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(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料特性測(cè)試成為材料性能評(píng)估的重要技術(shù)。光譜信息是重要的光學(xué)特性參量，具有“指紋”效應(yīng)，通過(guò)測(cè)試材料的光譜輻射特性，能夠反演材料的發(fā)射率、計(jì)算材料的光學(xué)觀測(cè)窗口以及測(cè)試涂層的損傷等。

本文研究了一種利用標(biāo)準(zhǔn)黑體、紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試材料在紅外寬譜段內(nèi)發(fā)射光譜和鏡面反射光譜特性的方法。其中，紅外光譜輻射計(jì)可對(duì)目標(biāo)的紅外光譜輻射特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。在飛機(jī)、艦船與坦克等裝備的紅外隱身性能測(cè)試中，需要紅外光譜輻射計(jì)對(duì)這些目標(biāo)的紅外光譜輻射進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，以評(píng)估其隱身效能；在紅外誘餌彈與紅外煙幕彈的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要紅外光譜輻射計(jì)對(duì)其紅外光譜輻射進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，以判斷其迷惑敵方紅外制導(dǎo)武器的能力[1]；在紅外隱身材料的研究與保障過(guò)程中，需要紅外光譜輻射計(jì)對(duì)其不同條件下的紅外光譜輻射進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，評(píng)估并保障其隱身效能；另外，在紅外目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)與計(jì)量過(guò)程中，目標(biāo)背景與大氣傳輸特性研究過(guò)程中等，都需要用紅外光譜輻射計(jì)對(duì)其環(huán)境與目標(biāo)的紅外光譜輻射特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定[2]。

1 測(cè)試儀器基本原理

1.1 紅外光譜輻射計(jì)

紅外光譜輻射計(jì)是材料紅外光譜輻射特性測(cè)試的核心儀器，光譜輻射分光方法主要有光柵分光、漸變?yōu)V光片分光和傅里葉分光3 種方式。其中，光柵分光方式對(duì)目標(biāo)輻射損失較大，不利于微弱目標(biāo)信號(hào)測(cè)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(duì)光路穩(wěn)定性要求較高，且有運(yùn)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)，環(huán)境適用性差；漸變?yōu)V光片分光方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可覆蓋2～14 μm 波段輻射分光，通過(guò)該方式分光測(cè)試速度快、穩(wěn)定性好、輻射損失小。

本文采用漸變?yōu)V光片型紅外光譜輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)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(cè)器、信號(hào)處理運(yùn)算模塊等部分。首先通過(guò)大口徑紅外入射鏡頭收集盡可能多的目標(biāo)紅外輻射；通過(guò)會(huì)聚光路后采用漸變?yōu)V光片分光方式；分光后通過(guò)紅外探測(cè)器進(jìn)行時(shí)域或空間探測(cè)，獲得不同波長(zhǎng)處強(qiáng)度信息。光路設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，入射鏡頭采用卡塞格林反射式結(jié)構(gòu)，主鏡和次鏡均鍍金膜，該反射式結(jié)構(gòu)體積小，容易實(shí)現(xiàn)大口徑制作，寬紅外波段反射率高，沒(méi)有色差，是較為理想的會(huì)聚結(jié)構(gòu)；會(huì)聚過(guò)程中通過(guò)斬光器對(duì)入射輻射進(jìn)行斬光，將連續(xù)輻射轉(zhuǎn)化為脈沖輻射，在會(huì)聚焦點(diǎn)處，通過(guò)可變光闌控制視場(chǎng)；對(duì)于分光單元，根據(jù)漸變?yōu)V光片不同位置處透過(guò)不同波長(zhǎng)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?yōu)V光片必須位于焦點(diǎn)處，但由于光闌與漸變?yōu)V光片實(shí)際結(jié)構(gòu)及其固定架結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法同時(shí)置于焦點(diǎn)附近，因此，需再一次對(duì)輻射進(jìn)行聚焦才能完成漸變?yōu)V光片分光；同樣原理，由于探測(cè)器光敏面的限制，需對(duì)分光后的輻射重新聚焦后匯聚到探測(cè)器上進(jìn)行探測(cè)。

