吊舱整流罩自身红外辐射对目标测试的影响

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摘 要 结合某吊舱加装红外热像仪的使用，基于红外热像仪测试目标辐射亮度、辐射强度的功能，提出了在目标红外辐射特性测试中扣除整流罩影响的方法，并在实验室利用黑体、整流罩、长波红外热像仪，测试了整流罩的波段透过率，给出了某吊舱扣除整流罩影响的修正公式，并在型号测试中应用，取得了良好的效果。

关键词 整流罩；透过率；目标红外辐射特性

中图分类号：V520.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0074-02

利用机载红外测量吊舱对空中目标进行测试时，通常在红外测试设备前端增加整流罩，一方面用于保护吊舱中的红外设备在飞行时不被破坏；另一方面测量吊舱加装整流罩后，拓宽了吊舱在空中的飞行包线，利于对空中目标不同状态的特性进行测试。某机载红外测量吊舱内部加装红外热像仪，头部加装ZnS材料制成的整流罩，红外热像仪获取的能量是整流罩自身的热辐射和目标透过整流罩的能量，因此，在后续数据处理中需消除整流罩自身辐射的影响，还原目标的辐射能量。本文提出了一种便于工程中采用的方法，通过测试整流罩的波段透过率和整流罩的温度，来修正整流罩对目标辐射能量的影响。

1 整流罩辐射对目标红外测试的影响

对于某型红外测量吊舱，其结构如图1所示，根据能量传递关系，到达热像仪的红外辐射能量由三部分组成，分别为：透过整流罩的目标和背景等辐射能量；整流罩自身辐射的能量，整流罩反射吊舱内部的能量。因此通过红外测量吊舱进行目标红外辐射特性测试时，目标的辐射能量将叠加整流罩的辐射、整流罩反射吊舱内部的能量，将影响到对目标红外辐射特性的测试，如图2所示，热像仪直接测试黑体和热像仪镜头前用整流罩遮挡再测试黑体，从图2的黑线可以看出，直接测试黑体，热像仪得出的辐射温度和黑体设置一致；从图2的红外线可以看出热像仪镜头前用整流罩遮挡，热像仪测试得出的辐射温度和黑体的设置温度存在差异，整流罩自身热辐射叠加到目标的热辐射中，如果用该辐射温度当作目标的辐射温度，将会对结果带来误差，影响对目标的测试，需将整流罩辐射和反射的影响消除，还原目标的辐射能量。对于整流罩反射吊舱内部的能量，由于热像仪紧挨整流罩，如图3所示，这样避免了吊舱的能量通过整流罩的反射到达热像仪，整流罩反射吊舱内部的能量在工程测试中可忽略[1]。基于此，根据红外物理学的相关原理，辐射到热像仪的能量可表达为式（1）。

（1）

其中，Lm――热像仪直接测得的辐射亮度；

Lt――目标及背景的辐射亮度；

Lf――整流罩自身的辐射亮度；

τ――整流罩透过率；

ε――整流罩发射率。

对式（1）进行转化，得到式（2）

（2）

通过测量Lm、Lf、τ、ε四个参数就可将整流罩的影响消除，对于消除整流罩影响的四个参数具体的测试方法见下文叙述。

图1 红外测量吊舱基本结构示意图

（虚线代表无整流罩的测温结果，实线表示带整流罩的测温结果）

图2 整流罩对辐射测温的影响

图3 热像仪与整流罩安装布局示意图

2 测试方法

2.1 整流罩透过率的测试方法

根据红外物理学的基本原理，当外来辐射入射到物体表面时，将出现反射（ρ）、吸收（α）和透射（τ）三种过程，根据能量守恒定律，三种能量的百分比满足ρ+α+τ=1，同时基于基尔霍夫定律物体的发射率等于吸收率这一基本概念[2]，以及结合红外测量吊舱的实际使用，可忽略整流罩对吊舱的反射，则整流罩的发射率和透过率近似满足式（3）的关系。

（3）

因此，通过测试整流罩的透过率，就可以计算整流罩的发射率，从而修正整流罩在红外测试中的影响。课题组设计了如图4所示的光路，利用长波红外热像仪测试整流罩的波段透过率，具体试验步骤分为两步：第一步测试黑体的辐射能量，如图4中的a）所示；第二步将整流罩放在黑体前方，如图4中的b）所示，测试透过整流罩的黑体辐射能量。

a）

b）

图4 测试光路

2.2 整流罩表面温度测试方法

整流罩的红外辐射是通过测量整流罩的表面温度，利用普朗克公式计算得到整流罩的红外辐射能量。本项目中，整流罩表面布置了三个测温传感器，三个测温传感器的分布如图5所示，将三个温度传感器获取的数据取平均，作为整流罩的表面温度。

图5 温度传感器在整流罩表面的分布示意图

3 试验数据及处理

在本次试验中，实验室的温度通过空调进行适当恒温，进行了环境温度约在16℃、19℃和23℃三个温度，依据图3的测试光路，测试了黑体温度从4℃～48℃下的辐射特性。根据本文提出的公式（2）和公式（3），可以得到式（4）。

（4）

其中，式（4）中Lt和Lm由长波红外热像仪测试的辐射温度经普朗克公式转化后给出，Lf由测得的整流罩表面温度，通过普朗克公式积分后给出，则由式（4）可以计算出整流罩的波段透过率，具体的计算结果见图6所示，对计算获得的透过率取平均值为0.79998，则根据公式（3）整流罩的波段发射率为0.20002，公式（2）可表示为

（5）

利用式（5）就可将整流罩在空中目标测试过程的影响消除，还原目标自身的辐射能量，同时从图6可以看出，环境温度的变化对整流罩透过率的影响较小，相关资料也有表述在8?m～9.5?m波段内，CVDZnS的透过率在600℃保持恒定[3]。利用式（5）对测试黑体的数据进行拟合，结果如图7所示，图7中符号为“・”的数据为公式（5）的计算值，符号为“”的数据为实际测量数据，从图7可以看出，计算数据和测试数据吻合，从而说明在工程测试中可以应用公式（5）将整流罩的影响从目标的红外特性测试中扣除，提高测试的精度。

图6 透过率随环境温度的变化特性

图7 拟合数据和实际测试数据的对比

4 结论及应用

本文提出了一种在空中目标红外特性测试中，扣除整流罩对测试带来影响的方法，针对加装的不同波段透过率的整流罩，均可用此方法进行整流罩波段透过率的测试，从而扣除整流罩在目标红外辐射特性测试的影响，还原目标自身的辐射能量。配合某测量吊舱加装的长波红外热像仪的使用，利用本文提出的整流罩影响修正公式，已在某型号的工程测试中应用，取得了良好的效果，提升了数据的精度，很好的完成了某型号的红外测试，同时也进一步验证了整流罩修正公式的实用性。

参考文献

[1]Thomas A. Morris，ANALYSIS OF UNCERTAINTIES IN INFRARED CAMERA，THESIS.

[2]R.D.小哈德逊.红外系统原理[M].国防工业出版社（1975）.

[3]余怀之.红外光学材料[M].国防工业出版社.

作者简介

王浩（1982-），男，汉族，陕西富平县人，中国飞行试验研究院，硕士研究生，研究方向：目标电磁、红外散射特性

研究。

王海风（1980-），男，汉族，河南太康县人，中国飞行试验研究院，硕士研究生，研究方向：目标电磁、红外散射特性研究。