光譜儀在發動機紅外隱身測評中的應用研究

姚凱凱,王 浩,許 帆,張銳娟,王海風

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

1 引 言

隱身技術可極大地提高作戰飛機的戰場生存能力,已成為現代飛機的一個重要技術指標要求,伴隨著飛機紅外隱身性能在不斷提升[1-2]；發動機作為飛行器推力來源,同時也是重要的紅外輻射源[3-4]。當前,發動機的紅外隱身關鍵技術主要有渦扇發動機、異形噴管、壁面冷卻技術、涂層技術、遮擋技術、改進燃氣成分及添加劑技術、引射摻混技術、氣溶膠隱身技術等[5-8]。

航空發動機裝機前,需全面評估發動機紅外輻射特征指標,為其裝機提供數據支撐[9-10]。為了更貼近空中工作狀態,在地面進行發動機紅外輻射特征測試評估最為直接有效的途徑是將發動機安裝于試車臺架上,通過紅外測量設備獲取發動機接近裝機狀態的紅外輻射特征數據。紅外輻射特性測量設備主要有紅外熱像儀、紅外光譜輻射計[11-12]。紅外熱像儀可捕捉到發動機內壁及尾焰的瞬態溫度場,進而可計算得到紅外輻射強度；紅外光譜輻射計可獲取發動機內壁及尾焰的能量分布,即光譜分布,經計算可得所需波段的輻射強度,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目標。為了獲取高置信度數據,準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據處理過程中的標定是影響測試精度的兩個重要因素。基于此,本文主要圍繞SR5000N光譜輻射計在發動機紅外輻射特征測試過程中的誤差控制方法和數據標定方法展開研究。

2 光譜測試誤差控制方法研究

2.1 臺架試驗光譜測試誤差分析

發動機臺架試驗光譜輻射特性測量過程如圖1所示,根據能量傳遞關系,光譜輻射計接收到的輻射能量包含兩部分,一是經大氣衰減后目標的輻射能量,二是經大氣衰減后背景的輻射能量。

圖1 發動機光譜測試示意圖

分析影響發動機臺架試驗光譜測試精度的因素主要有:

a)背景輻射影響:發動機光譜測量過程中,為了獲取發動機尾噴口及尾焰的數據,光譜輻射計的視場會遠大于尾噴口尺寸,導致試車臺、建筑物、天空等背景的輻射能量會進入光譜輻射計,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動機輻射能量的衰減,直接影響測試精度；

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

d)光譜輻射計工作狀態變化的影響:隨著工作時間以及工作環境的變化,會引起光譜輻射計探測器響應度的穩定性、光學結構的穩定性和電子增益的穩定性變化,導致儀器響應函數可能會發生變化,直接影響測試精度。

2.2 誤差控制方法

從影響發動機臺架光譜測試試驗的關鍵因素出發,結合外在輻射因素、試驗位置的確定、儀器的參數配置、附加的環境監測等方面,分析測試過程中應注意的關鍵點,減小測試誤差,控制方法主要有:

a)背景輻射均勻化:在發動機臺架前,對發動機試車臺及周邊的建筑物等可發射或反射紅外輻射的物體進行遮蔽處理,形成統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,內側由巖棉板組成,防止鋁板受熱升溫,并在遮蔽板外側鋁板表面涂刷低發射率涂料,形成漫反射表層,實現背景的均勻化并且易于與環境分離。并且在遮蔽板上加裝測溫傳感器,實時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行試驗,最大化減小外界環境因素對本征測試結果的影響。

c)距離精準化:采用全站儀定位測試方位角,角度誤差控制在±20″范圍內,采用差分gps設備對測試設備及發動機進行定位,將測試距離和角度誤差降到最低,并且為了使得發動機尾噴口中心和光譜輻射計視場中心在同一水平線上,將光譜輻射計放置在與試車臺高度相同的測量平臺上；

d)測量參數合理化:試驗開展前,進行發動機不同狀態多角度摸底測試,利用光譜輻射計、熱像儀、發射率測量儀、測溫儀等多種設備,從發動機尾噴口幾何尺寸、尾焰長度、安全距離方面進行綜合考慮,從儀器視場、響應范圍、增益、采樣率等多個參數出發,設置最優化的測量參數,在包含發動機全部輻射特征的同時,將背景噪聲等影響降到最低；

e)外界環境實測化:利用氣象儀實時獲取測試路徑上的能見度、濕度、溫度、氣壓、風速、風向等氣象參數,提高大氣透過率計算精度,減小修正誤差,從外部測量監控手段上對試驗過程進一步控制。

3 標定原理及方法

SR5000N型光譜輻射計,是由以色列CI公司生產的一種漸變濾光片式光譜輻射計,與傅立葉變換式光譜輻射計[13-14]工作原理不同,其采用一個連續漸變濾波器的結構,光的輻射通過在圓周不同的點,經過漸變濾波器后,測量傳輸可透過濾波器波長的輻射特性。傳輸的波長與漸變濾波器轉動的角度是線性關系。隨著漸變濾波器的轉動,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)為儀器響應函數;W(λ)為發動機的光譜輻射;τ為大氣透過率;P(λ,T0)為內置黑體的光譜輻射;P(λ,Tair)為大氣程輻射。

