材料紅外光譜輻射特性測試方法

張 冰，孟 鑫，劉 磊，李志增

（中電科儀器儀表有限公司，山東 青島266555）

近年來，隨著科學技術的發展，材料特性測試成為材料性能評估的重要技術。光譜信息是重要的光學特性參量，具有“指紋”效應，通過測試材料的光譜輻射特性，能夠反演材料的發射率、計算材料的光學觀測窗口以及測試涂層的損傷等。

本文研究了一種利用標準黑體、紅外光譜輻射計測試材料在紅外寬譜段內發射光譜和鏡面反射光譜特性的方法。其中，紅外光譜輻射計可對目標的紅外光譜輻射特性進行準確測定。在飛機、艦船與坦克等裝備的紅外隱身性能測試中，需要紅外光譜輻射計對這些目標的紅外光譜輻射進行準確測試，以評估其隱身效能；在紅外誘餌彈與紅外煙幕彈的研制開發過程中，需要紅外光譜輻射計對其紅外光譜輻射進行準確測試，以判斷其迷惑敵方紅外制導武器的能力[1]；在紅外隱身材料的研究與保障過程中，需要紅外光譜輻射計對其不同條件下的紅外光譜輻射進行準確測試，評估并保障其隱身效能；另外，在紅外目標模擬器的校準與計量過程中，目標背景與大氣傳輸特性研究過程中等，都需要用紅外光譜輻射計對其環境與目標的紅外光譜輻射特性進行準確測定[2]。

1 測試儀器基本原理

1.1 紅外光譜輻射計

紅外光譜輻射計是材料紅外光譜輻射特性測試的核心儀器，光譜輻射分光方法主要有光柵分光、漸變濾光片分光和傅里葉分光3 種方式。其中，光柵分光方式對目標輻射損失較大，不利于微弱目標信號測試。另外，其分光波段有限，難以覆蓋寬紅外波段分光；傅里葉分光方式采用干涉式分光，對光路穩定性要求較高，且有運動掃描機構，環境適用性差；漸變濾光片分光方式結構簡單，可靠性高，可覆蓋2～14 μm 波段輻射分光，通過該方式分光測試速度快、穩定性好、輻射損失小。

本文采用漸變濾光片型紅外光譜輻射計進行測試[3]，其基本原理如圖1 所示，主要包括入射鏡頭、分光單元、探測器、信號處理運算模塊等部分。首先通過大口徑紅外入射鏡頭收集盡可能多的目標紅外輻射；通過會聚光路后采用漸變濾光片分光方式；分光后通過紅外探測器進行時域或空間探測，獲得不同波長處強度信息。光路設計方案如圖1 所示，入射鏡頭采用卡塞格林反射式結構，主鏡和次鏡均鍍金膜，該反射式結構體積小，容易實現大口徑制作，寬紅外波段反射率高，沒有色差，是較為理想的會聚結構；會聚過程中通過斬光器對入射輻射進行斬光，將連續輻射轉化為脈沖輻射，在會聚焦點處，通過可變光闌控制視場；對于分光單元，根據漸變濾光片不同位置處透過不同波長的特性，要提高光譜分辨率，必須盡量縮小入射光斑，因此，漸變濾光片必須位于焦點處，但由于光闌與漸變濾光片實際結構及其固定架結構限制，無法同時置于焦點附近，因此，需再一次對輻射進行聚焦才能完成漸變濾光片分光；同樣原理，由于探測器光敏面的限制，需對分光后的輻射重新聚焦后匯聚到探測器上進行探測。

圖1 漸變濾光片型紅外光譜輻射計原理圖

由于入射鏡頭調焦的需要，卡塞格林鏡頭的主鏡和次鏡均采用非球面鏡，通過調整它們之間的距離來完成調焦，透鏡采用鍍寬紅外波段增透膜的ZnSe，反射鏡均鍍金膜，反射率高，化學穩定性好。

漸變濾光片型紅外光譜輻射計采用漸變濾光片來完成目標寬紅外波段的分光，漸變濾光片采用在帶狀基底上真空蒸鍍光學干涉膜得到，其厚度隨位置呈線性變化，大大提高了光譜分辨率，但這也對鍍膜技術提出了更高的要求。其光譜透過特性隨著濾光片的表面位置在一定方向上呈線性漸變，透過的波長與漸變濾波片的位置是線性對應關系，隨著漸變濾波片的轉動，輻射的波長在最大值和最小值之間掃描。漸變濾光片橫截面如圖2 所示。

圖2 漸變濾光片橫截面示意圖

對于線性漸變濾光片，線性色散系數的定義為：

式（1）中：λstart和λend分別為線性濾光片的起始工作波長和終止工作波長；dstart和dend分別為線性漸變濾光片的起始工作位置和終止工作位置。

對于線性漸變長波通濾光片，由于其通帶范圍只受材料透過范圍的限制，在設計和制備上不存在較大的問題。而對于線性漸變短波通濾光片和線性漸變帶通濾光片，由于受高級次截止帶的影響，其終止工作波長λend和起始工作波長λstart的比值一般小于2∶1。

