張玉國(guó)孫紅勝王加朋杜繼東郭亞玭張 徐

（北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100074）

1 引 言

紅外成像探測(cè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用于對(duì)地遙感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)觀測(cè)、氣候研究等領(lǐng)域。 隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，逐步擴(kuò)展至野外、高空、臨近空間、外層空間等，其工作適應(yīng)溫度范圍越來(lái)越寬，低溫可達(dá)到－50 ℃以下，高溫可達(dá)到70 ℃以上，紅外成像探測(cè)系統(tǒng)需要在寬溫度范圍內(nèi)滿足定量化探測(cè)技術(shù)要求，確保完成相應(yīng)功能。

為了保證紅外探測(cè)系統(tǒng)滿足要求，必須對(duì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試、輻射定標(biāo)、量值溯源等操作，而大口徑高精度變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源就是必不可少的標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射的產(chǎn)生。 為了確保性能測(cè)試、輻射定標(biāo)、量值溯源等準(zhǔn)確性，需要使變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源與被測(cè)的紅外探測(cè)系統(tǒng)處于同一環(huán)境，并且覆蓋整個(gè)溫度范圍。 因此，要求固定點(diǎn)紅外輻射源必須能夠在－50 ℃～70 ℃的寬溫度范圍內(nèi)可靠工作，滿足紅外探測(cè)系統(tǒng)的使用要求。

此外，由于當(dāng)前紅外探測(cè)系統(tǒng)分辨率越來(lái)越高，為了在形成特定大小的目標(biāo)，就要求變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源具有更大的口徑，更好的均勻性，對(duì)變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的性能提出了很高的要求。

為了解決上述問(wèn)題，研制的寬溫度范圍條件下大口徑變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源，采用循環(huán)介質(zhì)與細(xì)分分布控溫方法保證整體性能。 經(jīng)初步試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 總體設(shè)計(jì)及原理

寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源總體結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1所示，主要包括光闌組件、輻射腔、輻射腔內(nèi)壁涂層、加熱組件、溫度控制組件、氣路接口、電氣接口、支撐結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)等。 輻射腔為核心部件，其有效發(fā)射率由空腔腔型、內(nèi)壁涂層的輻射性能確定，采用蒙特卡洛方法針對(duì)輻射腔各種腔型比較計(jì)算，確保發(fā)射率在0.999 以上；使用純銅制成薄壁空腔，可減小空腔內(nèi)壁上的溫度梯度，提升均勻性。 采用細(xì)分加熱的方式，實(shí)現(xiàn)溫度的高均勻性控制。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理圖Fig.1 Principal diagram of system composition and working

黑體輻射腔放置于一個(gè)密封結(jié)構(gòu)內(nèi)，密封結(jié)構(gòu)只有黑體輻射出射口與外界連通。 為防止低溫工作條件下，黑體輻射腔內(nèi)壁面結(jié)露結(jié)霜，影響表面發(fā)射率和溫度值，采用雙路配氣保護(hù)系統(tǒng)。 其中一路直接通過(guò)氣路接口，干燥氣體直接進(jìn)入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成正壓環(huán)境，阻隔外部空氣進(jìn)入密封腔內(nèi)部，另外一路，設(shè)置在黑體輻射出射口外的一個(gè)密封夾層內(nèi)，使空氣進(jìn)入密封夾層，在密封夾層內(nèi)形成正壓，其氣壓小于密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣壓，使干燥氣體通過(guò)黑體輻射出射口排出。 通過(guò)雙路配氣保護(hù)系統(tǒng)，可較徹底的隔絕外部空氣，避免結(jié)露結(jié)霜。

密封結(jié)構(gòu)上，設(shè)置了電氣接口，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部黑體輻射源與外部的電氣連接，實(shí)現(xiàn)加熱、溫度監(jiān)測(cè)等的功能。 電氣接口可采用真空密封接插件，該接插件采用玻璃燒結(jié)密封，在保證密封性的同時(shí)，保證信號(hào)連接可靠，以保證電氣連接效率。 在密封結(jié)構(gòu)底部，設(shè)置橡膠減震支腳，增加環(huán)境適應(yīng)性。

