CN105223229A - 一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台 - Google Patents

Abstract

一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，包括：支撑平台，提供各个组件的安装基础；保温装置，安装在支撑平台上的箱体，隔离红外透波窗口与外界环境，在箱体两端开设小孔；红外测量仪，测量面源黑体红外辐射及其穿过红外透波窗口的红外辐射；面源黑体，位于与红外测量仪相对的另一侧，通过保温装置箱体上的小孔向红外透波窗口和红外测量仪发射红外辐射；数据记录仪用于记录实验参数和测量结果；平台状态控制器用于控制红外透波窗口的温度和黑体温度、从数据记录仪获取数据以及计算红外透波窗口辐射传输特性。本发明直接测量高温状态下的红外透波窗口的透过率和自身热辐射，弥补了常规测量仅能给出低温或常温状态下红外透波窗口透过率的不足。

Description

一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台

技术领域

本发明提出的一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，主要应用在红外探测技术领域，特别是明显高于室温的红外透波窗口辐射传输特性测量。

背景技术

红外探测技术具有全天时被动工作、探测距离远、分辨率高、体积小功耗低等特点，广泛应用于测绘、遥感、军事等无人机光电探测系统。为了保证红外探测系统的安全和正常工作，需要安装红外透波窗口。凡温度高于零K的物体均向外发射红外辐射，这为红外探测技术的应用提供了基础条件，但是保护红外探测系统本身免于破坏的红外透波窗口也具备辐射传输特性，将影响了红外探测系统的性能。携带红外探测系统的无人飞行器在大气层高超音速飞行状态时，出现强烈的气动加热使红外透波窗口的温度上升。高温红外透波窗口不仅对远处目标的红外辐射形成衰减，导致目标探测信噪比降低，还产生强烈自身热辐射，极易导致红外探测器饱和，使其不能分辨来自目标的信号，降低红外探测系统的性能，甚至使其失效，制约了红外成像探测技术在高超音速领域的广泛应用。一些研究表明，红外透波窗口的温度越高，对红外探测系统性能的影响约严重。因此，准确获取高温状态的红外透波窗口透过率和自身热辐射等辐射传输特性参数，在评估红外透波窗口对红外探测系统性能的影响中变得尤为重要。

目前，公开报道的红外透波窗口辐射传输特性测量主要是常温状态测量，对应的测量平台主要由红外测量仪、面源黑体以及数据记录仪等组成，红外透波窗口处于红外测量仪、面源黑体之间，测量有、无红外透波窗口两种状态的面源黑体红外辐射，两者之比即为透过率，进而分析衰减系数，计算自身热辐射。由于常温状态下，红外透波窗口温度较为稳定，且自身热辐射小，满足自身热辐射为零的假设，这种测量平台可获得准确的结果，但是用于测量高温状态测量时，红外透波窗口自身热辐射迅速增强，自身热辐射为零的假设不成立，这将带来极大的试验误差，所以，现有测量平台不能测量出高温状态下的红外透波窗口透过率，更不能测量出高温状态下的红外透波窗口自身热辐射。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对红外窗口热辐射评估面临的红外窗口材料热辐射特性参数缺乏问题，发明了一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，用于测量高温状态下红外透波窗口的透过率和自身热辐射等辐射传输特性。

本发明的技术方案为：

一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，包括支撑平台、保温装置、红外测量仪、面源黑体、数据记录仪和平台状态控制器；

保温装置、红外测量仪、面源黑体安装于支撑平台上；

保温装置为箱体，箱体两端开设小孔，保温装置内有红外透波窗口的安装接口，隔离红外透波窗口与外界环境的直接热交换；

红外测量仪在保温装置外一侧，通过保温装置箱体上的小孔测量面源黑体的红外辐射或其穿透红外透波窗口的红外辐射；

面源黑体位于与红外测量仪相对的保温装置的另一侧，通过保温装置箱体上的小孔向红外透波窗口或红外测量仪发射红外辐射；

红外测量仪的探测视线、面源黑体辐射面中心的法线、保温装置两端小孔的中心连线三者重合；

数据记录仪用于记录实验参数和测量结果，实验参数包括面源黑体的温度T_b和红外透窗口的温度T，测量结果包括红外测量仪测量的在响应波段Δλ的红外辐射L_Δλ,obj和透过红外透波窗口的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

