光谱仪在发动机红外隐身测评中的应用研究

姚凯凯,王 浩,许 帆,张锐娟,王海风

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

1 引 言

隐身技术可极大地提高作战飞机的战场生存能力,已成为现代飞机的一个重要技术指标要求,伴随着飞机红外隐身性能在不断提升[1-2]；发动机作为飞行器推力来源,同时也是重要的红外辐射源[3-4]。当前,发动机的红外隐身关键技术主要有涡扇发动机、异形喷管、壁面冷却技术、涂层技术、遮挡技术、改进燃气成分及添加剂技术、引射掺混技术、气溶胶隐身技术等[5-8]。

航空发动机装机前,需全面评估发动机红外辐射特征指标,为其装机提供数据支撑[9-10]。为了更贴近空中工作状态,在地面进行发动机红外辐射特征测试评估最为直接有效的途径是将发动机安装于试车台架上,通过红外测量设备获取发动机接近装机状态的红外辐射特征数据。红外辐射特性测量设备主要有红外热像仪、红外光谱辐射计[11-12]。红外热像仪可捕捉到发动机内壁及尾焰的瞬态温度场,进而可计算得到红外辐射强度；红外光谱辐射计可获取发动机内壁及尾焰的能量分布,即光谱分布,经计算可得所需波段的辐射强度,从光谱分布和能量极值两方面衡量红外辐射特征。SR5000N光谱辐射计采用分光形式,电视视场与红外视场相同,在测试过程中易于瞄准目标。为了获取高置信度数据,准确评估红外隐身效果,对光谱测试提出了更高要求,测试过程中的误差控制和数据处理过程中的标定是影响测试精度的两个重要因素。基于此,本文主要围绕SR5000N光谱辐射计在发动机红外辐射特征测试过程中的误差控制方法和数据标定方法展开研究。

2 光谱测试误差控制方法研究

2.1 台架试验光谱测试误差分析

发动机台架试验光谱辐射特性测量过程如图1所示,根据能量传递关系,光谱辐射计接收到的辐射能量包含两部分,一是经大气衰减后目标的辐射能量,二是经大气衰减后背景的辐射能量。

图1 发动机光谱测试示意图

分析影响发动机台架试验光谱测试精度的因素主要有:

a)背景辐射影响:发动机光谱测量过程中,为了获取发动机尾喷口及尾焰的数据,光谱辐射计的视场会远大于尾喷口尺寸,导致试车台、建筑物、天空等背景的辐射能量会进入光谱辐射计,直接影响测试精度；

b)大气衰减影响:大气中的水蒸气、二氧化碳及气溶胶的吸收及散射作用会造成发动机辐射能量的衰减,直接影响测试精度；

c)测试距离的影响:光谱辐射计视场一定时,背景的面积计算与测试距离密切相关,背景面积计算精度影响扣除背景辐射能量的精度,另一方面,大气透过率计算也与测试距离密切相关,因此,测试距离间接影响测试精度；

d)光谱辐射计工作状态变化的影响:随着工作时间以及工作环境的变化,会引起光谱辐射计探测器响应度的稳定性、光学结构的稳定性和电子增益的稳定性变化,导致仪器响应函数可能会发生变化,直接影响测试精度。

2.2 误差控制方法

从影响发动机台架光谱测试试验的关键因素出发,结合外在辐射因素、试验位置的确定、仪器的参数配置、附加的环境监测等方面,分析测试过程中应注意的关键点,减小测试误差,控制方法主要有:

a)背景辐射均匀化:在发动机台架前,对发动机试车台及周边的建筑物等可发射或反射红外辐射的物体进行遮蔽处理,形成统一的均匀的测试背景,减少外在因素对测量精度的影响。遮蔽板基体采用3 mm厚的铝板,内侧由岩棉板组成,防止铝板受热升温,并在遮蔽板外侧铝板表面涂刷低发射率涂料,形成漫反射表层,实现背景的均匀化并且易于与环境分离。并且在遮蔽板上加装测温传感器,实时记录测试过程中遮蔽板的表面温度,用于背景能量的扣除。