1.2 黑體輻射源

黑體是材料紅外光譜輻射特性測試的必備儀器，整機工作原理如圖3 所示。

圖3 整機工作原理框圖

主機主要包括溫度控制系統和嵌入式計算機控制系統。面源黑體輻射源的溫度通過放在輻射頭內的鉑電阻溫度傳感器采集輸入主機。溫度控制系統首先利用測溫模塊通過測量鉑電阻的線性化電阻完成對輻射溫度的測量，線性化測量是由鉑電阻適配器板上的電阻橋電路完成的。在鉑電阻適配器板上由于溫度變化產生的電壓梯度約為10 mV/℃，然后高分辨率的模數轉換器將這些輸入數字化，送入主控制器的微處理器準備輸出。溫度測量中克服溫漂非常重要，可以通過微處理器用增益和偏移修正的辦法來補償。可以通過界面的菜單實現輻射溫度的設定，處理器根據設定的溫度值及溫度傳感器（Pt100）反饋回來的實際溫度值進行比較和計算，找出調節量，由A/D 轉換器轉換成數字信號后送到控制CPU，CPU 經處理后發出指令，溫度控制電路運用模糊PID參數控制交流電壓負反饋模塊，從而利用單相交流調壓模塊控制輸出到黑體輻射板加熱電阻絲上的電壓，通過電壓幅度的調節實現對黑體輻射源的加熱功率的控制，從而實現對黑體溫度的控制。

面源黑體輻射源實現溫度控制的基本過程是：處理器通過比較設定的溫度值與溫度傳感器（Pt100）反饋回來的實際溫度值，采用模糊PID 參數控制技術，對繞制在黑體輻射板上的電熱絲進行功率控制，使實測溫度逐漸接近設定溫度。嵌入式計算機控制系統應用程序設計了溫度數據采集處理顯示以及參數設定、溫度校正等功能。除了儀器使用儀器面板上的按鍵外，用戶也可外接鼠標鍵盤進行操作；外部接口支持用戶通過RS232 對儀器遠程控制。

理想黑體輻射源內部的溫度場為均勻等溫場，而實際的面源由于加熱的不均勻、外界環境影響以及加工精度等原因造成了內部溫度場是具有溫度梯度的不均勻場。這一原因使得面源黑體的有效發射率隨溫度分布和波長變化而變化。因此，應該采取黑體輻射板溫度均勻性控制技術，使面源黑體輻射板的溫度盡可能均勻，使其接近理想黑體的溫場，從而提高面源黑體輻射源的性能。

面源黑體輻射板采用一定厚度的熱容板（鋁板）作為熱量緩沖和均衡的介質，通過傳熱達到輻射面溫度均勻的目的。在加熱裝置進行加熱時，鋁板會先存儲熱量，并傳導熱量到另一面。熱量在鋁板內部半個空間角傳遞，所以鋁板越厚其到達另一面的溫度就越均衡，但是，當鋁板溫度與所設定的溫度有差別時，需要調整的時候就會很困難，因為鋁板的厚度越大，其對熱量的慣性就會越大。對于加熱功率和冷卻功率一定的系統來說，慣性大的熱系統，改變其溫度的時間就會越長。鋁板的厚度從不同的兩方面影響輻射源的溫度均勻性，因此應該選擇適當的鋁板厚度，從而使輻射源預熱的時間在恰當的范圍內。

2 測試方案

2.1 發射光譜測試

樣板發射光譜特性測試系統包括紅外光譜輻射計、面源黑體、加熱器、溫度測試儀等設備，測試流程如下。

利用紅外光譜輻射計測試設定溫度條件下面源黑體的光譜輻射數據，測試過程中首先利用紅外光譜輻射計的觀瞄系統對面源黑體進行對焦，保證測試輻射光譜數據來源黑體。測試前面源黑體需要在設定的溫度處穩定30 min，測試面源黑體如圖4 所示。

利用加熱器將待測材料加熱至相同的溫度，期間不斷用接觸式溫度測試儀進行溫度監控，控制加熱器，將待測材料溫度穩定在所設定的溫度。

加熱和溫度監控系統如圖5 所示。

圖4 面源黑體校準源

圖5 材料加熱與測溫系統

利用紅外光譜輻射計測試待測材料在設定溫度條件下的發射光譜輻射數據，測試時應保證測試距離與黑體測試距離相同，且利用紅外光譜輻射計的觀瞄系統對待測材料進行瞄準。

為全方面檢測材料特性，可以將面源黑體溫度設定到不同溫度，將待測材料加熱相同待測溫度，重復上述步驟，分別測試黑體和材料在不同溫度條件下的發射光譜輻射數據。

2.2 反射光譜測試

樣板反射光譜特性測試系統包括紅外光譜輻射計、面源黑體、碳硅棒光源、溫度測試儀、鍍金反射鏡等，測試流程如下。

利用紅外光譜輻射計測試設定溫度條件下面源黑體經過鍍金反射鏡的光譜輻射數據，測試過程中首先利用紅外光譜輻射計的觀瞄系統對面源黑體進行對焦，保證測試輻射光譜數據來源黑體。測試前面源黑體需要在設定溫度處穩定30 min，如圖6 所示。

圖6 面源黑體反射紅外光譜輻射

將待測材料放置在反射鏡前方，利用紅外光譜輻射計測試待測材料反射黑體的光譜輻射數據，如圖7 所示。

將面源黑體溫度設定到不同的溫度，重復上述步驟，分別測試黑體和材料在不同溫度條件下的鍍金反射鏡及材料的光譜輻射數據。該測試能夠實現對材料鏡面反射紅外光譜特性的測試。

圖7 待測材料反射面源黑體輻射光譜

3 結束語

本文主要描述了一種材料紅外光譜輻射特性測試方法，利用面源黑體、紅外光譜輻射計、加熱系統、溫度測試儀等設備，測試不同溫度條件下黑體與材料的紅外光譜輻射譜，通過比較可以表征材料在不同紅外波段的發射光譜特性；測試不同溫度條件下鍍金反射鏡與材料的對統一位置黑體反射的紅外光譜輻射譜，通過比較可以表征材料在不同紅外波段的鏡面反射光譜特性。材料光譜輻射特性測試系統主要用于對材料的光譜輻射信息進行測試，獲取材料在紅外波段的光譜輻射數據，并依據光譜輻射信息對材料的物理特性進行分析，評估材料的性能。