红外辐射特性校准技术研究进展

2021-08-17丁文皓

宇航计测技术 2021年1期

丁文皓张霞方奇

(中国兵器工业集团第五三研究所，山东济南 250031)

1 引言

所有温度高于绝对零度的物体都向外部环境辐射红外能量，红外辐射按照波长由短到长又可以划分为：近红外辐射0.76nm～3μm、中红外辐射(3～40)μm和远红外辐射(40～1 000)μm，物体在这些对应波段的辐射特性就是红外辐射特性。

目前，用于描述红外辐射特性的参数有红外发射率(或红外辐射率、法向辐射率等)、辐射温度等，这些参数的测量和分析在军民领域都有广泛的应用。例如太阳能工程、红外无损探测、红外遥感技术、医学理疗和国防军事工业等，在国防军事领域各种装备的红外制导、红外跟踪和红外隐身等功能，已经成为武器装备在战场生存和打击的重要技能，对战场形势有主导作用。

军用武器装备根据自身材料结构功能和所处战场环境红外辐射特性的不同，面临来自不同方位的红外探测打击威胁。武器装备红外辐射特性一般容易暴露的是动力装置(发动机)、热流排出部位(尾喷口、排气管)和气动外壳(飞行器蒙皮)等几个部分。如地面目标中装甲车辆发动机和排气管，无人机蒙皮、尾喷口和尾喷流，直升机发动机机舱蒙皮和排气舱口，巡航导弹发动机排气系统壁面和蒙皮，单兵装备的服装等，这些相关武器装备相关材料和器件的研发，都要配备精确的红外辐射特性测试作为引导和支撑。

红外辐射特征测试的重要意义决定了对测试精度的高要求，针对目前红外发射率和辐射温度的测量，必须有科学精确的校准方法和校准仪器，国内外科研机构和高校、企业都在进行深入的研究，本文就从几个研究角度简要介绍国内外的相关研究进展。

2 标准黑体辐射源研究

在红外辐射校准过程中，黑体辐射源是关键的校准装置之一，黑体辐射源的光谱辐射亮度可以用来复现温度，作为标定红外测温仪的标准器件，还可以进一步作为辐射测温关键对比仪器，成为温标保存装置。

美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)提供了辐射温度和红外光谱辐射率的国家级标准，其先进红外辐射测量和成像(Advanced Infrared Radiometry and Imaging，AIRI)实验室可以在模拟低于1100℃的环境下测试黑体源和目标物的绝对光谱辐射率和发射率，具有国家级可溯源性，如图1所示。

图1 可变温度/光谱装置实物图Fig.1 Temperature/spectral variable device

美国NIST在250℃以下的红外波段的典型参考黑体见表1。

表1 红外光谱发射率和辐射温度的参考黑体Tab.1 Reference blackbody of infrared spectral emissivity and radiation temperature参考样类型材料名称温度范围/℃腔发射率来源腔口尺寸/mm定温参考黑体汞 Mercury-38.834—50水 Water0.01—50镓 Gallium29.765测试/计算43铟 Indium145.599测试/计算12锡 Tin231.928测试/计算12变温参考黑体氨热管Ammonia Heat Pipe-50～50计算75水浴Water Bath10～75测试/计算104水加热管Water Heat Pipe55～250测试/计算63低温乙醇水浴Low Temperature Ethanol Bath-50～25——大孔径液体浴黑体Large Aperture Fluid Bath -60～25——

中科院安徽光学精密机械研究所研制了高精度的水浴黑体，该黑体置于温控精度在0.01℃的加热恒温浴槽内，腔体采用圆柱+圆锥的结构设计，内壁喷涂法向发射率大于等于0.93的红外高吸收涂层，腔体采用2Al2T4铝合金，并在尖端采用倒锥设计避免涂层不均匀，如图2所示。

图2 黑体腔结构示意图Fig.2 The structure of blackbody cavity

该水浴黑体经国家计量院检定其有效发射率大于0.997，与理论计算值0.9969基本符合，满足热红外辐亮度计的定标需求，如图3所示采用其为双通道热红外标准辐亮度计进行定标，获得了5μm通道优于0.39%和10μm通道优于1.3%的定标不确定度。

新疆维吾尔自治区计量测试研究院利用半导体制冷和热管技术，研制了-30℃～50℃的新型热管低温黑体辐射源，其温度稳定性优于0.02℃/20min，热管空腔有效发射率计算值大于0.9992，发射率平均变化率仅为0.06‰。

浙江省方正校准有限公司设计研制了一款便携式黑体计量炉，采用半导体加热制冷，可控温在-20℃～150℃，腔体发射率优于0.99，并采用氮气吹扫技术在腔底形成气帘防止结霜，有利于低温应用。

图3 辐亮度计观测水浴黑体系统示意图Fig.3 Schematic of radiometer viewing a water-bath blackbody

中国科学院红外探测与成像技术重点实验室就在对无人机红外辐射特性测量和温度反演研究中，采用以色列CI系统公司的面源黑体对双波段红外探测系统在5℃～125℃进行了辐射定标，用需要定标的探测系统去测试已知辐射输出值的红外辐射源(面源黑体)，根据不同辐射量和对应的输出信号建立定量关系，从而获得探测系统的响应度。

