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，紅外成像技術在軍事領域得到了廣泛應用，大幅提高了作戰平臺的全天時綜合作戰性能。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行了測試，利用測量值對加裝紅外窗口后的紅外測量結果進行了修正，從客觀上提高了測試結果的準確性，提高了測試結果的可信度。

紅外窗口整流罩透過率輻射

1　引言

近年來，紅外成像技術在軍事領域得到了廣泛應用，大幅提高了作戰平臺的全天時綜合作戰性能。然而， 裝有紅外傳感器的軍用平臺通常都在惡劣的環境中工作，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，即使具有低發射率的窗口也會產生高的背景輻射通量而導致紅外探測系統靈敏度降低，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。

紅外窗口既要保護紅外測量裝置不受外界環境損傷， 又要保證不降低其光學性能。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，就可以使得內部加裝的紅外測量設備最大限度地得到目標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行了測試，并對測試結果進行了相互驗證，給出了整流罩輻射修正后的測量結果及誤差分析。

2　紅外窗口透過率分析

對于結構如圖1所示的紅外測量裝置來說，根據能量傳遞關系，到達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部的能量［3］。當熱像儀鏡頭緊貼整流罩窗口安裝時，整流罩反射吊艙內部的能量即可忽略。這樣，到達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，保證結果的準確性，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由熱像儀響應的輻射得到。

通過設置多個黑體源溫度，記錄相應的整流罩及熱像儀的響應，對多個點取平均值進而給出窗口透過率結果，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果確認，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，選擇合適的調制頻率對黑體響應進行調制，得到PL（λ），取得黑體響應后，將窗口放置在調制黑體前，得到窗口響應L（λ），通過公式（3）計算得到得出透過率的光譜分布結果。（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果同窗口出廠檢測結果對比可知，兩種測量方法得到的窗口透過率測量結果均可靠有效。

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，對紅外輻射結果進行修正，將整流罩的影響進行修正消除以后，得到的誤差分析結果如表2所示。

表1　長波（8-9.4um）紅外窗口測試結果表

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，滿足使用要求，窗口透過率測量結果以及修正結果均得到了有效驗證。

4　結論及應用

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，并利用測量結果對黑體進行了修正校驗以及結果分析，通過對整流罩輻射特性的修正，能夠還原目標自身的輻射能量，從客觀上提高了測試結果的準確性，進一步縮減了測量誤差。

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

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

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