楊毓鑫，王學(xué)新，張 旭，俞 兵，李四維，謝 毅，閆曉宇

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國(guó)防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)計(jì)量站，陜西 西安 710065）

引言

隨著紅外傳感器技術(shù)水平的飛速發(fā)展，紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)各種目標(biāo)的探測(cè)距離、識(shí)別準(zhǔn)確度等都大大提升[1]。同時(shí)各國(guó)也開始大力發(fā)展紅外隱身技術(shù)，開展紅外隱身材料研究[2-3]，采用紅外隱身材料作為蒙皮涂料，是軍用飛機(jī)降低自身發(fā)射率，減弱敵方紅外探測(cè)系統(tǒng)威脅的重要手段之一[4-5]。在不同紅外波段下測(cè)量涂有隱身涂料蒙皮樣品的光譜發(fā)射率是一種經(jīng)濟(jì)有效的飛機(jī)隱身性能驗(yàn)證手段[6-7]。為了定量描述涂層材料的隱身效果，研制了環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置，采用傅里葉變換光譜儀作為光譜分光模塊，利用垂直入射/漫射接收的方法采集紅外光譜信號(hào)，通過與標(biāo)準(zhǔn)漫反射片比對(duì)獲得材料光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果，為后續(xù)研究提供重要技術(shù)支持[8-10]。

1 測(cè)量方法

對(duì)于具有漫反射特性的材料，紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置采用垂直入射/漫射接收的方法進(jìn)行，通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)片與被測(cè)樣品的漫反射通量間接計(jì)算得到被測(cè)樣品的半球發(fā)射率，示意圖如圖1 所示。D 為放置探測(cè)器窗口，探測(cè)器的響應(yīng)度為固定值，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；S 為放置標(biāo)準(zhǔn)反射板或待測(cè)樣品窗口；P 為擋屏；M 為反射鏡[11]。積分球內(nèi)部放置反射鏡，入射光束經(jīng)反射后到達(dá)被測(cè)樣品，D 與S 之間放置P，防止標(biāo)準(zhǔn)片與被測(cè)樣品之間第一次的反射光直接進(jìn)入探測(cè)器[12]。到達(dá)被測(cè)樣品的入射光光軸與被測(cè)樣品法線之間夾角不大于10°，入射光束的光軸與任何光線之間夾角不大于5°。測(cè)量時(shí)任何規(guī)則漫反射光束不能從積分球的入射窗口出射[13]。入射光束通過積分球內(nèi)部多次反射轉(zhuǎn)換為漫反射通量后被探測(cè)器接收。入射窗的總面積不超過積分球內(nèi)部反射面積的10%。

圖1 光譜發(fā)射率測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic of spectral emissivity measurement

2 校準(zhǔn)裝置組成

環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置主要由紅外準(zhǔn)直光源、光譜分光模塊、積分球樣品室、紅外探測(cè)系統(tǒng)、探測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成，如圖2 所示。紅外準(zhǔn)直光源提供覆蓋波長(zhǎng)范圍3 μm～12 μm 的高穩(wěn)定準(zhǔn)直紅外輻射信號(hào)。光譜分光模塊為基于邁克爾遜干涉理論的傅里葉變化光譜儀，主要用于將紅外輻射信號(hào)細(xì)分為最小光譜分辨率可達(dá)0.5 cm-1的單光譜信號(hào)。積分球樣品室整體鍍金，主要用于放置樣品，使出射光束為漫射信號(hào)。紅外探測(cè)系統(tǒng)用于紅外輻射收集，并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。探測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)主要用于探測(cè)器輸出信號(hào)濾波放大及A/D 轉(zhuǎn)換等。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)主要用于主機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集計(jì)算，顯示測(cè)量結(jié)果。

圖2 光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.2 Schematic of spectral emissivity calibration device

光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置工作原理如圖3 所示。紅外光源1 發(fā)出的輻射，經(jīng)過光闌2 和準(zhǔn)直鏡3 準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫休椛洌叫休椛溥M(jìn)入光譜分光模塊4 后細(xì)分為連續(xù)單色光，然后通過積分球窗口6 照射到被測(cè)樣品7 上，單色光經(jīng)過被測(cè)樣品7 發(fā)生漫反射，漫反射光在積分球5 內(nèi)通過多次反射后照射到紅外探測(cè)器8 的光敏面上，通過探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過探測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)后被計(jì)算機(jī)采集。2 次測(cè)量得到標(biāo)準(zhǔn)漫反射片和被測(cè)樣品的光譜電壓信號(hào)，通過比較得到被測(cè)樣品的光譜反射率，根據(jù)式（1）即可得到被測(cè)樣品的半球發(fā)射率[16]。

