CN115201117B - 一种超高温材料红外偏振特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外偏振测量技术领域，尤其涉及一种超高温材料红外偏振特性测量装置及方法，该装置包括加热模块、测温模块、成像测量模块和天顶弧轨道；加热模块用于从底部加热被测材料样品至预设温度；测温模块用于监测被测材料样品的顶部表面温度；成像测量模块设置在天顶弧轨道上，并能够沿天顶弧轨道移动，用于测量水平置于天顶弧轨道中心处的被测材料样品的顶部表面红外偏振特性；成像测量模块包括红外偏振成像测量仪和红外能量衰减单元，红外能量衰减单元用于调节红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度。本发明可获得超高温条件下被测材料的多角度红外偏振特性数据。
Description
技术领域
本发明涉及红外偏振测量技术领域，尤其涉及一种超高温材料红外偏振特性测量装置及方法、飞行器蒙皮材料测试方法。
背景技术
材料在红外波段的偏振特性取决于材料的化学成分和组成结构，能够反映材料的本征属性，为对材质成分的定性和定量分析、隐身材料设计和伪装评估等提供数据。高超声速飞行器表面通常都会包覆特殊性质的蒙皮材料。在飞行时，飞行器表面气动加热效应所产生的高温热辐射可能导致表面蒙皮材料的属性发生改变，从而使得红外辐射偏振特性的研究较为复杂。目前，现有关于材料红外偏振的研究大多数都是在室温环境下完成的，难以满足模拟飞行环境的飞行器蒙皮材料测试需求。
因此，针对以上不足，需要提供一种能够实现超高温材料红外偏振特性测量的技术手段。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种红外偏振特性测量装置及方法，用于实现超高温度条件下的材料表面红外偏振特性测量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种超高温材料红外偏振特性测量装置，包括：
加热模块、测温模块、成像测量模块和天顶弧轨道；
所述加热模块用于从底部加热被测材料样品至预设温度；
所述测温模块用于监测被测材料样品的顶部表面温度；
所述成像测量模块设置在所述天顶弧轨道上，并能够沿所述天顶弧轨道移动，用于测量水平置于所述天顶弧轨道中心处的被测材料样品的顶部表面红外偏振特性；所述成像测量模块包括红外偏振成像测量仪和红外能量衰减单元，所述红外能量衰减单元用于调节所述红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度。
可选地，所述加热模块包括激光器和激光整形器；
所述激光器通过光纤连接所述激光整形器，所述激光整形器用于将所述激光器出射的激光整形为均匀光斑，并以预设角度斜向照射至被测材料样品的底部。
可选地，所述激光器为连续输出的半导体激光器，激光输出功率可调节，最大输出功率为4000W，采用水冷方式进行制冷。
可选地，所述测温模块包括高温成像测温仪，用于实时获取被测材料样品的顶部表面温度分布特征。
可选地，所述红外偏振成像测量仪包括红外检偏器和制冷型红外热像仪；
所述红外检偏器设置在所述制冷型红外热像仪的镜头前端，用于调整入射所述制冷型红外热像仪的红外辐射偏振方向；
所述红外能量衰减单元设置在所述制冷型红外热像仪的镜头与红外焦平面阵列探测器之间；
所述制冷型红外热像仪用于拍摄不同偏振方向的红外强度图像。
可选地，所述红外能量衰减单元包括转轮和多个不同衰减程度的红外能量衰减片，各所述红外能量衰减片沿周向间隔设置在所述转轮上。
可选地，所述的超高温材料红外偏振特性测量装置还包括：控制模块；
所述控制模块与所述加热模块、所述测温模块、所述成像测量模块均连接；
所述控制模块用于根据用户输入指令确定预设温度，生成加热控制指令向所述加热模块发送，获取所述测温模块监测的被测材料样品顶部表面温度，生成调节控制指令和拍摄控制指令向所述所述成像测量模块发送，以及根据所述成像测量模块拍摄的3个不同偏振方向的红外强度图像，解算被测材料样品顶部表面的红外辐射偏振度；
所述加热模块响应加热控制指令，对被测材料样品进行加热；
