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1、光电隐身效果评估技术系列讲座主讲人?杨照金第三讲:红外隐身性能测试与计量杨照金(西安应用光学研究所,陕西?西安?710065)摘?要:光电隐身一般包括红外隐身、激光隐身、可见光隐身、雷达隐身和声波隐身。本讲座较系统地介绍红外隐身、激光隐身、可见光隐身的技术内涵,光电隐身技术的应用和国内外发展现状,隐身原理和隐身措施。重点介绍光电隐身的性能评估,包括性能评价方法和模型,隐身性能测试,隐身性能测试仪器的计量检定和校准等。关键词:光电隐身、红外隐身、激光隐身、可见光隐身、隐身效果评估、红外发射率、雷达截面。中图分类号:T N219;T P219.41?文献标志码:A?对红外隐身性能的测试,主要集中在
2、如下几个方面,对红外隐身材料测试它的红外发射率,对隐身后的目标,通过热像仪进行对比测试。下面我们分别予以介绍。1?红外发射率测试1.1?半球积分发射率的测量当我们研究辐射热传递和热损耗时,最关心的是材料表面的半球发射率,对材料半球积分发射率的测量分两种:辐射测量方法,如通过测量材料的反射率从而求得发射率;量热法,具体又分为辐射热平衡方法和温度衰减方法。其中辐射热平衡法被广泛采用,并且测量准确。1.1.1?辐射热平衡法测量材料半球积分发射率辐射热平衡法测量材料积分发射率中又根据材料样品的形状分为以下二种:热丝法测量材料半球发射率;材料圆柱样品的特征温度分布法测量材料半球积分发射率。1)辐射热平衡
3、法测量材料半球积分发射率原理这里主要介绍第一种方法即热丝法测量材料半球积分发射率。图 1?辐射热平衡法测量材料半球积分发射率示意图?这种方法的基本原理和装置如图 1 所示,待测半球积分发射率的材料样品截面多为长窄带状,给该样品通电加热,并保持输入电功率稳定,直到样品与周围真空室达到热平衡。由于材料样品处于真空环境中,样品本身通过热传导和对流的热损耗基本上可以被忽略。在达到热平衡的条件下,材料样品中部区域基本上无温度梯度。而且,输入给材料样品的稳定的电功率几乎全部以辐射的形式散失掉。以上所述就是辐射热平衡法测量半球积分发射率的原理。2)辐射热平衡法测量半球积分发射率公式为得到辐射热平衡法测量半球
4、积分发射率公(14)杨照金:光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座式,首先推导材料样品的热平衡方程。首先分析外界给材料样品的输入功率,包括:(a)输入稳定的电功率 IV;(b)真空室内壁发射并被材料样品吸收的辐射功率 A?2?T42,其中 A 和?又分别是材料样品的表面积和吸收比,?2和 T2为真空室内壁的发射率和温度。由于温度均匀的密闭真空室内壁的辐射就是黑体辐射,因此,可认为?2=1。(c)材料样品本身的辐射经真空室内壁反射又回到材料样品后,也可被材料样品吸收,但这一项可以忽略不计。样品的总输入功率 P1为P1=I V+A?T42(1)再分析材料样品的输出功率,主要有下列几项:(a)样品的热辐
5、射 A?h?T41,其中?h和 T1分别是半球积分发射率和平衡温度;(b)材料样品两端及测温传感器传导消耗的功率 2k?T/?x,其中,k 是金属热导率,?是材料样品吸收比,?T/?x 是温度梯度。可以证明,样品两端和测温传感器的传导热损耗可忽略。(c)真空室内残留气体的热传导和对流引起的热损耗,也可忽略不计。综上所述,在辐射热平衡条件下,样品的输入和输出功率必须相等,亦即IV+A?T42=A?h?T41(2)在材料样品的吸收率?等于其半球积分发射率?h时,得半球发射率为?h=I V?A(T41-T42)(3)3)辐射热平衡方法测量材料发射率注意事项(a)辐射热平衡法测量材料样品发射率的误差主
6、要取决于样品与真空室内壁的相对温度及其测量误差。(b)如果材料样品是导电材料,则把样品直接做成上述横截面均匀的长窄带状,直接导电加热;如果被测样品是电介质材料,则可将薄片状样品绕着圆柱形加热元件缠起来,或把平板状样品以良好的热接触与半板加热器粘合起来,并在背面与侧面用保护性材料包围加热器,使辐射限制在材料样品的前表面。也可将样品材料制成品喷涂在加热器上测量。1.1.2?温度衰减法测量材料发射率由于辐射热平衡方法测量发射率时,必须使材料样品与真空室达成热平衡状态,所需的测量时间一般就比较长。那么,为缩短测量时间,可在非稳态下测量,这种是温度衰减法。它是把一个表面积较大而质量很小的样品悬挂在具有冷