圖3 光譜發(fā)射率測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of spectral emissivity calibration device

2.1 紅外準(zhǔn)直光源

紅外準(zhǔn)直光源主要由紅外光源、光闌和準(zhǔn)直鏡組成。光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置需要的理想紅外光源應(yīng)具備以下特征：1）光源發(fā)出的光譜連續(xù)，在所使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)可提供連續(xù)輻射；2）輻射能量不隨著波長(zhǎng)的變化而變化，且具有足夠的強(qiáng)度；3）使用壽命長(zhǎng)；4）具有良好的穩(wěn)定性[17-18]。

紅外光源一般選擇性能穩(wěn)定不易氧化的材料制作，并且通電后發(fā)熱能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的紅外輻射，通常使用的主要有能斯特?zé)?、硅碳棒光源以及陶瓷光源。能斯特?zé)羰怯裳趸啞⒀趸?、氧化釷混合物燒結(jié)而成的中空棒或?qū)嵭陌?，其兩端繞有鉑絲作為電極，工作時(shí)不用水冷卻，發(fā)出的光強(qiáng)較強(qiáng)，但機(jī)械強(qiáng)度較差，使用前需預(yù)熱。硅碳棒是一種紅外輻射的強(qiáng)光源，適合在波數(shù)100 cm-1～6 000 cm-1范圍應(yīng)用。傳統(tǒng)硅碳棒的優(yōu)點(diǎn)是光源能量高、功率大、發(fā)光面積大、較堅(jiān)固，缺點(diǎn)是耗能高、熱輻射強(qiáng)，使用時(shí)兩端需要用水冷卻電極接觸點(diǎn)。陶瓷光源是陶瓷器件保護(hù)下的鎳鉻鐵合金線光源，早期的陶瓷光源為水冷卻光源，現(xiàn)在使用的基本為空氣冷卻光源。光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置選用的光源為陶瓷光源，可覆蓋0.4 μm～30 μm 的波段范圍。

電動(dòng)孔徑光闌用于調(diào)節(jié)輻射通量，光闌孔徑大小可變。當(dāng)增大光闌孔徑時(shí)，輻射通量就加大，有利于提高裝置的靈敏度；而縮小光闌孔徑時(shí)，光通量降低，但可擋掉一些雜散光，改善輸出信號(hào)的質(zhì)量，可以提高光譜分辨率。光闌設(shè)置不當(dāng)，散射光過強(qiáng)，測(cè)量重復(fù)性降低，光譜會(huì)產(chǎn)生峰位移。準(zhǔn)直鏡為拋物面反射鏡，用于將紅外光源發(fā)出的點(diǎn)源輻射準(zhǔn)直為平行光。采用離軸全反射式設(shè)計(jì)，無(wú)中心遮擋，表面鍍高反射金膜，確保有充足的光通量進(jìn)入分光模塊，提高了裝置的信噪比。

2.2 光譜分光模塊

光譜分光模塊是光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵組件，其性能水平對(duì)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果有重要影響。

常用的光譜分光方式主要有3 種：光柵分光、CVF 分光和傅里葉干涉分光。光柵分光利用衍射原理，通過光柵的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分光，光柵采用電機(jī)控制，掃描一次時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量速度慢。CVF 分光裝置采用漸變?yōu)V光片旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分光，其波長(zhǎng)分辨率比較低，一次測(cè)量可采集100 個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)。傅里葉干涉分光是目前最先進(jìn)的分光方式，基于邁克爾遜干涉理論，將空間調(diào)制轉(zhuǎn)換到時(shí)間調(diào)制型的干涉光譜，主要由動(dòng)鏡、定鏡、分束器、補(bǔ)償板等組成，具有掃描速度快、靈敏度高、光譜分辨率高、光通量高、信噪比高、雜散光抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于快速、高精度、寬光譜測(cè)量[19]。