所述成像测量模块响应调节控制指令，通过转动所述转轮，切换不同衰减程度的所述红外能量衰减片，响应拍摄控制指令，拍摄至少3个不同偏振方向的红外强度图像。
本发明还提供了一种超高温材料红外偏振特性测量方法，采用如上述任一项所述的超高温材料红外偏振特性测量装置实现，包括如下步骤：
将加工的被测材料样品水平置于所述天顶弧轨道的中心处；
从底部加热被测材料样品，并实时测量其顶部表面的温度，至被测材料样品达到预设温度；
调整所述成像测量模块的位置，测量不同角度下被测材料样品顶部表面的红外偏振特性。
可选地，所述调整所述成像测量模块的位置，测量不同角度下被测材料样品顶部表面的红外偏振特性，包括：
沿天顶弧轨道调整所述成像测量模块的位置，在观测方向与被测材料样品法向夹角0°～70°范围内，每间隔5°测量一次被测材料样品的红外偏振特性信息。
本发明还提供了一种飞行器蒙皮材料测试方法，包括：
采用飞行器蒙皮材料制作被测材料样品；
在室温至2500℃范围内，选取多个温度点作为预设温度；
采用如上述任一项所述的超高温材料红外偏振特性测量方法对飞行器蒙皮材料进行测试，获得不同温度对应的飞行器蒙皮材料多角度红外偏振特性数据。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种超高温材料红外偏振特性测量装置及方法、飞行器蒙皮材料测试方法，其中，该装置包括加热模块、测温模块、成像测量模块和天顶弧轨道，能够对被测材料样品进行加热，实现超高温度条件下材料表面多角度红外偏振特性测量，不仅有利于描述不同温度下材料表面完整的红外辐射偏振特性，而且可对材质分类、飞行器伪装性能评估和目标探测识别等领域的发展起到推动作用。
附图说明
图1是本发明实施例中一种超高温材料红外偏振特性测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例中一种成像测量模块结构示意图；
图3是本发明实施例中一种超高温材料红外偏振特性测量方法步骤示意图。
图中：1：激光器；2：光纤；3：激光整形器；4：被测材料样品；5：高温成像测温仪；6：天顶弧轨道；7：成像测量模块；71：红外检偏器；72：镜头；73：转轮；74：红外能量衰减片；75：红外焦平面阵列探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
材料的红外辐射偏振特性是其基础物理属性，容易受多种因素的影响，其中温度是重要的影响因素之一。如前所述，现有关于材料红外偏振的研究大多数都是在室温环境下完成的，对于高温条件下的中长波红外偏振特性则缺少相关的研究。临近空间高超声速飞行器表面通常都会包覆特殊性质的蒙皮材料，在飞行时，飞行器表面气动加热效应所产生的高温热辐射导致其表面材质的属性发生改变，从而使得红外辐射偏振特性的研究较为复杂。对于超高温度条件下材料红外辐射偏振特性进行测量，有助于更加清晰地认识红外辐射起偏机理。有鉴于此，本发明提供了一种红外偏振特性测量装置及方法，用于实现超高温度条件下的材料表面红外偏振特性测量。
下面描述以上构思的具体实现方式。
如图1所示，本发明实施例提供的一种超高温材料红外偏振特性测量装置，包括加热模块、测温模块、成像测量模块7和天顶弧轨道6。具体地，其中：
所述加热模块用于从底部加热被测材料样品4至预设温度；
所述测温模块用于监测被测材料样品4的顶部表面温度；
所述成像测量模块7设置在所述天顶弧轨道6上，并能够沿所述天顶弧轨道6移动，用于测量水平置于所述天顶弧轨道6中心处的被测材料样品4的顶部表面红外偏振特性；所述成像测量模块7包括红外偏振成像测量仪和红外能量衰减单元，所述红外能量衰减单元用于调节所述红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度，以避免所述红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度超过所述红外偏振成像测量仪的有效量程。