圖1 漸變?yōu)V光片型紅外光譜輻射計(jì)原理圖

由于入射鏡頭調(diào)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(guò)調(diào)整它們之間的距離來(lái)完成調(diào)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(xué)穩(wěn)定性好。

漸變?yōu)V光片型紅外光譜輻射計(jì)采用漸變?yōu)V光片來(lái)完成目標(biāo)寬紅外波段的分光，漸變?yōu)V光片采用在帶狀基底上真空蒸鍍光學(xué)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(duì)鍍膜技術(shù)提出了更高的要求。其光譜透過(guò)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(guò)的波長(zhǎng)與漸變?yōu)V波片的位置是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著漸變?yōu)V波片的轉(zhuǎn)動(dòng)，輻射的波長(zhǎng)在最大值和最小值之間掃描。漸變?yōu)V光片橫截面如圖2 所示。

圖2 漸變?yōu)V光片橫截面示意圖

對(duì)于線性漸變?yōu)V光片，線性色散系數(shù)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(zhǎng)和終止工作波長(zhǎng)；dstart和dend分別為線性漸變?yōu)V光片的起始工作位置和終止工作位置。

對(duì)于線性漸變長(zhǎng)波通濾光片，由于其通帶范圍只受材料透過(guò)范圍的限制，在設(shè)計(jì)和制備上不存在較大的問(wèn)題。而對(duì)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(jí)次截止帶的影響，其終止工作波長(zhǎng)λend和起始工作波長(zhǎng)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(cè)試的必備儀器，整機(jī)工作原理如圖3 所示。

圖3 整機(jī)工作原理框圖

主機(jī)主要包括溫度控制系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。面源黑體輻射源的溫度通過(guò)放在輻射頭內(nèi)的鉑電阻溫度傳感器采集輸入主機(jī)。溫度控制系統(tǒng)首先利用測(cè)溫模塊通過(guò)測(cè)量鉑電阻的線性化電阻完成對(duì)輻射溫度的測(cè)量，線性化測(cè)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(chǎn)生的電壓梯度約為10 mV/℃，然后高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將這些輸入數(shù)字化，送入主控制器的微處理器準(zhǔn)備輸出。溫度測(cè)量中克服溫漂非常重要，可以通過(guò)微處理器用增益和偏移修正的辦法來(lái)補(bǔ)償?？梢酝ㄟ^(guò)界面的菜單實(shí)現(xiàn)輻射溫度的設(shè)定，處理器根據(jù)設(shè)定的溫度值及溫度傳感器（Pt100）反饋回來(lái)的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較和計(jì)算，找出調(diào)節(jié)量，由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送到控制CPU，CPU 經(jīng)處理后發(fā)出指令，溫度控制電路運(yùn)用模糊PID參數(shù)控制交流電壓負(fù)反饋模塊，從而利用單相交流調(diào)壓模塊控制輸出到黑體輻射板加熱電阻絲上的電壓，通過(guò)電壓幅度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)黑體輻射源的加熱功率的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑體溫度的控制。

面源黑體輻射源實(shí)現(xiàn)溫度控制的基本過(guò)程是：處理器通過(guò)比較設(shè)定的溫度值與溫度傳感器（Pt100）反饋回來(lái)的實(shí)際溫度值，采用模糊PID 參數(shù)控制技術(shù)，對(duì)繞制在黑體輻射板上的電熱絲進(jìn)行功率控制，使實(shí)測(cè)溫度逐漸接近設(shè)定溫度。嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)了溫度數(shù)據(jù)采集處理顯示以及參數(shù)設(shè)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(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行操作；外部接口支持用戶通過(guò)RS232 對(duì)儀器遠(yuǎn)程控制。