7、却内壁的真空室内,并加热到显著高于真空室内壁温度。停止加热后,测量材料样品的冷却速度。从冷却速率和可知的材料样品表面积、质量和比热,计算出辐射热损耗速率,从而求出材料的半球积分发射率。其中的加热方法可选光照加热与线围加热器加热等。以光照加热样品时,若忽略真空内壁辐射对样品的影响,则此球的能量平衡方程是2A?h?T4+mCpdTdt=A?E(4)式中:A 为薄样品的单侧截面积;?h为材料发射率;m 为样品的质量;CP为材料样品的比热;dT/dt 为样品温度随时间上升率;E 为入射光辐照度。待样品有足够的温升后,停止光照并使材料样品冷却,则能量平衡方程为2A?n?T4=mCpdTdt(5)一般可认
8、为材料样品的比热 CP与温度无关,(5)式两边对时间积分,得?t2t12A?n?dt=mCp?T2T1dTT4?n=mCp6A?(t2-t1)1T31-1T32(6)式中:T1和 T2分别为开始降温时刻 t1和 t2时刻材料样品的温度。1.2?法向光谱发射率测量材料法向光谱发射率测量主要采用被测样品与黑体在同一温度下进行辐射度比较的方法,具体又分为两种,即单光路法和双光路法。1.2.1?单光路法测法向光谱发射率单光路替代法测试系统如图 2 所示。图中 P 为水冷光栏。先将黑体炉 B1与样品炉 B2控制在同一温度 T。转动导轨 L,分别让黑体炉 B1和样品炉 B2(其内装有待测样品 S)的辐射功
9、率经调制盘 C 调制后,投射到单色仪 SP 的入射狭缝上,由单色仪分光后,经出射狭缝投射到一无光谱选择性的探测器 D上。其输出信号经选频放大器放大后由毫伏表 M 记读。由于多次测量条件相同,即样品的辐射束和比较用的黑体辐射束途经同一光路,视场角相等,具有相同的光程和衰减。因此,有杨照金:光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座(15)V?s=R?M?s=R?(?,T)?T4(7)V?b=R?M?b=R?b?T4(8)式中:R?为测试系统的光谱辐射功率响应度;V?s与 V?b分别为待测样品 S 和黑体 B1的输出?信号电压?;M?s与M?b分别为待测样品 S 和黑体 B 的辐射功率密度。将(7)式与(
10、8)式相除,便得?(?,T)=V?sV?b?b(9)式中?b为黑体 B1的发射率,是已知的。图 2?单光路测法向光谱发射率示意图?单光路法的主要优点是系统简单,调节方便,但由于前后两次交替的测量时间间隔相对来说较长。因而,电子系统的漂移,环境不稳定等因素将带来测量误差。为了克服单光路的这一缺点,可把商品红外分光光度计改装成双光路的测试系统,测量精度较高,但价格昂贵。下面介绍的工业用数字显示双光路红外发射率测试仪,兼有操作方便与成本低廉之优点。1.2.2?双光路法测法向光谱发射率图 3?双光路法测法向发射率框图?测量系统的框图如图 3 所示。由参考黑体 b辐射的光信号 Ib经球面反射镜 Rb和平
11、面镜 R 反射,然后透过调制盘,聚焦于单色仪的入射狭缝处。另一方面,由样品 S 辐射的信号 Is,经球面反射镜 Rs,及调制盘 C 上的反射镜反射,同样聚焦于单色仪入射狭缝处。于是,在单色仪入射狭缝处的光信号即为空间上一路,时间上则是参考信号与样品信号交替脉冲。这个脉冲信号,经一定放大后,送入选通电路,由选通脉冲选出参考信号与样品信号,然后在各自相应的通道放大处理,最后同时送至除法器相除,以比较样品的辐射与参考黑体的辐射。由于被测样品的发射率?(?,T)=?bV?sV?b,于是就可以直接显示某波长处该材料法向光谱发射率之值,或扫描绘制?(?,T)与?的曲线。以上两种测量,样品均固定不动,其缺点
12、是样品上存在较大温度梯度,为了克服样品的温度不均匀性,可用旋转样品加热法。比较法测量材料 法向光谱 发射率的误 差分析:比较法测量样品的发射率,必须使样品和黑体温度相同。否则,由于样品和黑体的温度不相同,所引起的误差与两者的温差大小、波长和实验温度有关。在波长为?,温度为 T 和不确定的温差dT 时,样 品的实际 光谱发射率?(?,T)将 变为?(?,T)。?(?,T)和?(?,T)的关系为?(?,T)=Ms(?,T)MB(?,T+dT)=?(?,T)MB(?,T)MB(?,T)+dMB(?,T)=?(?,T)1+dMB(?,T)MB(?,T)=?(?,T)11+FdTT(10)?(?,T)=