使用时，采用上述实施例提供的装置对被测材料样品4进行测量，被测材料样品4的具体尺寸可以根据实际需要设计，优选厚度不要过大，以免受热不均，例如被测材料样品4的厚度优选不超过2mm，将加工后的被测材料样品4置于所述天顶弧轨道6中心处，即可利用沿所述天顶弧轨道6移动的所述成像测量模块7对被测材料样品4的顶部表面红外偏振特性进行多角度测量。本发明中的方位词“顶”、“底”是指相对于地面的方位，顶部即相对远离地面的一侧，底部即相对靠近地面的一侧。沿竖直方向设置天顶弧轨道6而令被测材料样品4水平放置，有利于调整被测材料样品4及观测偏振测量角度，并且，从底部进行加热、从顶部进行测量，能够确保被测材料样品4整体受热均匀。通过所述成像测量模块7测量3个不同偏振方向的红外强度图像，即可解算出被测材料样品4的红外偏振信息(也即红外辐射偏振度)，采用红外偏振成像测量则能够获得被测材料样品4表面的红外辐射偏振度分布情况，若出现温度场均匀而红外辐射偏振度分布不均，则表明被测材料样品4的属性可能发生了变化。
可选地，如图1所示，所述加热模块包括激光器1和激光整形器3；所述激光器1通过光纤2连接所述激光整形器3，所述激光器1用于提供激光，所述激光整形器3用于将所述激光器1出射的激光整形为均匀光斑，并以预设角度斜向照射至被测材料样品4的底部。
上述实施例采用激光器1产生高能激光，对被测材料样品4进行加热，激光易于调控，且加热过程中无需与被测材料样品4进行接触，对被测材料样品4引入的干扰较少。通过激光整形器3得到均匀光斑，光斑尺寸应大于被测材料样品4尺寸，以确保对被测材料样品4整体均匀加热，避免引入局部过热导致材料形变等干扰。光斑以预设角度斜向照射被测材料样品4的底部，加热模块不位于被测材料样品4的底部正下方，可避免温度过高出现烧蚀时材料残渣掉落在所述加热模块上。
进一步地，考虑到斜向照射的激光与被测材料样品4法向夹角过大可能引起光斑加热不均，过小则仍不能避免烧蚀残渣掉落的风险，所述激光整形器3用于将所述激光器1出射的激光整形为均匀光斑，并以预设角度斜向照射被测材料样品4的底部，所述预设角度的范围优选为与被测材料样品4的法向夹角5°～15°。
可选地，所述激光器1为连续输出的半导体激光器，激光输出功率可调节，最大输出功率为4000W，采用水冷方式进行制冷。
大功率的半导体激光器可提供的温度动态范围广，能够将被测材料样品4的温度加热至超高温(1000℃及以上)水平，例如可覆盖室温至2000℃范围内的温度调控。
可选地，所述测温模块包括高温成像测温仪5，用于实时获取被测材料样品4的顶部表面温度分布特征。
上述实施例采用高温成像测温仪5获取被测材料样品4顶部表面温度分布数据，结合所述成像测量模块7所测量的被测材料样品4顶部表面红外偏振特性分布数据，能够更全面地反映被测材料样品4的顶部表面的温度与红外辐射偏振度的对应关系，进而用于分析被测材料的属性。
进一步地，高温成像测温仪5斜向监测被测材料样品4顶部表面，监测方向优选为与被测材料样品4的法向夹角5°～15°，以便准确测量温度分布数据，且不影响所述成像测量模块的观测。
可选地，如图2所示，所述红外偏振成像测量仪包括红外检偏器71和制冷型红外热像仪；所述红外检偏器71设置在所述制冷型红外热像仪的镜头72前端，即更靠近红外辐射的一端，所述红外检偏器71用于调整入射所述制冷型红外热像仪的红外辐射偏振方向；
所述红外能量衰减单元设置在所述制冷型红外热像仪的镜头72与红外焦平面阵列探测器75之间，用于衰减进入红外焦平面阵列探测器75的红外辐射强度；
所述制冷型红外热像仪用于拍摄不同偏振方向的红外强度图像。
上述实施例中，红外检偏器71设置在所述制冷型红外热像仪的镜头72前端，以改变入射至镜头72的红外辐射的偏振方向，镜头72具有汇聚作用，有利于获得更为完整的红外辐射信息，而所述红外能量衰减单元设置在所述制冷型红外热像仪的镜头72与红外焦平面阵列探测器75之间，不影响镜头72汇聚效果，只衰减进入红外焦平面阵列探测器75的红外辐射强度，可起到保护红外焦平面阵列探测器75的作用。采用这样的方式可以测量温度变化范围较大的目标。
进一步地，如图2所示，所述红外能量衰减单元包括转轮73和多个不同衰减程度的红外能量衰减片74，各所述红外能量衰减片沿周向间隔设置在所述转轮上。
