倪家正，陳亦望，程玉寶

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一種輻射量線性可調(diào)紅外源設(shè)計(jì)

倪家正1，陳亦望1，程玉寶2

（1. 解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007； 2. 解放軍電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037）

針對(duì)紅外輻射源輻射控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種均勻可調(diào)紅外輻射源方案。分析了拋物柱面鏡的光學(xué)特性，給出了拋物柱面鏡反射后的輻射模型，并仿真模擬了拋物柱面鏡的準(zhǔn)直效果，證明了拋物柱面鏡具有很好的會(huì)聚作用；對(duì)比了百葉窗和雙向推拉窗的輻射調(diào)節(jié)效果，推導(dǎo)了雙向推拉窗透光面積的變化模型，得到了推拉窗開(kāi)口寬度與輻射功率之間的線性關(guān)系；基于以上研究，設(shè)計(jì)了均勻可調(diào)紅外輻射源原理樣機(jī)，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明通過(guò)控制推拉窗開(kāi)口寬度，能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射量的均勻控制。

紅外輻射源；均勻可調(diào)；拋物柱面鏡；雙向推拉窗

0 引言

光電威脅信號(hào)環(huán)境是復(fù)雜電磁環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《GJB6134合同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練光電威脅信號(hào)環(huán)境要求》規(guī)定：可以由紫外威脅信號(hào)、可見(jiàn)光威脅、紅外威脅信號(hào)、激光威脅信號(hào)的一種或幾種信號(hào)組成來(lái)構(gòu)建光電威脅信號(hào)環(huán)境，其中，針對(duì)紅外威脅信號(hào)的模擬設(shè)備研究較少。

對(duì)于紅外輻射源模擬生成技術(shù)，美國(guó)早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)研制出多款熱電阻陣列的紅外目標(biāo)模擬器[1-3]。國(guó)內(nèi)研究多集中于激光光源[4]，紅外輻射源的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜[5]。在目前國(guó)內(nèi)已知的紅外輻射源研究中，很少考慮紅外輻射源的變化因素，而紅外輻射源模擬的對(duì)象大部分都是變化的，尤其是輻射量的變化。針對(duì)這一缺陷，開(kāi)展紅外輻射源輻射控制的研究，提出了一種均勻可調(diào)紅外輻射源設(shè)計(jì)方案。

1 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所有的輻射都是針對(duì)探測(cè)而言的，為了保證輻射均勻可調(diào)，輻射源必須具有確定的輻射方向，因此準(zhǔn)直系統(tǒng)必不可少。在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有多種方案，常用的有卡塞格林光管[6]、聚焦透鏡和拋物柱面鏡，其中拋物柱面鏡穩(wěn)定性高，適應(yīng)性較強(qiáng)，得到廣泛應(yīng)用[7]。

如圖1(a)所示，拋物柱面鏡的橫截面為拋物線形，設(shè)拋物線方程為：

2＝2(1)

式中：為拋物線的焦點(diǎn)參數(shù)，＝2，為拋物柱面鏡的焦距。

任意從焦點(diǎn)發(fā)出的光線入射至拋物柱面鏡上點(diǎn)(0,0)，點(diǎn)處的法線為，法線與軸負(fù)方向的夾角大小為1，則光線的入射角和反射角分別為1￠、1，出射光線平行于光軸軸，同理，出射光線平行于光軸軸。在理想狀態(tài)下，即輻射熱源位于拋物柱面鏡焦線位置，從拋物柱面鏡焦線發(fā)出的光，經(jīng)拋物柱面鏡的準(zhǔn)直，將會(huì)成為一束平行于拋物柱面鏡光軸的平行光。實(shí)際操作中由于拋物柱面鏡的口徑有限，少部分的光會(huì)溢出，如圖1(b)所示，則溢出部分的角度為：

式中：h為拋物柱面鏡的深度，h＝r2/(2p)；r為拋物柱面鏡的口徑。

對(duì)于放置在焦線處的輻射熱源，其輻射強(qiáng)度可以分為未經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射和經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射兩部分進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射的部分，其輻射轉(zhuǎn)化為平行輻射，不具有輻射強(qiáng)度的特性，因此采用輻射功率對(duì)其輻射特性進(jìn)行表述：

