一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測技術(shù)具有全天時被動工作、能量分辨率高、抗干擾能力強、空間分辨率 高、隱蔽性強等特點，廣泛應(yīng)用于測繪、遙感、軍事等無人機光電探測系統(tǒng)。凡溫度高于零 K的物體均向外發(fā)射紅外輻射，這為紅外探測技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。紅外透波材料 制成的紅外透波窗口是保護紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，但是當紅外透波窗口處于高溫狀態(tài) 時，其輻射傳輸特性也顯著影響紅外探測系統(tǒng)的性能
[0003] 攜帶紅外探測系統(tǒng)的無人飛行器在大氣層高超音速飛行狀態(tài)時，出現(xiàn)強烈的氣動 加熱使紅外透波窗口的溫度上升。高溫紅外透波窗口不僅對遠處目標的紅外輻射形成衰 減，導致目標探測信噪比降低，還產(chǎn)生強烈自身熱輻射，極易導致紅外探測器飽和，使其不 能分辨來自目標的信號，降低紅外探測系統(tǒng)的性能，甚至使其失效，制約了紅外成像探測技 術(shù)在高超音速領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。一些研究表明，紅外透波窗口的自身熱輻射隨飛行時間增 加而迅速增強。因此，準確獲取紅外透波材料的透過率和自身熱輻射等輻射傳輸特性參數(shù)， 在紅外透波窗口對探測性能的影響評估中變得尤為重要。
[0004] 但現(xiàn)有關(guān)于紅外透波材料的研究多集中在強度、硬度、熔點、熱導率和耐腐蝕等 物理化學性能，對輻射傳輸特性的研究和測量數(shù)據(jù)較少。公開報道的測量數(shù)據(jù)大多是常溫 狀態(tài)的透過率，由于溫度差異大，常溫數(shù)據(jù)難以擴展到高溫狀態(tài)，不能滿足紅外透波窗口對 探測性能影響評估的需求。目前，紅外透波材料輻射傳輸特性測量多采用測量透過率的方 法，基于透過率給出衰減系數(shù)，進一步推算自身熱輻射，這種測量方法不僅忽略了紅外透波 材料制備過程中產(chǎn)生的或材料本身的散射因素，更重要的是需要采用紅外透波材料自身熱 輻射為零的假設(shè)，導致該方法不能用于高溫狀態(tài)測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：針對高溫狀態(tài)的紅外透波材料輻射傳輸特性測量問 題，發(fā)明了一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，以得出紅外透波材料的透過率和自 身熱輻射及其光譜特性。
[0006] -種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，步驟包括，
[0007]S1，將紅外透波材料制作成平板試驗件，兩側(cè)平面鍍增透膜；
[0008]S2,將平板試驗件加熱到測量要求溫度T;
[0009]S3,調(diào)整面源黑體的溫度到Tb，采用紅外測量儀測量面源黑體在響應(yīng)波段AA的 紅外輻射LaK
[0010]S4,將平板試驗件放置于面源黑體和紅外測量儀之間，測量光路垂直穿過平板試 驗件，采用紅外測量儀測量透過試驗件在響應(yīng)波段AA的面源黑體紅外輻射LAA，tot;
[0011] S5,改變Tb，重復S2和S4,測量至少兩組不同面源黑體溫度的紅外輻射數(shù)據(jù) LA ^tot，直到紅外測量儀出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和現(xiàn)象對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)無效；
[0012] S6,根據(jù)試驗件在溫度T的測量數(shù)據(jù)La ^,和LA ，進行線性擬合，得到紅 外透波材料平板試驗件在測量要求溫度T、響應(yīng)波段AA的透過率和自身熱輻射 ，擬合公式為：
[0014] S7,根據(jù)測量要求的紅外透波材料微層厚度A 和紅外透波材料平板試驗件厚度 Awin計算最大公約數(shù)A _
，計算厚度為A _的紅外透波材料透過率 和自身熱輻射分別是
[0017] S8,根據(jù)計算得到的
，計算測量要求厚度為Araip的紅外透波材料的透過 率和自身熱輻射分別是