13、?(?,T)1+F(?,T)dTT(11)式中:因子 F(?,T)可由光谱辐射度公式导出。对该式求导数,便得dMB(?,T)=c1?-5(ec2/?T-1)-2ec2/?Tc2dT?T?T即dMB(?,T)MB(?,T)=ec2/?T?c2?Tec2/?T-1?dTT所以F(?,T)ec2/?T?c2?Tec2?T-1(12)从 F(?,T)dTT可估算出比较法测量材料法向发射率的不确定度。2?红外隐身效果外场测试2.1?用红外成像系统测量红外隐身效果外场测量是根据隐身方法来决(16)杨照金:光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座定的,如果采用隐身涂料减小目标与背景的温度差异,则可以通过热像仪测量
14、隐身保护目标涂覆隐身材料前后观测效果。测量装置如图 4 所示。图 4?红外隐身效果外场观测装置原理图?把隐身目标设置在一定观测距离,用红外成像系统观测,把同一距离、同一气象条件下的图像信息相比较,就得到涂覆隐身材料前后的差异,也即得到隐身效果。在指标测试方面,主要是从红外成像系统的探测能力出发,根据目标的特性和红外辐射在大气中传输的特点,找出实现目标红外隐身的条件。假设目标与背景的黑体等效温差为?T os,目标斑块间的黑体等效温差为?T o,当?Tos 增大时,目标与背景间的对比度增大,当?T o 增大时,目标各部分间的对比度增大。试验中测定在不同距离时?T os 与?T o 的变化阈值,?T
15、 os 与?T o 在多大范围内变化时,目标不被红外成像系统所探测到。首先将红外成像跟踪系统布设于实施隐身的模拟目标前方,选定某一距离,记录试验距离和初始时刻的目标与背景及目标各斑块的温度,使红外成像跟踪系统对选定空间范围内进行扫描搜索。若发现目标,调整试验距离,等待做下一次试验。若未发现目标,则对目标加热升温,直至红外成像跟踪系统发现并锁定目标,记录目标当前温度。待目标冷却后,对目标的不同斑块各自升温,直至红外热像仪识别并锁定目标,记录目标各斑块的温度。至此,1 次试验结束。然后可在几个不同距离上测试红外热像仪标称识别与跟踪距离,反复进行以上试验,对不同隐身的隐身效果进行评价。在综合评价方面
16、,观察红外成像系统对实施不同隐身目标的发现识别概率,从而对隐身效果做出评价。一种方法是将红外成像跟踪系统架设于海边,隐身模拟目标于海上同一距离移动,红外成像跟踪系统对选定海域进行搜索,在锁定目标后,人为使跟踪系统偏离目标,将系统的状态改为搜索状态,如此多次对模拟目标进行搜索探测,统计对目标的探测概率。然后使目标改变距离,在不同的距离上反复进行上述试验,进而评价目标隐身的效果。另一种方法是采用红外热像仪,在野外采集大量包含背景有关隐身目标的红外图像,然后组织有经验的人员对红外图像进行判读,或使用计算机数字图像处理技术对红外图像进行特征提取,找出合适的图像特征统计参数,目标与背景的数字统计特征参数
17、相差越大,目标隐身效果越差,据此对隐身效果做出评价。2.2?用红外光谱辐射计测量如果是通过降低目标尾部热量排放,控制发动机发热辐射等措施降低目标的可探测性能,则可以通过红外光谱辐射计测量采取隐身措施前后的光谱辐射强度。图 5 为采用色散棱镜红外分光光谱仪测量目标红外辐射原理图。目标辐射通过入射狭缝形成线光源,辐射光谱中每个小波段的辐射经过出射狭缝被接收系统接收;其中依靠色散棱镜与反射镜组合件的旋转,可以改变通过出射狭缝的波长;色散棱镜和出射狭缝用来选择特定的波长,它可以响应到极窄的波长范围的功率。图 5?色散棱镜红外分光光谱仪测量目标红外辐射原理图?从图5 可以看到,狭缝以上部分都属于红外光谱