式中：U為輻射熱源總的輻射功率[8]。

式(3)用拋物柱面鏡的口徑表示為：

式(4)對(duì)進(jìn)行微分，得到輻射功率沿圖1中的軸的分布規(guī)律：

未經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射的部分即為溢出的部分，在軸方向的輻射強(qiáng)度有以下的計(jì)算公式：

式中：0為在不經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射時(shí)，與線輻射熱源垂直方向上的輻射強(qiáng)度：

0＝U/p2(7)

綜合(6)和(7)可以得到：

令拋物柱面鏡焦距＝1cm，輻射熱源總輻射功率U為常數(shù)，則可以得到∥()和之間的關(guān)系如圖2(a)所示，1和之間的關(guān)系如圖2(b)所示。

由式(5)和圖2(a)可以看出，經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡反射部分的輻射功率在軸上并不是均勻分布，與2成反比，隨的增大而減小，趨于無(wú)窮時(shí)，∥()的值趨于零，即輻射能量集中于拋物柱面鏡焦線位置。由式(8)和圖2(b)可以看出，1的最大值為U/p2，當(dāng)＝2時(shí)，1的值開(kāi)始減小，趨于無(wú)窮時(shí)，1的值趨于零。在垂直于平面的方向，拋物柱面鏡不具有匯聚作用，輻射熱源的輻射仍然保持發(fā)散狀態(tài)。

由以上的分析可以看出：拋物柱面鏡對(duì)紅外輻射熱源具有很好的匯聚作用，能夠較好地保證輻射的方向性，但是，經(jīng)過(guò)拋物柱面鏡準(zhǔn)直后的輻射并不是標(biāo)準(zhǔn)的平行輻射，其輻射量的準(zhǔn)確值仍然需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行標(biāo)定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射量的精確控制。

圖2 輻射強(qiáng)度與拋物柱面鏡參數(shù)關(guān)系示意圖

2 調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于常見(jiàn)的紅外輻射源，溫度變化反應(yīng)慢，同時(shí)其溫度的改變還會(huì)引起輻射熱源光譜特性的改變，所以其輻射量的調(diào)節(jié)只能依靠外部裝置。輻射量調(diào)節(jié)常見(jiàn)的方法有：控制出光面積、控制出光譜帶、控制出光偏振特性等[9]?？刂瞥龉庾V帶限制了光源的光譜特性；控制出光偏振特性能夠較精確的控制輻射量，但是操作復(fù)雜，精密性要求高，易于損壞；控制出光面積對(duì)光源光譜特性無(wú)影響，易于控制，穩(wěn)定性高；因此選擇控制出光面積的方法。

控制出光面積，若輻射熱源面積小，可以采用小孔光闌，對(duì)于面積較大的輻射熱源，一般采用推拉窗或百葉窗[10]，其中推拉窗可以分為單向推拉窗和雙向推拉窗。如圖3所示，單向推拉窗會(huì)改變輻射熱源的輻射中心位置，因此對(duì)雙向推拉窗和百葉窗進(jìn)行分析。

如圖4所示，若輻射熱源出射窗口的面積為0，百葉窗透光面積為：

1＝0(1－cos) (9)

式中：為百葉窗窗葉的傾斜角度。雙向推拉窗透光面積為：

2＝0/(10)

式中：為光源出射窗口的寬度；為推拉窗開(kāi)口寬度。

將輻射窗口放在準(zhǔn)直輻射源的出光口，如圖5所示。

輻射量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)系數(shù)為，則模擬器的輻射功率為：

￠＝U(11)

圖3 輻射中心位置對(duì)比圖

Fig.3 Contrast of centers of radiation areas

圖4 透光面積對(duì)比圖

Fig.4 Contrast of radiation areas

式中：為經(jīng)由拋物柱面鏡反射后到達(dá)出射窗口0的輻射功率比例系數(shù)。由式(9)和(10)可得：

1￠＝U×(1－cos) (12)

2￠＝U×/(13)

1￠和2￠分別對(duì)應(yīng)輻射熱源出射窗口為百葉窗和雙向推拉窗時(shí)模擬器的輻射功率。可以推導(dǎo)出：

顯見(jiàn)，在式(14)中，百葉窗窗葉的傾斜角度與模擬器的輻射功率1￠成反三角函數(shù)的關(guān)系；而在式(15)中，推拉窗開(kāi)口寬度模擬器的輻射功率2￠成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，易于控制，因此選擇雙向推拉窗作為輻射量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖5 輻射窗口位置示意圖