[0020] S9,指定新的平板試驗件測量要求溫度T，面源黑體溫度Tb重新回到初始值，重復 S2至S8,計算多個測量要求溫度下紅外透波材料的透過率和自身熱輻射；直到測量要求溫 度全部測量完畢。
[0021] 所述紅外測量儀為紅外光譜儀或紅外成像儀或紅外輻射計。
[0022] 所述紅外透波材料為鍺、藍寶石或者硫系玻璃。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0024] (1)測量過程中沒有采用紅外透波材料自身熱輻射為零的假設(shè)，使該方法可以用 于高溫狀態(tài)測量。
[0025] (2)不僅直接測量出紅外透波材料的透過率，還同時直接測量出紅外透波材料的 自身熱輻射。在現(xiàn)有技術(shù)中，自身熱輻射是推算出來。
[0026] (3)直接測量出的紅外透波材料自身熱輻射包含了材料本身的散射因素，真實放 映了紅外透波材料中的輻射傳輸過程。在現(xiàn)有技術(shù)中，假設(shè)散射輻射為零或者散射輻射考 慮不完善。
[0027] (4)適用于任何類型的紅外透波材料。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
[0029]圖2為藍寶石紅外透波材料試驗件在溫度為100°C的情況下測量數(shù)據(jù)線性擬合
[0030] 圖3為藍寶石紅外透波材料試驗件在不同溫度下的透過率。
[0031]圖4為藍寶石紅外透波材料試驗件在不同溫度下的自身熱輻射。
[0032] 圖5為0. 1毫米厚藍寶石紅外透波材料在不同溫度下的透過率。
[0033] 圖6為0. 1毫米厚藍寶石紅外透波材料在不同溫度下的自身熱輻射。
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明提供了一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，參見圖1所示，具體實 施步驟如下：
[0035] (1)將用于制作中波紅外透波窗口的藍寶石紅外透波材料制成平板試驗件，厚度 為Awin，兩側(cè)平面鍍增透膜。
[0036] (2)根據(jù)應(yīng)用情況分析紅外透波材料試驗件的測量要求溫度，在此選擇測量要求 溫度集合T= {100, 150, 200, 250, 300, 350}，單位是°C，并選擇面源黑體溫度Tb的起始值為 〇°C。首先選定第一個測量要求溫度T= 100°C
[0037] (3)將紅外透波材料平板試驗件放置在高溫加熱爐內(nèi)，設(shè)置加熱爐溫度為測量要 求溫度T=KKTC，加熱爐達到設(shè)置溫度后，保溫一段時間（約30分鐘），使試驗件整體溫 度分布更加均勻；
[0038] (4)設(shè)置面源黑體的溫度到指定溫度Tb= 0°C，面源黑體溫度穩(wěn)定后，采用紅外 測量儀測量面源黑體在波段AA的的紅外輻射LaAiClb]。此具體實施例中紅外測量儀選擇 FLIR公司的SC7300M中波紅外熱像儀，響應(yīng)波段AA= 3. 7~4. 8um，測量得到的透過率 和自身熱輻射均對應(yīng)此波段。
[0039] (5)從高溫加熱爐中取出紅外透波材料平板試驗件，并放置于面源黑體和紅外熱 像儀之間，測量光路垂直穿過平板試驗件，采用紅外熱像儀測量透過試驗件的面源黑體紅 外福射La 。
[0040] (6)提高面源黑體溫度Tb，幅度為20°C，但是保持平板試驗件的測量要求溫度T不 變，重復（3) - (5)，測量多組不同面源黑體溫度的紅外輻射數(shù)據(jù)，直到紅外熱像儀出現(xiàn)飽和 現(xiàn)象，飽和現(xiàn)象對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)La、_和LAtot無效。提高面源黑體溫度Tb后，LA ^^或 U 有一個不變化，則認為是飽和現(xiàn)象。
[0041](7)根據(jù)紅外透波材料平板試驗件在溫度T的有效測量數(shù)據(jù)Laa,咖和LAA,tot，采 用最小二乘方法線性擬合，即
[0043] 那么該線性關(guān)系的擬合參數(shù)^ _和/^_分別是試驗件在溫度T下、對應(yīng)波段 A入的透過率和自身熱輻射，如圖2為藍寶石紅外透波材料試驗件在溫度為100°C的情況 下測量數(shù)據(jù)線性擬合，斜率是試驗件的透過率，與Y軸的交點是試驗件的自身熱輻射。