光譜分光模塊采用基于邁克爾遜干涉理論的傅里葉變換光譜儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。動(dòng)鏡與定鏡為2 塊精密磨光的平面反射鏡，相互垂直安裝構(gòu)成光譜儀的兩臂，動(dòng)鏡在直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下沿軸向前后移動(dòng)；定鏡保持位置不變，分束器的后表面上鍍有由一種半透半反的光學(xué)材料制成的分束膜，即為介質(zhì)膜分束器，入射光線在分束膜處通過反射和透射被分成2 束光，在光路中加入補(bǔ)償板以保證兩光束間無(wú)相位差，光譜分光模塊采用直線型動(dòng)鏡產(chǎn)生光程差，從而實(shí)現(xiàn)干涉分光。

圖4 光譜分光模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of spectral spectrometer module

光譜分辨率是指分光儀器對(duì)2 個(gè)相鄰的譜線的辨別能力，分辨率影響光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。傅里葉變換光譜儀的光譜分辨率由掃描速度決定，可達(dá)到色散型分光儀器的數(shù)百倍，且在任何測(cè)量時(shí)間內(nèi)都能獲得輻射源所有頻率的全部信息。傅里葉變換光譜儀的掃描速度主要由動(dòng)鏡的移動(dòng)速度決定，動(dòng)鏡移動(dòng)一次即可采集所有信息。因此一般采用在一次測(cè)量中多次掃描，累加求平均的方法得到干涉光譜圖，同時(shí)有效地提高了信噪比，在相同的總測(cè)量時(shí)間和相同的光譜分辨率條件下，傅里葉變換光譜儀信噪比可達(dá)色散型分光儀器的10 倍以上。因此，采用傅里葉變換光譜作為光譜分光模塊，校準(zhǔn)裝置的光譜分辨率可達(dá)0.5 cm-1。

波數(shù)的準(zhǔn)確性是指經(jīng)過傅里葉變換后得到的光譜圖中吸收峰對(duì)應(yīng)的波數(shù)值與該吸收峰真實(shí)波數(shù)值的一致性，波數(shù)是光譜發(fā)射率定性分析的關(guān)鍵參數(shù)，波數(shù)準(zhǔn)確性影響校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性。傅里葉變換光譜儀的波數(shù)準(zhǔn)確性可由分光裝置中動(dòng)鏡精確驅(qū)動(dòng)控制，而動(dòng)鏡的移動(dòng)距離可通過激光光源的干涉條紋來(lái)測(cè)量。傅里葉變換光譜儀一般采用He-Ne 氣體激光器作為激光光源，在激光器內(nèi)部，氣體分子在電子振蕩器的激勵(lì)下發(fā)生非彈性碰撞，當(dāng)電子躍遷時(shí)產(chǎn)生激光。He-Ne 激光器能產(chǎn)生噪聲低、功率穩(wěn)定性好、發(fā)散角小的優(yōu)質(zhì)光束。激光光束的光譜線寬窄，具有很好的單色性，能保持長(zhǎng)距離的相干性，擁有高頻率穩(wěn)定度和高強(qiáng)度穩(wěn)定度性能，最高的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-10，從而保證傅里葉變換后得到的光譜圖有很高的波數(shù)精度和準(zhǔn)確度，滿足光譜分光模塊的重復(fù)性要求。

2.3 紅外探測(cè)系統(tǒng)與探測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)

紅外探測(cè)器是光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置中信號(hào)采集的核心器件，通常分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱探測(cè)器中性能最好的為熱釋電探測(cè)器，可全波段響應(yīng)，實(shí)際工作波長(zhǎng)范圍僅受到窗口材料限制。熱釋電紅外探測(cè)器中最常用的為TGS(Tri-glycine sulfate)探測(cè)器，主要采用硫酸三甘肽晶體（（NH2CHCOOH）3·H2SO4）制成，利用熱釋電效應(yīng)工作。熱釋電效應(yīng)和入射光的波長(zhǎng)及強(qiáng)度有關(guān)，故可以利用它探測(cè)紅外干涉光信號(hào)。DTGS(Deuterated tri-glyceride sulfate)是目前使用最廣的中紅外探測(cè)器，即為氘化的TGS 探測(cè)器，可在室溫下工作，且無(wú)需液氮或其他冷卻裝置。居里點(diǎn)溫度為62℃，熱點(diǎn)系數(shù)小于TGS。在傳統(tǒng)的DTGS 上涂上L-丙氨酸，可提高探測(cè)器的熱電系數(shù)和極化的穩(wěn)定性。因此，光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置采用熱釋電型探測(cè)器采集紅外光譜信號(hào)。