在式(15)中：U為輻射熱源輻射功率；為出射窗口的寬度，為經(jīng)由拋物柱面鏡反射后到達(dá)出射窗口0的輻射功率比例系數(shù)，都是固定不變的常數(shù)；因此，推拉窗開(kāi)口寬度作為唯一的變量，能夠較精確地控制模擬器的輻射功率2￠。

3 整體設(shè)計(jì)

紅外熱源采用鎳鉻電阻絲，其輻射功率可以由焦耳定律得出[11]：

U＝2/(16)

式中：U為有效輻射功率；為轉(zhuǎn)換效率；為電阻絲兩端電壓；為電阻絲電阻。輻射功率穩(wěn)定且易于控制。

為了配合鎳鉻電阻絲結(jié)構(gòu)，將拋物柱面鏡設(shè)計(jì)成雙鏡并列的結(jié)構(gòu)，拋物柱面鏡采用石英玻璃材質(zhì)，鍍膜采用金膜，如圖6所示。

加裝推拉窗的紅外輻射源如圖7(a)所示，在鎳鉻電阻絲和后面電路板之間加裝了石棉隔板以隔熱。為了防止雜散光輻射，以及器件對(duì)電阻絲的漫反射，在推拉窗前加裝限制窗口，可調(diào)紅外輻射源原理樣機(jī)如圖7(b)所示。

圖6 拋物柱面鏡實(shí)物圖

圖7 可調(diào)紅外輻射源實(shí)物圖

4 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證可調(diào)紅外輻射源的實(shí)際可行性，需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行功能測(cè)試。選用TECMAN公司TM910型紅外測(cè)溫儀，其接收到的輻射照度與所設(shè)定的發(fā)射率和顯示溫度有如下關(guān)系：

即由紅外測(cè)溫儀可以通過(guò)溫度參量間接地測(cè)量輻射照度參量。

設(shè)定鎳鉻電阻絲溫度為400℃，紅外測(cè)溫儀設(shè)定發(fā)射率為0.9，探測(cè)距離為2.6m。對(duì)輻射量調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行測(cè)試，可以得到結(jié)果如表1。

表1 可調(diào)紅外輻射源測(cè)試數(shù)據(jù)表

由式(17)可以得到輻射照度與開(kāi)口寬度的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 輻射量調(diào)節(jié)裝置輻射照度與開(kāi)口寬度關(guān)系圖

由圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在擬合的直線附近，輻射照度與開(kāi)口寬度的關(guān)系符合線性規(guī)律，與式(13)相吻合，證明通過(guò)控制推拉窗開(kāi)口寬度，能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬器輻射量的均勻控制，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于拋物柱面鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)和雙向推拉窗調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)了一種均勻可調(diào)的紅外輻射源，制作完成了原理樣機(jī)，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明輻射源符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。作為模擬源的必需部分，本文的設(shè)計(jì)為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

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A Design for Linearly Controllable Infrared Radiator

NI Jiazheng1，CHEN Yiwang1，CHENG Yubao2

(1.,,21007,; 2.,,230037,)

In order to solve the control issue of infrared radiator, an infrared radiator with linearly controllable power is designed. The parabolic mirror is analyzed: the model of reflected power has been established, the collimation has been simulated, and the focusing effect has been proved. By comparing the jalousie and the two-direction tracking shutters, the change model of pervious area to light of the two-direction tracking shutters has been established. It turns out that the width of pervious area to light is linearly correlated with radiated power. Based on analyses, the prototype of infrared radiator with controllable power has been realized and tested. The results demonstrate that the radiated power could be linearly controlled by width of pervious area to light of two-direction tracking shutters.

infrared radiator，linearly controllable，parabolic mirror，two-direction tracking shutters

TN216

A

1001-8891(2017)07-0605-05

2017-01-13；

2017-06-22.

倪家正（1988-），男，碩士研究生，主要從事光信息處理方面的研究。

江蘇省科委應(yīng)用基礎(chǔ)資金資助項(xiàng)目（BK20150715）。