一種紅外透波材料輻射傳輸特性測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測(cè)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(cè)量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測(cè)技術(shù)具有全天時(shí)被動(dòng)工作、能量分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、空間分辨率 高、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、遙感、軍事等無人機(jī)光電探測(cè)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(cè)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(hù)紅外探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，但是當(dāng)紅外透波窗口處于高溫狀態(tài) 時(shí)，其輻射傳輸特性也顯著影響紅外探測(cè)系統(tǒng)的性能
[0003] 攜帶紅外探測(cè)系統(tǒng)的無人飛行器在大氣層高超音速飛行狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣動(dòng) 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(duì)遠(yuǎn)處目標(biāo)的紅外輻射形成衰 減，導(dǎo)致目標(biāo)探測(cè)信噪比降低，還產(chǎn)生強(qiáng)烈自身熱輻射，極易導(dǎo)致紅外探測(cè)器飽和，使其不 能分辨來自目標(biāo)的信號(hào)，降低紅外探測(cè)系統(tǒng)的性能，甚至使其失效，制約了紅外成像探測(cè)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(shí)間增 加而迅速增強(qiáng)。因此，準(zhǔn)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(duì)探測(cè)性能的影響評(píng)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(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和耐腐蝕等 物理化學(xué)性能，對(duì)輻射傳輸特性的研究和測(cè)量數(shù)據(jù)較少。公開報(bào)道的測(cè)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?cái)?shù)據(jù)難以擴(kuò)展到高溫狀態(tài)，不能滿足紅外透波窗口對(duì) 探測(cè)性能影響評(píng)估的需求。目前，紅外透波材料輻射傳輸特性測(cè)量多采用測(cè)量透過率的方 法，基于透過率給出衰減系數(shù)，進(jìn)一步推算自身熱輻射，這種測(cè)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(dǎo)致該方法不能用于高溫狀態(tài)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：針對(duì)高溫狀態(tài)的紅外透波材料輻射傳輸特性測(cè)量問 題，發(fā)明了一種紅外透波材料輻射傳輸特性測(cè)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(cè)量方法，步驟包括，
[0007]S1，將紅外透波材料制作成平板試驗(yàn)件，兩側(cè)平面鍍?cè)鐾改ぃ?br>[0008]S2,將平板試驗(yàn)件加熱到測(cè)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(cè)量?jī)x測(cè)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(yàn)件放置于面源黑體和紅外測(cè)量?jī)x之間，測(cè)量光路垂直穿過平板試 驗(yàn)件，采用紅外測(cè)量?jī)x測(cè)量透過試驗(yàn)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(fù)S2和S4,測(cè)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(cè)量?jī)x出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)無效；
[0012] S6,根據(jù)試驗(yàn)件在溫度T的測(cè)量數(shù)據(jù)La ^,和LA ，進(jìn)行線性擬合，得到紅 外透波材料平板試驗(yàn)件在測(cè)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(cè)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(yàn)件厚度 Awin計(jì)算最大公約數(shù)A _
，計(jì)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(jì)算得到的
，計(jì)算測(cè)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(yàn)件測(cè)量要求溫度T，面源黑體溫度Tb重新回到初始值，重復(fù) S2至S8,計(jì)算多個(gè)測(cè)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(cè)量要求溫 度全部測(cè)量完畢。
[0021] 所述紅外測(cè)量?jī)x為紅外光譜儀或紅外成像儀或紅外輻射計(jì)。
[0022] 所述紅外透波材料為鍺、藍(lán)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(diǎn)在于：
[0024] (1)測(cè)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(cè)量。
[0025] (2)不僅直接測(cè)量出紅外透波材料的透過率，還同時(shí)直接測(cè)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(cè)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(shí)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(lán)寶石紅外透波材料試驗(yàn)件在溫度為100°C的情況下測(cè)量數(shù)據(jù)線性擬合
[0030] 圖3為藍(lán)寶石紅外透波材料試驗(yàn)件在不同溫度下的透過率。
[0031]圖4為藍(lán)寶石紅外透波材料試驗(yàn)件在不同溫度下的自身熱輻射。
[0032] 圖5為0. 1毫米厚藍(lán)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(lán)寶石紅外透波材料在不同溫度下的自身熱輻射。
【具體實(shí)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(cè)量方法，參見圖1所示，具體實(shí) 施步驟如下：
[0035] (1)將用于制作中波紅外透波窗口的藍(lán)寶石紅外透波材料制成平板試驗(yàn)件，厚度 為Awin，兩側(cè)平面鍍?cè)鐾改ぁ?br>[0036] (2)根據(jù)應(yīng)用情況分析紅外透波材料試驗(yàn)件的測(cè)量要求溫度，在此選擇測(cè)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(gè)測(cè)量要求溫度T= 100°C