3 分系統(tǒng)組成

3.1 黑體輻射腔腔型設(shè)計(jì)及材料選擇

輻射腔是寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的核心部件，其幾何參數(shù)的選擇、內(nèi)壁表面發(fā)射率及表面溫度均勻性等因素直接影響黑體的整體性能。 目前，輻射腔腔型形式較為多樣，如圖2所示。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，黑體輻射腔由空腔腔型、內(nèi)壁涂層的輻射性能決定，黑體輻射腔有效發(fā)射率計(jì)算采用蒙特卡洛方法，對(duì)圖2黑體輻射源空腔腔型進(jìn)行計(jì)算并比較計(jì)算，在內(nèi)壁面涂層輻射特性相同的前提下，計(jì)算腔型的有效發(fā)射率，以此為依據(jù)，結(jié)合加工制備可行性，確定黑體輻射源腔型。

圖2 輻射腔腔型形式圖Fig.2 Form diagram of radiation cavity

進(jìn)行有效發(fā)射率仿真計(jì)算時(shí)，結(jié)果為5 位有效數(shù)字。 對(duì)于0.99 至0.999 9 范圍內(nèi)的黑體輻射腔有效發(fā)射率計(jì)算，光束確定為100 萬(wàn)條，能量流閾值設(shè)為10。 發(fā)射率計(jì)算結(jié)果的不確定度與光束數(shù)量平方根的倒數(shù)成正比，100 萬(wàn)條光線對(duì)應(yīng)的發(fā)射率計(jì)算結(jié)果不確定度在10以下，可滿足要求。

經(jīng)初步計(jì)算，輻射腔的長(zhǎng)徑比為6.67，錐底角120°，腔體內(nèi)表面發(fā)射率為0.9，圓錐－圓柱輻射腔發(fā)射率為0.999 5，同時(shí)該腔型加工制備可行性好，因此，選擇圓錐－圓柱輻射腔。 此外，輻射腔內(nèi)表面加工成圓形圖案，通過(guò)增加反射次數(shù)，進(jìn)一步提升輻射腔輻射性能。

考慮到黑體輻射源耐用性和導(dǎo)熱性的要求，采用純銅作為腔體材料，可有效提升均勻性、溫度準(zhǔn)確性等性能。 黑體空腔使用純銅制成薄壁空腔，可減小空腔內(nèi)壁上的溫度梯度，空腔壁厚2 mm，內(nèi)壁噴涂超黑材料高發(fā)射率黑漆，發(fā)射率本身在0.98以上。 為保證空腔口部與腔底等溫，空腔全部浸入恒溫套中，輻射腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。 空腔開口為60 mm，內(nèi)部長(zhǎng)度為400 mm。

圖3 輻射腔結(jié)構(gòu)三維圖Fig.3 3D diagram of radiation cavity

3.2 黑體輻射腔均溫加熱設(shè)計(jì)

為確保黑體輻射腔溫度均勻性，除了采用高導(dǎo)熱率的純銅制作腔體外，還需要采用細(xì)分加熱的方式，實(shí)現(xiàn)溫度的高均勻性控制。 其原理圖如圖4所示。

圖4 細(xì)分加熱原理圖Fig.4 Principal diagram of subdivision heating

圖4中，為確保均勻性，采用細(xì)分加熱的方式。整個(gè)黑體輻射腔共分為8 個(gè)加熱區(qū)域，沿軸向設(shè)置6 個(gè)加熱區(qū)域，腔底設(shè)置兩個(gè)加熱區(qū)域，對(duì)應(yīng)設(shè)置8個(gè)溫度傳感器，通過(guò)對(duì)應(yīng)溫度傳感器控制對(duì)應(yīng)區(qū)域，使所有區(qū)域加熱均勻，溫度一致，確保均溫效果。