被测材料样品4的温度越高，其表面的红外辐射强度越大，越需要衰减程度高的红外能量衰减片74来确保红外焦平面阵列探测器75接收到的红外辐射不超出有效量程。通过转轮73调节不同衰减程度的红外能量衰减片74遮挡在镜头72与红外焦平面阵列探测器75之间，适配不同的温度区间，可令该装置的可测温度范围进一步扩大。具体的衰减程度以及红外能量衰减片74数目可根据实际需要设置。可选地，如图2所示，转轮73上可设置至少4个可切换的、不同衰减程度的红外能量衰减片74以适配不同的温度区间。各红外能量衰减片74沿转轮73周向间隔排列，间隔区域的材质优选为不透光材料，能够避免旋转切换红外能量衰减片74的过程中过量红外辐射进入红外焦平面阵列探测器75，降低红外焦平面阵列探测器75被烧毁的风险。
进一步地，所述超高温材料红外偏振特性测量装置还包括控制模块；所述控制模块与所述加热模块、所述测温模块、所述成像测量模块7均连接；
所述控制模块用于根据用户输入指令确定预设温度，生成加热控制指令向所述加热模块发送，获取所述测温模块监测的被测材料样品4顶部表面温度，生成调节控制指令和拍摄控制指令向所述所述成像测量模块7发送，以及根据所述成像测量模块7拍摄的3个不同偏振方向的红外强度图像，解算被测材料样品4顶部表面的红外辐射偏振度；
所述加热模块响应加热控制指令，对被测材料样品4进行加热；
所述成像测量模块7响应调节控制指令，通过转动所述转轮73，切换不同衰减程度的所述红外能量衰减片74，实现调节红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度，所述成像测量模块7响应拍摄控制指令，拍摄至少3个不同偏振方向的红外强度图像。
上述实施例中，该装置包括控制模块，可由控制模块对其他模块进行管理，以实现自动化的测量，获取红外偏振特性测量结果。
如图3所示，本发明还提供了一种超高温材料红外偏振特性测量方法，采用如上述任一项实施例所述的超高温材料红外偏振特性测量装置实现，包括如下步骤：
步骤300，将加工的被测材料样品4水平置于所述天顶弧轨道6的中心处；
步骤302，从底部加热被测材料样品4，并实时测量被测材料样品4顶部表面的温度，至被测材料样品4达到预设温度；
步骤304，调整所述成像测量模块7的位置，测量不同角度下被测材料样品4顶部表面的红外偏振特性。
采用上述实施方式，能够获取被测材料样品4在特定温度下的多角度红外偏振信息，也即红外辐射偏振度分布情况。
需要说明的是，若还需获得更多温度点对应的多角度红外偏振信息，改变预设温度，重复步骤302和步骤304即可实现。
进一步地，所述步骤304包括：
沿所述天顶弧轨道6调整所述成像测量模块7的位置，在观测方向与被测材料样品4法向夹角0°～70°范围内，每间隔5°测量一次被测材料样品4的红外偏振特性信息。观测方向与被测材料样品4法向夹角0°，即，所述成像测量模块7位于被测材料样品4的正上方，所述成像测量模块7的视场角正对被测材料样品4顶部表面。
可选地，所述超高温材料红外偏振特性测量方法还包括：
输出对应温度及不同角度下被测材料样品4顶部表面的红外偏振特性测量结果。
上述实施例中，测量结果可以表格数据的方式输出，也可以绘制为图像输出，以便后续分析材料属性，或研究偏振特性。
本发明还提供了一种飞行器蒙皮材料测试方法，包括：
采用飞行器蒙皮材料制作被测材料样品4；
在室温至2500℃范围内，选取多个温度点作为预设温度；
采用如上述任一项实施例所述的超高温材料红外偏振特性测量方法对飞行器蒙皮材料进行测试，获得不同温度对应的飞行器蒙皮材料多角度红外偏振特性数据。
采用上述方式，能够模拟飞行过程中的环境，对飞行器蒙皮材料进行测试，可用于检验飞行器蒙皮材料的性能，分析飞行器蒙皮材料在飞行环境下的属性变化。
综上所述，本发明提供了一种超高温材料红外偏振特性测量装置及方法、飞行器蒙皮材料测试方法，令激光器产生的高能激光经过光纤传输至激光整形器，将高能激光整形成均匀的光斑以一定角度照射至样品底部，对样品进行加热，在样品表面形成能量均匀的可控温度场，利用高温成像测温仪实时获取样品表面的温度分布特征，红外偏振成像测量仪放置在天顶弧轨道上，测量样品表面在特定温度下的多角度红外偏振信息。本发明可测量温度动态范围广，可覆盖室温～2000℃范围内的材料表面温度调控；红外偏振成像测量仪可以实现大动态角度范围的红外偏振特性测量；且装置结构更加简洁、便携，方便快速调整。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种超高温材料红外偏振特性测量装置，其特征在于，包括：