探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)組成框圖如圖5 所示。在探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)中，當(dāng)測(cè)量高發(fā)射樣品時(shí)，紅外探測(cè)器接收到的信號(hào)非常小，微弱信號(hào)探測(cè)容易受到環(huán)境和電場(chǎng)的干擾，因而探測(cè)器信號(hào)電路全部安裝在一個(gè)屏蔽罩內(nèi)。在注意抑制干擾的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大電路采用自有噪聲低且抑制比高的電路設(shè)計(jì)，保證探測(cè)器由穩(wěn)定且低噪聲的電源供電，提高其微弱電流信號(hào)的輸出質(zhì)量，同時(shí)也保證了后續(xù)放大與濾波電路不被引入較多的電源噪聲。除了采用外殼屏蔽外，其與探測(cè)器的數(shù)據(jù)線采用屏蔽線，確保信號(hào)不受干擾。在放大電路之后再加一高階帶通濾波電路來(lái)進(jìn)一步削弱噪聲的影響，提高裝置的信噪比。為了適應(yīng)不同信號(hào)強(qiáng)度的探測(cè)，探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)增加了增益調(diào)節(jié)功能。數(shù)據(jù)采集處理卡的作用就是將紅外探測(cè)器輸出的電信號(hào)通過模擬電路放大濾波等操作以后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。

圖5 紅外探測(cè)器信號(hào)處理模塊框圖Fig.5 Block diagram of infrared detector signal processing module

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 發(fā)射率的測(cè)量

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用校準(zhǔn)裝置測(cè)量得到黃銅、不銹鋼（光面）、不銹鋼（毛面）樣品的發(fā)射率，如圖6 所示。對(duì)環(huán)溫下黃銅樣品和光面、毛面不銹鋼樣品在3 μm～12 μm 波長(zhǎng)下的光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。對(duì)黃銅樣品進(jìn)行6 次測(cè)量后，在3 個(gè)典型波長(zhǎng)處的發(fā)射率測(cè)量重復(fù)性結(jié)果如表1 所示。

表1 黃銅樣品測(cè)量結(jié)果重復(fù)性Table 1 Repeatability of measurement results for brass samples

圖6 黃銅、不銹鋼（光面）、不銹鋼（毛面）樣品Fig.6 Samples of brass,stainless steel (smooth),and stainless steel (rough)

圖7 校準(zhǔn)裝置光譜發(fā)射率測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measurement results of spectral emissivity for calibration device

3.3 測(cè)量不確定度評(píng)估

光譜發(fā)射率測(cè)量采用反射法，其測(cè)量不確定度的主要來(lái)源有：標(biāo)準(zhǔn)漫反射片帶來(lái)的測(cè)量不確定度u1；裝置標(biāo)定的非線性引起的測(cè)量不確定度u2；測(cè)量結(jié)果重復(fù)性引起A 類測(cè)量不確定度u3；重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度由重復(fù)性試驗(yàn)得到。

由于各分量之間獨(dú)立不相關(guān)，所以合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度[20-22]為

按照置信水平為95%，取k=2，則相對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度為

將所有不確定度分量代入，計(jì)算得到測(cè)量黃銅樣品時(shí)，光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置的不確定度為3.2%。在后續(xù)的研究中，提高校準(zhǔn)裝置的標(biāo)定準(zhǔn)確度，有利于測(cè)量不確定度提升。

4 結(jié)論

介紹了一種環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率測(cè)量方法，采用垂直入射/漫射接收的方法及間接計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了光譜發(fā)射率測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，建立了環(huán)溫下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置，提出了以標(biāo)準(zhǔn)漫反射片為標(biāo)準(zhǔn)的溯源方法，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)裝置的溯源。測(cè)量光譜范圍為3 μm～12 μm，測(cè)量不確定度為3.2%（k=2）。

隨著飛行器紅外隱身技術(shù)與紅外探測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，該裝置可為飛機(jī)紅外隱身性能的評(píng)價(jià)與提升提供計(jì)量保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。