b)背景辐射影响最小化:考虑到太阳光对光谱辐射特性测试的影响,选择在晴朗的夜晚进行试验,最大化减小外界环境因素对本征测试结果的影响。

c)距离精准化:采用全站仪定位测试方位角,角度误差控制在±20″范围内,采用差分gps设备对测试设备及发动机进行定位,将测试距离和角度误差降到最低,并且为了使得发动机尾喷口中心和光谱辐射计视场中心在同一水平线上,将光谱辐射计放置在与试车台高度相同的测量平台上；

d)测量参数合理化:试验开展前,进行发动机不同状态多角度摸底测试,利用光谱辐射计、热像仪、发射率测量仪、测温仪等多种设备,从发动机尾喷口几何尺寸、尾焰长度、安全距离方面进行综合考虑,从仪器视场、响应范围、增益、采样率等多个参数出发,设置最优化的测量参数,在包含发动机全部辐射特征的同时,将背景噪声等影响降到最低；

e)外界环境实测化:利用气象仪实时获取测试路径上的能见度、湿度、温度、气压、风速、风向等气象参数,提高大气透过率计算精度,减小修正误差,从外部测量监控手段上对试验过程进一步控制。

3 标定原理及方法

SR5000N型光谱辐射计,是由以色列CI公司生产的一种渐变滤光片式光谱辐射计,与傅立叶变换式光谱辐射计[13-14]工作原理不同,其采用一个连续渐变滤波器的结构,光的辐射通过在圆周不同的点,经过渐变滤波器后,测量传输可透过滤波器波长的辐射特性。传输的波长与渐变滤波器转动的角度是线性关系。随着渐变滤波器的转动,辐射的波长在最大值和最小值之间扫描[15]。

SR5000N型光谱辐射计在测量过程中,获取场景的信号如下:

S(λ)=K(λ){W(λ)τ-P(λ,T0)+P(λ,Tair)(1-τ)}

(1)

其中,S(λ)为测量场景的光谱信号;K(λ)为仪器响应函数;W(λ)为发动机的光谱辐射;τ为大气透过率;P(λ,T0)为内置黑体的光谱辐射;P(λ,Tair)为大气程辐射。

当传输距离较短,大气程辐射可忽略,式(1)可写为:

S(λ)=K(λ){W(λ)τ-P(λ,T0)}

(2)

光谱辐射计中内置黑体的温度在测量过程中会实时记录,根据普朗克公式可计算得到其辐射能量,即P(λ,T0)为已知值,τ可根据测量过程中的气象参数进行计算得出,也为已知值,因此标定的过程实则是确定光谱辐射计的响应函数K(λ)。同传统的傅立叶变换式光谱辐射计标定方法不同,为了得到光谱辐射计的响应函数,只需测量一个温度下黑体的光谱测量数据,即可由式(2)计算得到仪器响应函数。

SR5000N光谱辐射计对发动机的测试过程中,发动机尾喷口未充满视场,如图1所示,因此,采用的标定和计算方法如下:

1)标定试验选择与测试模式同样的参数设置,采用未充满视场方式,记录对应的标定距离、视场、黑体温度、黑体辐射面积、环境温度等参数；

2)黑体温度尽可能与发动机尾喷口温度接近,因此,光谱标定时设定的黑体温度可参考测试时的热像仪或测温仪温度；

3)测试距离根据黑体面积在光谱辐射计视场占比确定,黑体的视场占比与发动机尾喷口视场占比相当；

4)在标定时利用其内部的调制黑体源作为参考。

因为采用未充满视场方法进行标定,在标定过程中,不仅有黑体的辐射能量,还有背景的辐射能量进入光谱辐射计,式(2)变为:

图1为基于少模光纤耦合的前置光放大空间光通信系统示意图(直接探测)，接收光学系统可以等效为焦距为f、直径为D的薄透镜.理想情况下，被调制的空间光经过无像差的理想接收光学天线汇聚到后焦面形成艾里斑，光能量耦合入放置在后焦面位置的少模光纤纤芯中，经光纤送入少模前置光放大器，最后通过多模光纤进入雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)探测器.各模式传输信息相同，模间串扰可忽略.