加热模块、测温模块、成像测量模块和天顶弧轨道；
所述加热模块用于从底部加热被测材料样品至预设温度；
所述测温模块用于监测被测材料样品的顶部表面温度；
所述成像测量模块设置在所述天顶弧轨道上，并能够沿所述天顶弧轨道移动，用于测量水平置于所述天顶弧轨道中心处的被测材料样品的顶部表面红外偏振特性；所述成像测量模块包括红外偏振成像测量仪和红外能量衰减单元，所述红外能量衰减单元用于调节所述红外偏振成像测量仪探测到的红外辐射强度；
其中，所述加热模块包括激光器和激光整形器；
所述激光器通过光纤连接所述激光整形器，所述激光整形器用于将所述激光器出射的激光整形为均匀光斑，并以预设角度斜向照射至被测材料样品的底部；所述预设角度的范围为与被测材料样品的法向夹角5°～15°；
所述测温模块包括高温成像测温仪，用于实时获取被测材料样品的顶部表面温度分布特征；所述高温成像测温仪斜向监测被测材料样品顶部表面，监测方向为与被测材料样品的法向夹角5°～15°；
被测材料样品的厚度不超过2mm。
2.根据权利要求1所述的超高温材料红外偏振特性测量装置，其特征在于：
所述激光器为连续输出的半导体激光器，激光输出功率可调节，最大输出功率为4000W，采用水冷方式进行制冷。
3.根据权利要求1所述的超高温材料红外偏振特性测量装置，其特征在于：
所述红外偏振成像测量仪包括红外检偏器和制冷型红外热像仪；
所述红外检偏器设置在所述制冷型红外热像仪的镜头前端，用于调整入射所述制冷型红外热像仪的红外辐射偏振方向；
所述红外能量衰减单元设置在所述制冷型红外热像仪的镜头与红外焦平面阵列探测器之间；
所述制冷型红外热像仪用于拍摄不同偏振方向的红外强度图像。
4.根据权利要求3所述的超高温材料红外偏振特性测量装置，其特征在于：
所述红外能量衰减单元包括转轮和多个不同衰减程度的红外能量衰减片，各所述红外能量衰减片沿周向间隔设置在所述转轮上。
5.根据权利要求4所述的超高温材料红外偏振特性测量装置，其特征在于，还包括：控制模块；
所述控制模块与所述加热模块、所述测温模块、所述成像测量模块均连接；
所述控制模块用于根据用户输入指令确定预设温度，生成加热控制指令向所述加热模块发送，获取所述测温模块监测的被测材料样品顶部表面温度，生成调节控制指令和拍摄控制指令向所述所述成像测量模块发送，以及根据所述成像测量模块拍摄的3个不同偏振方向的红外强度图像，解算被测材料样品顶部表面的红外辐射偏振度；
所述加热模块响应加热控制指令，对被测材料样品进行加热；
所述成像测量模块响应调节控制指令，通过转动所述转轮，切换不同衰减程度的所述红外能量衰减片，响应拍摄控制指令，拍摄至少3个不同偏振方向的红外强度图像。
6.一种超高温材料红外偏振特性测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-5任一项所述的超高温材料红外偏振特性测量装置实现，包括如下步骤：
将加工的被测材料样品水平置于所述天顶弧轨道的中心处；
从底部加热被测材料样品，并实时测量其顶部表面的温度，至被测材料样品达到预设温度；
调整所述成像测量模块的位置，测量不同角度下被测材料样品顶部表面的红外偏振特性。
7.根据权利要求6所述的超高温材料红外偏振特性测量方法，其特征在于，
所述调整所述成像测量模块的位置，测量不同角度下被测材料样品顶部表面的红外偏振特性，包括：
沿天顶弧轨道调整所述成像测量模块的位置，在观测方向与被测材料样品法向夹角0°～70°范围内，每间隔5°测量一次被测材料样品的红外偏振特性信息。
8.一种飞行器蒙皮材料测试方法，其特征在于，包括：
采用飞行器蒙皮材料制作被测材料样品；
在室温至2500℃范围内，选取多个温度点作为预设温度；
采用如权利要求6或7任一项所述的超高温材料红外偏振特性测量方法对飞行器蒙皮材料进行测试，获得不同温度对应的飞行器蒙皮材料多角度红外偏振特性数据。
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