其中，黑體輻射腔放置在液冷恒溫套內(nèi)，恒溫套采用外部恒溫制冷液槽連接，實(shí)現(xiàn)制冷功能，通過(guò)加熱絲加熱，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度范圍的覆蓋。

3.3 黑體輻射源溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器，為保證輻射量值準(zhǔn)確性，必須準(zhǔn)確測(cè)量黑體輻射腔的溫度，并且要保證各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度測(cè)量一致性。 這就需要傳感器經(jīng)過(guò)出廠、計(jì)量?jī)纱魏Y選，確保傳感器準(zhǔn)確性、一致性滿足要求。 為提高面源黑體測(cè)溫精度，本項(xiàng)目使用的鉑電阻傳感器引線為4 線制，長(zhǎng)度大于8 m使得試驗(yàn)時(shí)線纜可以在高低溫箱內(nèi)外實(shí)現(xiàn)可靠電氣連接，選用AF250－0.12 多股電纜，直接焊接在電氣插座上，減少接觸電阻，提升測(cè)量準(zhǔn)確性。 傳感器尺寸如圖5所示。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of sensor

為保證測(cè)溫一致性和溫度采集精度，采取以下溫度傳感器一致性修正措施。 首先將選用的一批傳感器進(jìn)行檢定，選用溫度偏差較小且溫度一致性較好的傳感器作為備選傳感器，此時(shí)使用的電測(cè)儀器為檢定機(jī)構(gòu)提供。 再將計(jì)量過(guò)的精度較高的控溫儀，作為電測(cè)儀器與備選傳感器相連接后整體進(jìn)行第二次檢定，以便對(duì)傳感器和控溫儀整體產(chǎn)生的測(cè)量溫差進(jìn)行一次性修正。 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)修正，每2 個(gè)溫度點(diǎn)之間采用線性插值法修正其溫度值。 將溫度傳感器和控溫儀表作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，最終修正后值的測(cè)量不確定度包括：測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量；主要包括恒溫槽插孔溫差、電測(cè)儀表誤差、標(biāo)準(zhǔn)傳感器自熱等因素引入的不確定度分量。

為了減少傳感器與被測(cè)部位之間的熱阻，保證測(cè)量準(zhǔn)確性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在裝配過(guò)程中，選擇合理材料及封裝形式。 采用金屬焊接密封的方法，實(shí)現(xiàn)傳感器與被測(cè)部位的熱連接，焊接金屬材料應(yīng)選擇與被測(cè)部位熱膨脹接近的材料，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選擇金屬銦作為封裝金屬材料。 安裝圖如圖6所示。

圖6 傳感器安裝圖Fig.6 Diagram of sensor installation

3.4 黑體輻射源溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黑體輻射源由于采用了分區(qū)加熱，同時(shí)結(jié)合了液體攪拌恒溫槽均溫方式，因此，采用多路協(xié)同控溫技術(shù)，該技術(shù)需要許多單控制回路協(xié)同工作，其前提是單控制回路具有高控溫精度，為了保證控溫精度，需要采用采用基于PID 參數(shù)自整定算法的控溫技術(shù)，確保控溫精度滿足系統(tǒng)要求。

由于常規(guī)PID 控制設(shè)計(jì)過(guò)于依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，本系統(tǒng)黑體輻射源種類多，均溫方式、加熱方式模型復(fù)雜，難以建立精確地?cái)?shù)字模型，隨著外部環(huán)境變化數(shù)學(xué)模型也在變化，一旦數(shù)學(xué)模型變化，又要重新確定新的數(shù)學(xué)模型以及比例、積分、微分系數(shù)，工作量大，傳統(tǒng)的PID 控制器應(yīng)用在這種非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)不能有滿意的控制效果。 因此可以采用模糊控制解決傳統(tǒng)PID 控制帶來(lái)的影響。 PID 表達(dá)式為：