[0044] (8)根據(jù)測量要求的紅外透波材料微層厚度Amp和紅外透波材料平板試驗件厚 度Awin計算最大公約數(shù)A_，然后計算分層數(shù)〃 ，將紅外透波材料平板試驗件沿厚 ^.ccm 度方向等分為n層，那么厚度為紅外透波材料透過率rff=和自身熱輻射分 別是
[0047] (9)如果厚度A_和測量要求厚度A_-致，那么紅外透波材料的透過率 和自身熱福射ft:
[0050] 如果厚度A_和測量要求厚度A不一致，根據(jù)兩者的倍數(shù)，計算測量 要求厚度Amp的輻射特性透過率和自身熱輻射即
[0053] (10)指定下一個測量要求溫度T，面源黑體溫度回到初始值Tb= 0°C，重復 (3)-(9)，測量獲得紅外透波材料在其他測量要求溫度T下的輻射特性透過率和自身 熱輻射二,，直至所有的測量要求溫度T測量完畢，藍寶石紅外透波材料試驗件在不同 溫度下的透過率和自身熱輻射如圖3和圖4,0. 1毫米厚藍寶石紅外透波材料在不同溫度下 的透過率和自身熱輻射，如圖5和圖6所示。
[0054] 紅外測量儀為紅外熱像儀、紅外輻射計時，獲得對應(yīng)紅外響應(yīng)波段的紅外透波材 料輻射傳輸特性。
[0055] 紅外測量儀也可以為紅外光譜儀，此時可以對每一個光譜點重復（3)-(10)，獲得 紅外透波材料平板試驗件的透過率和自身熱輻射的光譜特性。
[0056] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，其特征在于，包括， Sl，將紅外透波材料制作成平板試驗件，兩側(cè)平面鍍增透膜； 52, 將平板試驗件加熱到測量要求溫度T; 53, 調(diào)整面源黑體的溫度到Tb，采用紅外測量儀測量面源黑體在響應(yīng)波段AA的紅外 輻射Lax, 54, 將平板試驗件放置于面源黑體和紅外測量儀之間，測量光路垂直穿過平板試驗件， 采用紅外測量儀測量透過試驗件在響應(yīng)波段AA的面源黑體紅外輻射La 55, 改變Tb，重復S2到S4,測量至少兩組不同面源黑體溫度的紅外輻射數(shù)據(jù)La ^^和 La ^tot，直到紅外測量儀出現(xiàn)飽和現(xiàn)象； 56, 根據(jù)試驗件在溫度T的測量數(shù)據(jù)La ^_和LAtot，進行線性擬合，得到紅外透波材 料平板試驗件在測量要求溫度T、響應(yīng)波段AA的透過率 和自身熱輻射/J?，擬 合公式為：57, 根據(jù)紅外透波材料測量要求厚度Amp和紅外透波材料平板試驗件厚度Awin計算 最大公約數(shù)A_，得到分層數(shù)，計算厚度為A_的紅外透波材料透過率和自身熱輻射分別是58, 根據(jù)計算得到的，計算測量要求厚度為A_的紅外透波材料的透過率和自身熱輻射分別是59, 指定新的平板試驗件測量要求溫度T，重復S2至S8,計算多個測量要求溫度下紅外 透波材料的透過率和自身熱輻射；直到測量要求溫度全部測量完畢。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，其特征在于，所述紅 外測量儀為紅外光譜儀或紅外成像儀或紅外輻射計。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種紅外透波材料輻射傳輸特性測量方法，其特征在于，所述 紅外透波材料為鍺、藍寶石或者硫系玻璃。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種紅外透波材料熱輻射特性測量方法，包括，將紅外透波材料制作成平板試驗件，并加熱到測量要求溫度；設(shè)置面源黑體的溫度到指定溫度，用紅外測量儀測量面源黑體的紅外輻射；測量透過試驗件的黑體紅外輻射；改變面源黑體的指定溫度，重復測量；計算紅外透波材料在測量要求溫度的透過率和自身熱輻射；指定新的試驗件測量要求溫度，面源黑體溫度回到初始值，重復測量并計算紅外透波材料在多個測量要求溫度下的透過率和自輻射。本發(fā)明用于測量高溫狀態(tài)下的紅外透波材料透過率和自身熱輻射，彌補了常規(guī)測量僅適用于常溫狀態(tài)測量且僅能直接給出透過率的不足。
【IPC分類】G01N25/20
【公開號】CN105223230
【申請?zhí)枴緾N201510633286
【發(fā)明人】王亞輝, 周斌, 鄭文娟, 劉彥, 肖利平, 肖練剛
【申請人】北京航天自動控制研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月29日