该研究还利用参考黑体来测量目标和测试系统之间的大气透过率，将标准黑体放置在目标旁边，用目标到黑体之间的大气状况来模拟无人机到探测器的大气状况，计算出大气透过率和大气路径辐射，该方法有效避免了未知物体发射率或天气状况带来的精度下降，减低测量误差，提高反演准确性见表2。

表2 黑体校正技术对双波段温度反演结果准确性的提高作用Tab.2 The enhancement effect of the blackbody calibration on dual waveband temperature retrieval result探测点实际温度/K基于传统的双波段温度反演结果基于黑体校正的双波段温度反演结果计算温度/K绝对偏差/K相对偏差/%计算温度/K绝对偏差/K相对偏差/%ABCDE305.5301.54.01.3304.11.40.46300.94.61.5303.42.10.69301.24.31.4303.71.80.59301.63.91.3304.31.20.39301.83.81.2304.61.10.36

3 校准方法研究

NIST的红外光谱发射率测试系统(Infrared Spectral Emittance Measurement System，ISEMS)如图4所示，该系统包含基于FT(Fourier Transform)光谱辐射度匹配器(含近红外波段)；λ角度范围从1μm到大于50μm，温度范围从100℃～900℃；如图5所示设计的平板黑体系统为表征材料性能而设计，更易于进行黑体校准；用可控温的背景作为实时样品板来替代传统的样品架，从而实现中低温调控。

图4 红外光谱发射率测试系统示意图Fig.4 Infrared spectral emittance measurement system

图5 带有样品硬件删除功能的平板黑体源实物图Fig.5 Flat plate blackbody source with sample hardware removed

哈尔滨工业大学基于积分球反射计的红外发射率测量系统，提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法，通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合得到反射率曲线方程，从而计算出反射测量系统的校正系数，对参考标准样的输出电压进行校正推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线，从而消除非理想参考标准造成的系统误差。如图6和图7所示可以看出，校正后的发射率曲线和FTIR测量结果具有更好的一致性。

图6 参考样的测量和修正后输出电压曲线图Fig.6 Comparison of the measured voltages of reference standard samples and its corrected voltages

图7 校准前后发射率和FTIR结果对比曲线图Fig.7 Comparison of result by spectral emissivity measurement system before and after correction with those by FTIR

哈工大研究团队为准确测试隔热材料的发射率，采用双温法对FLIR光谱仪进行标定，选用黑体源在700℃和900℃两个温度下测得的光谱信息，对DLaTGS检测器进行标定。双温法校正中检测器响应函数

(

)与波长相关与温度无关，为验证标定标定响应函数的准确性，选取四个温度段内的温差进行标定计算，如图8所示，可以看出4个不同温差对该检测器的响应函数

(

)影响很小，稳定性很好。

图8 不同温差对检测器响应函数R(λ)的影响曲线图Fig.8 Influence curve of temperture difference on the response function R(λ) of detector

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所使用FLIR制冷型中波红外探测器(测量范围(3.7～4.8)μm)和SR-800高精度面源黑体(CI公司，工作范围0℃～15℃)对辐射定标理论模型分析和辐射定标环境进行设计实验研究后，发现在环境温度变化时由杂散辐射引起的灰度输出变化和整个系统像元灰度变化几乎相等。由此设计利用涂覆高发射率涂层的镜头盖进行定标测试和研究，修正温度变化对测试的影响，修正后黑体的测量误差从0.8℃下降到0.095℃，能有效提高外场红外测量系统的测量精度。

4 辐射计定标技术研究

红外辐射定标就是研究进入辐射计的辐射通量和辐射计的输出量(电压或数字信息)之间的定量关系。目前研究较多的是用红外辐射计对标准黑体的辐亮度直接定标，也就是用红外辐射计将红外标准从国家级辐射计、凝固点黑体、传输标准点温仪(变温黑体，或标准探测器)依次传递到用户黑体。

德国PTB发展了基于光谱辐射率/辐射温度、光谱辐射强度和光电子通量的两套测试系统，分别为光谱辐射校准仪和还原背景校准仪，可以涵盖200nm～45μm的定标范围。

美国NIST的热红外传递辐射计TXR，主要用于校准接近室温状态(77～300)K下的黑体辐射源，真空或大气条件都可操作，双通道分别为5μm(InSb探测器)和10μm(HgCdTe探测器，MCT)，系统在10μm的辐射率测量噪声为50mK，不确定度为0.02%，该类TXR光学系统构造如图9所示。

图9 TXR光学系统图Fig.9 The figure of the TXR Optical Layout

中科院安徽光电所基于受激参量下转换过程产生光子的相关特性，构建红外标准传递辐射测量系统，通过测量标准黑体输出值用最小二乘法拟合获得定标系数，用该系数构建辐射亮温和相对黑体相应数据表，将测得的黑体辐射数据和表中的数据做匹配，反演得到待测黑体的辐射亮温。实验显示，该红外标准传递辐射计测量水浴黑体辐亮度的联合不确定度为1.64%，可作为标准黑体到用户传感器的传递标准。

中科院长春光学物理所研制了由黑体照明光管和参考辐射计两部分组成的双波段红外辐射计，如图10所示。分别对野外作业的双波段大口径红外经纬仪进行定标，经研究分析，在短波1.315μm用InGaAs探测器得到的校准不确定度为4.12%，用PbSe探测的在中波(3.6～4.2)μm得到的校准不确定度为2.35%，可以保证红外经纬仪的准确测量。