當傳輸距離較短,大氣程輻射可忽略,式(1)可寫為:

S(λ)=K(λ){W(λ)τ-P(λ,T0)}

(2)

光譜輻射計中內置黑體的溫度在測量過程中會實時記錄,根據普朗克公式可計算得到其輻射能量,即P(λ,T0)為已知值,τ可根據測量過程中的氣象參數進行計算得出,也為已知值,因此標定的過程實則是確定光譜輻射計的響應函數K(λ)。同傳統的傅立葉變換式光譜輻射計標定方法不同,為了得到光譜輻射計的響應函數,只需測量一個溫度下黑體的光譜測量數據,即可由式(2)計算得到儀器響應函數。

SR5000N光譜輻射計對發動機的測試過程中,發動機尾噴口未充滿視場,如圖1所示,因此,采用的標定和計算方法如下:

1)標定試驗選擇與測試模式同樣的參數設置,采用未充滿視場方式,記錄對應的標定距離、視場、黑體溫度、黑體輻射面積、環境溫度等參數；

2)黑體溫度盡可能與發動機尾噴口溫度接近,因此,光譜標定時設定的黑體溫度可參考測試時的熱像儀或測溫儀溫度；

3)測試距離根據黑體面積在光譜輻射計視場占比確定,黑體的視場占比與發動機尾噴口視場占比相當；

4)在標定時利用其內部的調制黑體源作為參考。

因為采用未充滿視場方法進行標定,在標定過程中,不僅有黑體的輻射能量,還有背景的輻射能量進入光譜輻射計,式(2)變為:

圖1為基于少模光纖耦合的前置光放大空間光通信系統示意圖(直接探測)，接收光學系統可以等效為焦距為f、直徑為D的薄透鏡.理想情況下，被調制的空間光經過無像差的理想接收光學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，經光纖送入少模前置光放大器，最后通過多模光纖進入雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測器.各模式傳輸信息相同，模間串擾可忽略.

(3)

因此,還需測量一次背景的輻射能量:

(4)

其中,SBB(λ)為帶背景的目標測量值;P(λ,TBB)為標定黑體的輻射亮度,可由普朗克公式計算得到,ABB為標定黑體的面積,單位為cm2;LBB為標定黑體到光譜輻射計的距離,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)

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

(6)

則標定的儀器響應系數K(λ)為:

(7)

(8)

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

(9)

4 標定結果分析

通過上述標定方法,對發動機在不同工作狀態、不同測試角度的測量結果進行標定,得到儀器的響應函數,對原始信號進行計算,得到不同角度、不同發動機狀態的光譜輻射強度值。通過上述方法,計算了發動機最大連續和中間兩種狀態在尾后0°、2.5°、5°三個不同角度的中波波段光譜輻射強度,并將其與熱像儀測試計算紅外輻射強度結果進行比對分析,對比結果見圖2。從圖2中可以看出,在不同的測試角度下,發動機不同的工作狀態下,光譜輻射計測試計算結果和熱像測試計算結果較一致,經計算可得,兩者的差異大小見表1,發動機最大連續狀態下,兩者在2.5°時計算結果差異最大,為1.31 %,發動機中間狀態下,兩者在0°時的計算結果差異最大,為2.64 %。由計算結果分析可知,未充滿視場情況下的光譜標定方法可行,結果正確。

圖2 光譜和熱像計算結果對比圖

表1 光譜和熱像差異計算結果

為了分析標定距離、黑體溫度、黑體孔徑大小對該標定結果的影響,設置不同標定條件,見表2,得到不同標定文件,根據式(7)計算得到儀器響應函數,對原始信號進行計算,得到最大連續狀態中波波段的光譜輻射強度計算結果,如圖3(a)所示,三個角度光譜輻射強度計算結果的最大浮動比例分別為1.11 %、1.08 %、0.94 %。中間狀態光譜輻射強度計算結果如圖3(b)所示,三個角度光譜輻射強度計算結果的最大浮動比例分別為1.13 %、0.96 %、0.84 %。

圖3 不同標定條件結果對比圖

表2 標定條件

通過對不同標定條件計算的光譜輻射強度結果分析,可以得出以下結論:①對于同一黑體源,設置不同溫度時,但均在儀器的線性響應范圍內,光譜輻射強度標定結果基本一致；②當標定距離較近時,大氣環境因素可忽略,其標定結果與標定距離無關；③當黑體孔徑大小(也即輻射面積)不同時,但其在視場中的占比均處于視場的均勻響應區,其標定結果與黑體輻射面積無關。從以上三個方面也驗證了儀器響應理論與工程實際的一致性,減小了光譜標定的限制,拓寬了光譜輻射計的工程應用領域范圍。

5 結 論

本文主要圍繞SR5000 N光譜輻射計在發動機外場臺架測試中的應用展開了研究,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,測試結果表明了控制措施有效；二是提出了非充滿視場下的標定方法,標定后得到的光譜輻射強度結果同熱像測量結果一致,表明了該標定方法的正確性,分析了不同標定條件下標定結果的差異性,得到了標定條件對標定結果影響較小的結論,減小了標定限制,為后續臺架光譜測試提供經驗和方法借鑒。