平台状态控制器用于：

控制红外透波窗口的温度T和面源黑体温度T_b；从数据记录仪获取数据；进行线性拟合，计算红外透波窗口在测量要求温度T、波段Δλ的辐射传输特性，包括透过率和自身热辐射拟合公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T;$

其中，L_Δλ,obj和L_Δλ,tot为在不同面源黑体温度T_b下的测量数据。

所述保温装置的箱体采用绝热材料制成。

所述保温装置的箱体内表面镀金属薄膜或铺设抛光金属箔。

所述红外测量仪采用红外辐射计或红外光谱仪或红外热像仪或红外光谱成像仪。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)平台状态控制器的线性拟合算法没有采用红外透波窗口自身热辐射为零的假设，使该平台可以用于红外透波窗口高温状态测量。

(2)本测量平台增加红外保温装置，测量过程中红外窗口温度下降缓慢，提高了高温状态测量结果的精度。

(3)本测量平台可用于测量高温状态的红外透波窗口辐射传输特性，不仅仅是透过率，还有自身热辐射。

附图说明

图1为本发明的红外透波窗口辐射传输特性测量平台的结构示意图。

图2为本发明的红外透波窗口辐射传输特性测量平台的使用方法流程图。

图3为本发明实施例中蓝宝石红外透波窗口测量数据线性拟合。

图4为本发明实施例中蓝宝石红外透波窗口的透过率示意图。

图5为本发明实施例中蓝宝石材料红外透波窗口的自身热辐射示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台。

参见图1，本发明的一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，包括支撑平台、保温装置、红外测量仪、面源黑体、数据记录仪和平台状态控制器。

1)支撑平台。提供各个组件的安装平台。

2)保温装置安装在支撑平台上，采用箱体结构，内部提供红红外透波窗口的安装，隔离红外透波窗口与外界环境的直接热交换，减少对流方式引起的热量损失，同时箱体采用绝热材料制成，减弱导热方式引起的热量损失，减缓红外透波窗口的温度下降速度，提高红外透波窗口辐射传输特性测量精度。

保温装置箱体内表面镀金属薄膜或铺设抛光金属箔，并在两端与测量光路交汇处开孔，在满足测量要求的前提下尽可能缩小开孔的直径，并加大两个孔的间距，减低高温红外透波窗口和外界环境、箱体内壁之间的辐射热交换，减少辐射方式引起的热量损失，减缓红外透波窗口的温度下降速度，提高红外透波窗口辐射传输特性测量精度。

3)红外测量仪，设置在保温装置箱体上两侧小孔中心控制的光路上，探测视线与光路重合，通过保温装置箱体上的小孔测量面源黑体的红外辐射或其穿透红外透波窗口的红外辐射；本实施例中采用高精度红外热像仪。

4)面源黑体，设置在保温装置箱体上两侧小孔中心控制的光路上，辐射面中心的法向与测量光路重合，位于与红外测量仪相对的另一侧，通过保温装置箱体上的小孔发射红外辐射；采用标准面源黑体。

5)数据记录仪用于记录实验参数和测量结果，实验参数包括面源黑体的温度T_b和红外透波材料平板试验件的温度T，测量结果包括红外测量仪测量的在波段Δλ的面源黑体红外辐射L_Δλ,obj和透过红外透波材料平板试验件的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

6)平台状态控制器用于：

控制红外透波材料平板试验件的温度T和面源黑体温度T_b；

从数据记录仪获取数据；

进行线性拟合，计算红外透波窗口在测量要求温度T、波段Δλ的透过率和自身热辐射拟合公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T;$

其中，L_Δλ,obj和L_Δλ,tot为在不同面源黑体温度T_b下的测量数据。

如图2所示，本发明的红外透波窗口辐射传输特性测量平台的使用步骤如下：

(1)将红外热像仪、面源黑体等组件依次安装到支撑平台上；数据记录仪和平台状态控制器放置于支撑平台上，也可以放置在其它地方。

(2)将保温装置分解，在保温装置内表面铺设抛光的铝箔，然后组合箱体，并根据红外热像仪的视场、保温装置尺寸和保温装置安装位置计算开孔直径，保温装置两端与测量光路交汇处开孔；