理想黑體輻射源內(nèi)部的溫度場(chǎng)為均勻等溫場(chǎng)，而實(shí)際的面源由于加熱的不均勻、外界環(huán)境影響以及加工精度等原因造成了內(nèi)部溫度場(chǎng)是具有溫度梯度的不均勻場(chǎng)。這一原因使得面源黑體的有效發(fā)射率隨溫度分布和波長(zhǎng)變化而變化。因此，應(yīng)該采取黑體輻射板溫度均勻性控制技術(shù)，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(chǎng)，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(zhì)，通過(guò)傳熱達(dá)到輻射面溫度均勻的目的。在加熱裝置進(jìn)行加熱時(shí)，鋁板會(huì)先存儲(chǔ)熱量，并傳導(dǎo)熱量到另一面。熱量在鋁板內(nèi)部半個(gè)空間角傳遞，所以鋁板越厚其到達(dá)另一面的溫度就越均衡，但是，當(dāng)鋁板溫度與所設(shè)定的溫度有差別時(shí)，需要調(diào)整的時(shí)候就會(huì)很困難，因?yàn)殇X板的厚度越大，其對(duì)熱量的慣性就會(huì)越大。對(duì)于加熱功率和冷卻功率一定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，慣性大的熱系統(tǒng)，改變其溫度的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。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(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)匿X板厚度，從而使輻射源預(yù)熱的時(shí)間在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

2 測(cè)試方案

2.1 發(fā)射光譜測(cè)試

樣板發(fā)射光譜特性測(cè)試系統(tǒng)包括紅外光譜輻射計(jì)、面源黑體、加熱器、溫度測(cè)試儀等設(shè)備，測(cè)試流程如下。

利用紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試設(shè)定溫度條件下面源黑體的光譜輻射數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中首先利用紅外光譜輻射計(jì)的觀瞄系統(tǒng)對(duì)面源黑體進(jìn)行對(duì)焦，保證測(cè)試輻射光譜數(shù)據(jù)來(lái)源黑體。測(cè)試前面源黑體需要在設(shè)定的溫度處穩(wěn)定30 min，測(cè)試面源黑體如圖4 所示。

利用加熱器將待測(cè)材料加熱至相同的溫度，期間不斷用接觸式溫度測(cè)試儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，控制加熱器，將待測(cè)材料溫度穩(wěn)定在所設(shè)定的溫度。

加熱和溫度監(jiān)控系統(tǒng)如圖5 所示。

圖4 面源黑體校準(zhǔn)源

圖5 材料加熱與測(cè)溫系統(tǒng)

利用紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試待測(cè)材料在設(shè)定溫度條件下的發(fā)射光譜輻射數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)應(yīng)保證測(cè)試距離與黑體測(cè)試距離相同，且利用紅外光譜輻射計(jì)的觀瞄系統(tǒng)對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行瞄準(zhǔn)。

為全方面檢測(cè)材料特性，可以將面源黑體溫度設(shè)定到不同溫度，將待測(cè)材料加熱相同待測(cè)溫度，重復(fù)上述步驟，分別測(cè)試黑體和材料在不同溫度條件下的發(fā)射光譜輻射數(shù)據(jù)。

2.2 反射光譜測(cè)試

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

利用紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試設(shè)定溫度條件下面源黑體經(jīng)過(guò)鍍金反射鏡的光譜輻射數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中首先利用紅外光譜輻射計(jì)的觀瞄系統(tǒng)對(duì)面源黑體進(jìn)行對(duì)焦，保證測(cè)試輻射光譜數(shù)據(jù)來(lái)源黑體。測(cè)試前面源黑體需要在設(shè)定溫度處穩(wěn)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(cè)材料放置在反射鏡前方，利用紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試待測(cè)材料反射黑體的光譜輻射數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

將面源黑體溫度設(shè)定到不同的溫度，重復(fù)上述步驟，分別測(cè)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(shù)據(jù)。該測(cè)試能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料鏡面反射紅外光譜特性的測(cè)試。

圖7 待測(cè)材料反射面源黑體輻射光譜

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要描述了一種材料紅外光譜輻射特性測(cè)試方法，利用面源黑體、紅外光譜輻射計(jì)、加熱系統(tǒng)、溫度測(cè)試儀等設(shè)備，測(cè)試不同溫度條件下黑體與材料的紅外光譜輻射譜，通過(guò)比較可以表征材料在不同紅外波段的發(fā)射光譜特性；測(cè)試不同溫度條件下鍍金反射鏡與材料的對(duì)統(tǒng)一位置黑體反射的紅外光譜輻射譜，通過(guò)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(cè)試系統(tǒng)主要用于對(duì)材料的光譜輻射信息進(jìn)行測(cè)試，獲取材料在紅外波段的光譜輻射數(shù)據(jù)，并依據(jù)光譜輻射信息對(duì)材料的物理特性進(jìn)行分析，評(píng)估材料的性能。