式中：（）——控制器的輸出；——采樣序號(hào)；——采樣周期；（），（－1）——控制器的輸入；K，K，K——比例、積分、微分放大系數(shù)；T——積分時(shí)間常數(shù)；T——微分時(shí)間常數(shù)。

PID 算法根據(jù)遞推原理可得：

用式（2）減去式（1）可得：

進(jìn)一步改寫為：

式中：A，B，C——常數(shù)。

且：

由式（6）可以看出，采用增量式控制算法時(shí)采樣周期恒定，只要確定了K，K，K，使用3 個(gè)采樣值的偏差即可得控制增量。 增量式數(shù)字PID 控制算法的優(yōu)點(diǎn)在于它的輸出控制量與前一刻的狀態(tài)有關(guān)，可以有效防止因突然死機(jī)導(dǎo)致控制器的崩潰。

模糊控制的基本思想就是采用模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制規(guī)律，模仿人們的基本操作經(jīng)驗(yàn)做出模糊決策的控制方式，魯棒性強(qiáng)，適于解決常規(guī)PID控制難以解決的控制問(wèn)題。

模糊控制所依據(jù)的控制規(guī)律不是確切定量的公式，屬度函數(shù)的選擇、模糊關(guān)系的運(yùn)算法則、解模糊化的轉(zhuǎn)換方法，都帶有任意性，很難從理論上精確的評(píng)價(jià)模糊控制器的性能，需要根據(jù)實(shí)際效果來(lái)判斷性能優(yōu)劣。

模糊控制系統(tǒng)的組成可以分為4 個(gè)部分：模糊控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、傳感器、外部接口。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of fuzzy control system

模糊PID 的自整定控制算法就是將PID 算法與模糊控制算法相結(jié)合，確定PID 三個(gè)控制參數(shù)K，K，K和被控量之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷檢測(cè)輸入量，利用模糊控制方法對(duì)PID 控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正，以滿足不同輸入量對(duì)控制性能的不同要求，從而使控制性能滿足要求，具有滿意的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。 其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 模糊PID 自整定控制算法結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Block diagram of fuzzy PID control algorithm with adaptive parameters

這種控制器控制精度、穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)魯棒性、控制曲線平滑性均優(yōu)于前兩種傳統(tǒng)算法，在強(qiáng)非線性的擾動(dòng)作用下通過(guò)參數(shù)優(yōu)化依然可以出現(xiàn)理想的控制曲線，采用此種控制算法，復(fù)雜控制系統(tǒng)易于達(dá)到高精度控制的效果。

4 高低溫環(huán)境下試驗(yàn)驗(yàn)證

采用大口徑高精度變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，對(duì)某高精度定量化紅外成像探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輻射參數(shù)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)波段為中波波段，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration data table

分別在環(huán)境溫度為－50 ℃，70 ℃條件下，對(duì)定量化紅外成像探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輻射參數(shù)校準(zhǔn)，獲得對(duì)應(yīng)溫度下的響應(yīng)度，初步滿足了定量化紅外成像探測(cè)系統(tǒng)特殊環(huán)境下參數(shù)校準(zhǔn)需求。

經(jīng)對(duì)比測(cè)試，在高低溫環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，該固定點(diǎn)紅外輻射源工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可達(dá)到以下指標(biāo)：有效發(fā)射率≥0.999，空腔開口直徑≥60 mm，溫度測(cè)量不確定度10 mK（＝2），溫度分辨率0.1 mK，溫度穩(wěn)定性≤2 mK／h。 經(jīng)驗(yàn)證，可滿足寬溫度范圍條件紅外探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)量測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種寬溫度范圍條件下大口徑高精度變溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源研制方法，可在高低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)定量化紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)校準(zhǔn)，并取得了較好的應(yīng)用效果。 后續(xù)，可將該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備系列化，應(yīng)用于其它領(lǐng)域，包括對(duì)地遙感、復(fù)雜條件目標(biāo)特性測(cè)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候研究等，對(duì)特殊環(huán)境定量化紅外探測(cè)技術(shù)具有積極的意義。