18、辐射计,一般做成一个整体,放置在专用三角架上。测量时要选择合适的望远物镜,通过观察使目标成像在辐射计探测器上。3?红外隐身计量3.1?红外隐身计量应当开展的工作通过上面的介绍我们知道,红外隐身性能测杨照金:光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座(17)试涉及两方面的内容。对红外隐身材料主要是测量材料的发射率。对红外隐身效果外场测试,主要是通过红外热像仪观测隐身前后的图像变化,通过红外光谱辐射计测量采取隐身措施前后目标辐射特性的变化。以上两方面测试均有商品化仪器,各有关单位都在使用。从计量角度考虑,我们的主要任务一方面是建立高准确度测量装置,实现实验室和外场准确测量,另一方面,对测量装置进行校准和检
19、定,开展量值传递。所以,今后应当在如下几方面开展工作。1)建立高准确度材料发射率测量装置和校准装置,能够在室温到 300?温度范围内测量材料的法向发射率、半球发射率、积分发射率和光谱发射率,同时对发射率测量装置进行溯源。2)研制标准样品,经过标定后可对室温条件和变温条件下材料发射率测量装置进行校准。3)利用红外热像仪主要参数校准装置对外场测试用红外热像仪进行校准,确保外场评估数据的准确可靠。4)利用红外光谱辐射计校准装置对外场测试用红外光谱辐射计进行校准,确保外场评估数据的准确可靠。5)研制传递标准,对外场红外隐身效果测量装置进行校准,实现量值传递。6)跟踪国际红外隐身技术发展,研究红外隐身效
20、果评估新方法。3.2?红外发射率测量装置的溯源从发射率测量原理我们知道,发射率测量是以标准黑体为基准,通过与被测样品的比较求出材料的发射率。在实验室常温条件下的发射率测量是把经过标定的标准板作为基准,求出材料的发射率。因此,红外发射率测量装置的溯源归结为对标准黑体的校准和对标准板的校准。黑体辐射源的检定一般采用零平衡检定法。标准装置采用金属凝固点黑体作为最高标准,利用零平衡检定的方法,用金属凝固点黑体检定一级标准黑体,再用一级标准黑体检定下一级标准黑体。零平衡检定的工作原理如图 6 所示,光学辐射比对装置如图 7 所示。?标准黑体和被检黑体通过光学辐射比对装置进行辐射亮度比较,当两者辐射亮度完
21、全相等时,比对器显示仪表的指针指向零位。在开始检定被检黑体之前,用专用黑体严格调整两通道的平衡,以消除因两光学通道透过率不一致对检定不确定度的影响。比对装置的两个通道平衡后,就可将被检黑体和标准黑体分别放至被检通道和参考通道上进行比对测量,调整标准黑体的温度,使两通道再次达到平衡,即标准黑体与被检黑体的辐射亮度相等,根据已知的计算公式,就可以计算出被检黑体的等效温度或有效发射率。这种检定方法消除了因光学参数不一致对检定结果的影响。而且,影响两通道辐射亮度的参数是由装置的共用光栏和共用探测器确定的,不会对两黑体辐射亮度带来检定误差,达到了较高的检定准确度。其不确定度主要取决于对装置的调平衡技术的
22、掌握。这种比对的方法有两种工作方式。一种是用光谱选择性探测器(PbS,InSb,HgCdT e),计算被检黑体的等效温度(T e);另一种是用光谱平坦的探测器(LiTaO3),可计算被检黑体的有效发射率。我们选择后者。当达到平衡时,两通道辐射亮度相等,得到?AMb/?=?A Mg/?(13)Mb=Mg(14)式中:?为光学比对装置的孔径角;A 为光学比对(18)杨照金:光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座装置的采样斑面积;Mb为标准黑体的辐射出射度;Mg为被检黑体的辐射出射度。根据斯忒藩?波尔兹曼定律,得到:?b?T4b=?g?T4g(15)?g=?b?T4b/T4g(16)式中:?g为被检黑体
23、的有效发射率;?b为标准黑体的有效发射率;Tb 为标准黑体的温度;T g 为被检黑体的温度。参考文献:1?湖北省标准局.GB7286.1-1987金属与非金属材料法向发射率试验方法 S.北京:中国标准出版社,1987.2?湖北省标准局.GB7286.2-1987 金属与非金属材料光谱法向发射率试验方法 S.北京:中国标准出版社,1987.3?湖北省标准局.GB7287.9-1987 红外辐射加热器全法向发射率测量方法 S.北京:中国标准出版社,1987.4?湖北省标准局.GB7287.10-1987红外辐射加热器光谱法向发射率测量方法 S.北京:中国标准出版社,1987.5?李艳红,陈宏书,郑建龙,等.颜料粉体红外发射率的测试研究J.红外技术,2008,30(2):114?117.6?杨照金,范纪红,王雷.现代光学计量与测试 M.北京:北京航空航天大学出版社,2010:60?65;28?32.