[0037] (3)將紅外透波材料平板試驗(yàn)件放置在高溫加熱爐內(nèi)，設(shè)置加熱爐溫度為測(cè)量要 求溫度T=KKTC，加熱爐達(dá)到設(shè)置溫度后，保溫一段時(shí)間（約30分鐘），使試驗(yàn)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(cè)量?jī)x測(cè)量面源黑體在波段AA的的紅外輻射LaAiClb]。此具體實(shí)施例中紅外測(cè)量?jī)x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(cè)量得到的透過率 和自身熱輻射均對(duì)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(yàn)件，并放置于面源黑體和紅外熱 像儀之間，測(cè)量光路垂直穿過平板試驗(yàn)件，采用紅外熱像儀測(cè)量透過試驗(yàn)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(yàn)件的測(cè)量要求溫度T不 變，重復(fù)（3) - (5)，測(cè)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(duì)應(yīng)的測(cè)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(gè)不變化，則認(rèn)為是飽和現(xiàn)象。
[0041](7)根據(jù)紅外透波材料平板試驗(yàn)件在溫度T的有效測(cè)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(yàn)件在溫度T下、對(duì)應(yīng)波段 A入的透過率和自身熱輻射，如圖2為藍(lán)寶石紅外透波材料試驗(yàn)件在溫度為100°C的情況 下測(cè)量數(shù)據(jù)線性擬合，斜率是試驗(yàn)件的透過率，與Y軸的交點(diǎn)是試驗(yàn)件的自身熱輻射。
[0044] (8)根據(jù)測(cè)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(yàn)件厚 度Awin計(jì)算最大公約數(shù)A_，然后計(jì)算分層數(shù)〃 ，將紅外透波材料平板試驗(yàn)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(cè)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(cè)量要求厚度A不一致，根據(jù)兩者的倍數(shù)，計(jì)算測(cè)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(gè)測(cè)量要求溫度T，面源黑體溫度回到初始值Tb= 0°C，重復(fù) (3)-(9)，測(cè)量獲得紅外透波材料在其他測(cè)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(cè)量要求溫度T測(cè)量完畢，藍(lán)寶石紅外透波材料試驗(yàn)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(lán)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(cè)量?jī)x為紅外熱像儀、紅外輻射計(jì)時(shí)，獲得對(duì)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(cè)量?jī)x也可以為紅外光譜儀，此時(shí)可以對(duì)每一個(gè)光譜點(diǎn)重復(fù)（3)-(10)，獲得 紅外透波材料平板試驗(yàn)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(xì)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(xiàng)】
1. 一種紅外透波材料輻射傳輸特性測(cè)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(yàn)件，兩側(cè)平面鍍?cè)鐾改ぃ? 52, 將平板試驗(yàn)件加熱到測(cè)量要求溫度T; 53, 調(diào)整面源黑體的溫度到Tb，采用紅外測(cè)量?jī)x測(cè)量面源黑體在響應(yīng)波段AA的紅外 輻射Lax, 54, 將平板試驗(yàn)件放置于面源黑體和紅外測(cè)量?jī)x之間，測(cè)量光路垂直穿過平板試驗(yàn)件， 采用紅外測(cè)量?jī)x測(cè)量透過試驗(yàn)件在響應(yīng)波段AA的面源黑體紅外輻射La 55, 改變Tb，重復(fù)S2到S4,測(cè)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(cè)量?jī)x出現(xiàn)飽和現(xiàn)象； 56, 根據(jù)試驗(yàn)件在溫度T的測(cè)量數(shù)據(jù)La ^_和LAtot，進(jìn)行線性擬合，得到紅外透波材 料平板試驗(yàn)件在測(cè)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(cè)量要求厚度Amp和紅外透波材料平板試驗(yàn)件厚度Awin計(jì)算 最大公約數(shù)A_，得到分層數(shù)，計(jì)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(jì)算得到的，計(jì)算測(cè)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(yàn)件測(cè)量要求溫度T，重復(fù)S2至S8,計(jì)算多個(gè)測(cè)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(cè)量要求溫度全部測(cè)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(cè)量方法，其特征在于，所述紅 外測(cè)量?jī)x為紅外光譜儀或紅外成像儀或紅外輻射計(jì)。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(cè)量方法，其特征在于，所述 紅外透波材料為鍺、藍(lán)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(cè)量方法，包括，將紅外透波材料制作成平板試驗(yàn)件，并加熱到測(cè)量要求溫度；設(shè)置面源黑體的溫度到指定溫度，用紅外測(cè)量?jī)x測(cè)量面源黑體的紅外輻射；測(cè)量透過試驗(yàn)件的黑體紅外輻射；改變面源黑體的指定溫度，重復(fù)測(cè)量；計(jì)算紅外透波材料在測(cè)量要求溫度的透過率和自身熱輻射；指定新的試驗(yàn)件測(cè)量要求溫度，面源黑體溫度回到初始值，重復(fù)測(cè)量并計(jì)算紅外透波材料在多個(gè)測(cè)量要求溫度下的透過率和自輻射。本發(fā)明用于測(cè)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(bǔ)了常規(guī)測(cè)量?jī)H適用于常溫狀態(tài)測(cè)量且僅能直接給出透過率的不足。
【IPC分類】G01N25/20
【公開號(hào)】CN105223230
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】北京航天自動(dòng)控制研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月29日