红外窗口整流罩辐射特性研究

张锐娟　姚凯凯　王　震　王　浩（中国飞行试验研究院，陕西西安　710089）

红外窗口整流罩辐射特性研究

张锐娟姚凯凯王震王浩
（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）

近年来，红外成像技术在军事领域得到了广泛应用，大幅提高了作战平台的全天时综合作战性能。本文利用红外热像仪和光谱仪对整流罩红外窗口的辐射特性进行了分析研究，从谱分布特性和波段透过率两方面对红外窗口的透过率进行了测试，利用测量值对加装红外窗口后的红外测量结果进行了修正，从客观上提高了测试结果的准确性，提高了测试结果的可信度。

红外窗口整流罩透过率辐射

1　引言

近年来，红外成像技术在军事领域得到了广泛应用，大幅提高了作战平台的全天时综合作战性能。然而， 装有红外传感器的军用平台通常都在恶劣的环境中工作，气动/热冲击、雨雪沙石等侵蚀破坏都会影响其性能。因此，需要高性能的红外窗口将其与外界隔离开［1］。通常，在温度升高的情况下，即使具有低发射率的窗口也会产生高的背景辐射通量而导致红外探测系统灵敏度降低，甚至使探测器饱和［2］。因此，研究窗口的红外辐射特性就显得十分重要。

红外窗口既要保护红外测量装置不受外界环境损伤， 又要保证不降低其光学性能。对于红外辐射特性测量来说，常常要求窗口具有高的透过率，这样，就可以使得内部加装的红外测量设备最大限度地得到目标自身的红外辐射特性。为此，本文从两个方面对红外窗口的透过率进行了测试，并对测试结果进行了相互验证，给出了整流罩辐射修正后的测量结果及误差分析。

2　红外窗口透过率分析

对于结构如图1所示的红外测量装置来说，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辐射能量、整流罩自身辐射的能量以及整流罩反射吊舱内部的能量［3］。当热像仪镜头紧贴整流罩窗口安装时，整流罩反射吊舱内部的能量即可忽略。这样，到达热像仪的辐射能量可表示为式Lm=Lt*τ+Lf*（1-τ）（1）。其中， Lm——热像仪测得的辐射亮度； 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。

因此，本文提出了如图2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，首先测试黑体的辐射能量，如图2 a）所示；其次将整流罩放在黑体前方，保证整流罩与黑体表面平行，保证结果的准确性，如图2 b）所示，测试透过整流罩的黑体辐射能量；这样，通过公式（2）得到整流罩的透过率L罩通过plank公式计算得到，rL由热像仪响应的辐射得到。

通过设置多个黑体源温度，记录相应的整流罩及热像仪的响应，对多个点取平均值进而给出窗口透过率结果，如表1所示。

不同黑体温度下测得的红外窗口透过率与平均透过率分布如图3所示，不同温度下测得的透过率值差异很小，红外窗口的透过率高且稳定，能最大限度满足红外特性测量需求。

图1　加装整流罩的热像测量系统示意图

图2　测试光路示意图

图3　不同温度下的透过率测量结果

图4　红外窗口光谱透过率测量示意图

图5　红外窗口光谱透过率分布图

为进一步分析红外窗口在整个红外波段的光谱分布情况，并对上述测量方法及结果确认，本文提出利用SR5000光谱辐射计窗口透过率的测试方法，其测量示意图如图4所示。

试验时，选择合适的调制频率对黑体响应进行调制，得到PL（λ），取得黑体响应后，将窗口放置在调制黑体前，得到窗口响应L（λ），通过公式（3）计算得到得出透过率的光谱分布结果。（3）其中，τ（λ）为测试窗口透过率，L（λ）和PL（λ）分别为加窗口和未加窗口时光谱辐射亮度，PL（T，λ）为背景的辐射亮度。

采用光谱测量方式，得到的红外窗口透过率曲线如图5所示。从图中可以看出，光谱积分得到的透过率与热像仪测量得到的平均透过率值接近，两者相差仅0.009，并将以上两种测量结果同窗口出厂检测结果对比可知，两种测量方法得到的窗口透过率测量结果均可靠有效。

3　红外窗口辐射影响修正分析

利用红外窗口透过率测量值，对红外辐射结果进行修正，将整流罩的影响进行修正消除以后，得到的误差分析结果如表2所示。

表1　长波（8-9.4um）红外窗口测试结果表

表2　窗口辐射影响因素修正后的误差分析

从修正后的误差分析结果可看出，将红外窗口辐射的影响消除以后，热像仪得到的黑体辐射误差能控制在2%以内，满足使用要求，窗口透过率测量结果以及修正结果均得到了有效验证。

4　结论及应用

本文提出了两种不同的红外窗口整流罩透过率测量方法，利用热像仪和辐射计两种测量手段对整流罩的长波辐射特性进行了相互验证，从两方面说明了两种方法的正确性，并利用测量结果对黑体进行了修正校验以及结果分析，通过对整流罩辐射特性的修正，能够还原目标自身的辐射能量，从客观上提高了测试结果的准确性，进一步缩减了测量误差。

［1］张兴德，刘琳，李荣刚.机载光电设备红外窗口技术［J］.红外与激光工程，2010，39（4）:601-606.

［2］张荣实.红外窗口/整流罩技术新进展［J］.红外与激光工程，2007，36（增刊）:114-119.

［3］王浩，王海风.吊舱整流罩自身红外辐射对目标测试的影响［J］.硅谷，2014，153（7）:74-75.