(3)将某红外探测系统的蓝宝石红外透波窗口分离出；

(4)将蓝宝石红外透波窗口放置在高温加热炉内，设定加热炉温度为测量要求温度T，等待加热炉达到设定温度后，保温一段时间(约30分钟)，使红外透波窗口整体温度均匀；

(5)调整蓝宝石红外透波窗口的辐射传输特性测量平台上面源黑体的温度到指定温度T_b，等待黑体温度稳定后，启动红外热像仪测量面源黑体在响应波段Δλ红外辐射L_Δλ,obj；

(6)从高温炉中取出蓝宝石红外透波窗口，并将其放置于红外透波窗口辐射传输特性测量平台的保温装置内；

(7)启动红外热像仪测量透过蓝宝石红外透波窗口在响应波段Δλ的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

(8)指定新的面源黑体温度T_b'，重复(4)～(7)，直到所有黑体温度测量完毕；

(9)计算蓝宝石红外透波窗口在温度T的光谱透过率和光谱自身热辐射根据同一测量要求温度T(100℃)下的不同黑体温度对应的一组测量数据，即面源黑体红外辐射L_Δλ,obj和透过红外透波窗口的面源黑体红外辐射L_Δλtot，采用最小二乘方法进行线性拟合，如图3，

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T.$

(10)指定新的测量要求温度T'，重复(4)～(9)，测量温度T'下的蓝宝石红外透波窗口的透过率和自身热辐射；

(11)最后给出不同温度下的蓝宝石红外透波窗口的透过率和自身热辐射。

如附图3、4、5所示为利用本发明的平台得到的实验结果，起到对比与验证的作用。

图3给出了蓝宝石红外透波窗口的温度为100℃时测量数据的线性拟合关系，斜率是红外透波窗口的透过率，与Y轴的交点是红外透波窗口的自身热辐射。

图4给出了蓝宝石红外透波窗口在温度范围100℃～350℃的透过率。

图5给出了蓝宝石红外透波窗口在温度范围100℃～350℃的自身热辐射。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种红外透波窗口辐射传输特性测量平台，其特征在于，包括支撑平台、保温装置、红外测量仪、面源黑体、数据记录仪和平台状态控制器；

保温装置、红外测量仪、面源黑体安装于支撑平台上；

保温装置为箱体，箱体两端开设小孔，保温装置内有红外透波窗口的安装接口，隔离红外透波窗口与外界环境的直接热交换；

红外测量仪在保温装置外一侧，通过保温装置箱体上的小孔测量面源黑体的红外辐射或其穿透红外透波窗口的红外辐射；

面源黑体位于与红外测量仪相对的保温装置的另一侧，通过保温装置箱体上的小孔向红外透波窗口或红外测量仪发射红外辐射；

红外测量仪的探测视线、面源黑体辐射面中心的法线、保温装置两端小孔的中心连线三者重合；

数据记录仪用于记录实验参数和测量结果，实验参数包括面源黑体的温度T_b和红外透窗口的温度T，测量结果包括红外测量仪测量的在响应波段Δλ面源黑体红外辐射L_Δλ,obj和透过红外透波窗口的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

平台状态控制器：控制红外透波窗口的温度T和面源黑体温度T_b；从数据记录仪获取数据；进行线性拟合，计算红外透波窗口在测量要求温度T、波段Δλ的辐射传输特性，包括透过率和自身热辐射拟合公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T.$

2.根据权利要求1所述的红外透波窗口辐射传输特性测量平台，其特征在于，所述保温装置的箱体采用绝热材料制成。

3.根据权利要求1所述的红外透波窗口辐射传输特性测量平台，其特征在于，所述保温装置的箱体内表面镀金属薄膜或铺设抛光金属箔。

4.根据权利要求1或2或3所述的红外透波窗口辐射传输特性测量平台，其特征在于，所述红外测量仪采用红外辐射计或红外光谱仪或红外热像仪或红外光谱成像仪。