(3)

因此,还需测量一次背景的辐射能量:

(4)

其中,SBB(λ)为带背景的目标测量值;P(λ,TBB)为标定黑体的辐射亮度,可由普朗克公式计算得到,ABB为标定黑体的面积,单位为cm2;LBB为标定黑体到光谱辐射计的距离,单位为cm;P(λ,TBG)为背景的辐射亮度;ABG为背景在光谱辐射计视场占的面积,单位为cm2;SBG(λ)为背景的测量值。

由式(3)和式(4)可得:

(P(λ,TBB)-P(λ,TBG))

(5)

由于黑体的温度远高于背景的温度,即P(λ,TBB)≫P(λ,TBG),且标定距离较短,大气吸收衰减可忽略不计,式(5)简化为:

(6)

则标定的仪器响应系数K(λ)为:

(7)

(8)

式中,STarget(λ)为带背景的目标测量值;SBGT(λ)为没有目标的背景测量值;ATarget为目标的面积,单位为cm2;LTarget为目标到光谱辐射计的距离,单位为cm。

(9)

4 标定结果分析

通过上述标定方法,对发动机在不同工作状态、不同测试角度的测量结果进行标定,得到仪器的响应函数,对原始信号进行计算,得到不同角度、不同发动机状态的光谱辐射强度值。通过上述方法,计算了发动机最大连续和中间两种状态在尾后0°、2.5°、5°三个不同角度的中波波段光谱辐射强度,并将其与热像仪测试计算红外辐射强度结果进行比对分析,对比结果见图2。从图2中可以看出,在不同的测试角度下,发动机不同的工作状态下,光谱辐射计测试计算结果和热像测试计算结果较一致,经计算可得,两者的差异大小见表1,发动机最大连续状态下,两者在2.5°时计算结果差异最大,为1.31 %,发动机中间状态下,两者在0°时的计算结果差异最大,为2.64 %。由计算结果分析可知,未充满视场情况下的光谱标定方法可行,结果正确。

图2 光谱和热像计算结果对比图

表1 光谱和热像差异计算结果

为了分析标定距离、黑体温度、黑体孔径大小对该标定结果的影响,设置不同标定条件,见表2,得到不同标定文件,根据式(7)计算得到仪器响应函数,对原始信号进行计算,得到最大连续状态中波波段的光谱辐射强度计算结果,如图3(a)所示,三个角度光谱辐射强度计算结果的最大浮动比例分别为1.11 %、1.08 %、0.94 %。中间状态光谱辐射强度计算结果如图3(b)所示,三个角度光谱辐射强度计算结果的最大浮动比例分别为1.13 %、0.96 %、0.84 %。

图3 不同标定条件结果对比图

表2 标定条件

通过对不同标定条件计算的光谱辐射强度结果分析,可以得出以下结论:①对于同一黑体源,设置不同温度时,但均在仪器的线性响应范围内,光谱辐射强度标定结果基本一致；②当标定距离较近时,大气环境因素可忽略,其标定结果与标定距离无关；③当黑体孔径大小(也即辐射面积)不同时,但其在视场中的占比均处于视场的均匀响应区,其标定结果与黑体辐射面积无关。从以上三个方面也验证了仪器响应理论与工程实际的一致性,减小了光谱标定的限制,拓宽了光谱辐射计的工程应用领域范围。

5 结 论

本文主要围绕SR5000 N光谱辐射计在发动机外场台架测试中的应用展开了研究,一是分析了光谱测试过程中的误差源,并针对每种误差源提出了控制措施,测试结果表明了控制措施有效；二是提出了非充满视场下的标定方法,标定后得到的光谱辐射强度结果同热像测量结果一致,表明了该标定方法的正确性,分析了不同标定条件下标定结果的差异性,得到了标定条件对标定结果影响较小的结论,减小了标定限制,为后续台架光谱测试提供经验和方法借鉴。