǎn)生高的背景輻射通量而導(dǎo)致紅外探測系統(tǒng)靈敏度降低，甚至使探測器飽和［2］。因此，研究窗口的紅外輻射特性就顯得十分重要。

紅外窗口既要保護(hù)紅外測量裝置不受外界環(huán)境損傷， 又要保證不降低其光學(xué)性能。對于紅外輻射特性測量來說，常常要求窗口具有高的透過率，這樣，就可以使得內(nèi)部加裝的紅外測量設(shè)備最大限度地得到目標(biāo)自身的紅外輻射特性。為此，本文從兩個方面對紅外窗口的透過率進(jìn)行了測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了相互驗證，給出了整流罩輻射修正后的測量結(jié)果及誤差分析。

2　紅外窗口透過率分析

對于結(jié)構(gòu)如圖1所示的紅外測量裝置來說，根據(jù)能量傳遞關(guān)系，到達(dá)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(biāo)和背景輻射能量、整流罩自身輻射的能量以及整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量［3］。當(dāng)熱像儀鏡頭緊貼整流罩窗口安裝時，整流罩反射吊艙內(nèi)部的能量即可忽略。這樣，到達(dá)熱像儀的輻射能量可表示為式Lm=Lt*τ+Lf*（1-τ）（1）。其中， Lm——熱像儀測得的輻射亮度； Lt——目標(biāo)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。

因此，本文提出了如圖2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，首先測試黑體的輻射能量，如圖2 a）所示；其次將整流罩放在黑體前方，保證整流罩與黑體表面平行，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖2 b）所示，測試透過整流罩的黑體輻射能量；這樣，通過公式（2）得到整流罩的透過率L罩通過plank公式計算得到，rL由熱像儀響應(yīng)的輻射得到。

通過設(shè)置多個黑體源溫度，記錄相應(yīng)的整流罩及熱像儀的響應(yīng)，對多個點(diǎn)取平均值進(jìn)而給出窗口透過率結(jié)果，如表1所示。

不同黑體溫度下測得的紅外窗口透過率與平均透過率分布如圖3所示，不同溫度下測得的透過率值差異很小，紅外窗口的透過率高且穩(wěn)定，能最大限度滿足紅外特性測量需求。

圖1　加裝整流罩的熱像測量系統(tǒng)示意圖

圖2　測試光路示意圖

圖3　不同溫度下的透過率測量結(jié)果

圖4　紅外窗口光譜透過率測量示意圖

圖5　紅外窗口光譜透過率分布圖

為進(jìn)一步分析紅外窗口在整個紅外波段的光譜分布情況，并對上述測量方法及結(jié)果確認(rèn)，本文提出利用SR5000光譜輻射計窗口透過率的測試方法，其測量示意圖如圖4所示。

試驗時，選擇合適的調(diào)制頻率對黑體響應(yīng)進(jìn)行調(diào)制，得到PL（λ），取得黑體響應(yīng)后，將窗口放置在調(diào)制黑體前，得到窗口響應(yīng)L（λ），通過公式（3）計算得到得出透過率的光譜分布結(jié)果。（3）其中，τ（λ）為測試窗口透過率，L（λ）和PL（λ）分別為加窗口和未加窗口時光譜輻射亮度，PL（T，λ）為背景的輻射亮度。

采用光譜測量方式，得到的紅外窗口透過率曲線如圖5所示。從圖中可以看出，光譜積分得到的透過率與熱像儀測量得到的平均透過率值接近，兩者相差僅0.009，并將以上兩種測量結(jié)果同窗口出廠檢測結(jié)果對比可知，兩種測量方法得到的窗口透過率測量結(jié)果均可靠有效。

3　紅外窗口輻射影響修正分析

利用紅外窗口透過率測量值，對紅外輻射結(jié)果進(jìn)行修正，將整流罩的影響進(jìn)行修正消除以后，得到的誤差分析結(jié)果如表2所示。

表1　長波（8-9.4um）紅外窗口測試結(jié)果表

表2　窗口輻射影響因素修正后的誤差分析

從修正后的誤差分析結(jié)果可看出，將紅外窗口輻射的影響消除以后，熱像儀得到的黑體輻射誤差能控制在2%以內(nèi)，滿足使用要求，窗口透過率測量結(jié)果以及修正結(jié)果均得到了有效驗證。

4　結(jié)論及應(yīng)用

本文提出了兩種不同的紅外窗口整流罩透過率測量方法，利用熱像儀和輻射計兩種測量手段對整流罩的長波輻射特性進(jìn)行了相互驗證，從兩方面說明了兩種方法的正確性，并利用測量結(jié)果對黑體進(jìn)行了修正校驗以及結(jié)果分析，通過對整流罩輻射特性的修正，能夠還原目標(biāo)自身的輻射能量，從客觀上提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步縮減了測量誤差。

［1］張興德，劉琳，李榮剛.機(jī)載光電設(shè)備紅外窗口技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2010，39（4）:601-606.

［2］張榮實(shí).紅外窗口/整流罩技術(shù)新進(jìn)展［J］.紅外與激光工程，2007，36（增刊）:114-119.

［3］王浩，王海風(fēng).吊艙整流罩自身紅外輻射對目標(biāo)測試的影響［J］.硅谷，2014，153（7）:74-75.