CN105223230A - 一种红外透波材料辐射传输特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外透波材料热辐射特性测量方法，包括，将红外透波材料制作成平板试验件，并加热到测量要求温度；设置面源黑体的温度到指定温度，用红外测量仪测量面源黑体的红外辐射；测量透过试验件的黑体红外辐射；改变面源黑体的指定温度，重复测量；计算红外透波材料在测量要求温度的透过率和自身热辐射；指定新的试验件测量要求温度，面源黑体温度回到初始值，重复测量并计算红外透波材料在多个测量要求温度下的透过率和自辐射。本发明用于测量高温状态下的红外透波材料透过率和自身热辐射，弥补了常规测量仅适用于常温状态测量且仅能直接给出透过率的不足。

Description

一种红外透波材料辐射传输特性测量方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，特别是涉及一种红外透波材料辐射传输特性测量方法。

背景技术

红外探测技术具有全天时被动工作、能量分辨率高、抗干扰能力强、空间分辨率高、隐蔽性强等特点，广泛应用于测绘、遥感、军事等无人机光电探测***。凡温度高于零K的物体均向外发射红外辐射，这为红外探测技术的应用提供了基础条件。红外透波材料制成的红外透波窗口是保护红外探测***的关键部件，但是当红外透波窗口处于高温状态时，其辐射传输特性也显著影响红外探测***的性能

携带红外探测***的无人飞行器在大气层高超音速飞行状态时，出现强烈的气动加热使红外透波窗口的温度上升。高温红外透波窗口不仅对远处目标的红外辐射形成衰减，导致目标探测信噪比降低，还产生强烈自身热辐射，极易导致红外探测器饱和，使其不能分辨来自目标的信号，降低红外探测***的性能，甚至使其失效，制约了红外成像探测技术在高超音速领域的广泛应用。一些研究表明，红外透波窗口的自身热辐射随飞行时间增加而迅速增强。因此，准确获取红外透波材料的透过率和自身热辐射等辐射传输特性参数，在红外透波窗口对探测性能的影响评估中变得尤为重要。

但现有关于红外透波材料的研究多集中在强度、硬度﹑熔点、热导率和耐腐蚀等物理化学性能，对辐射传输特性的研究和测量数据较少。公开报道的测量数据大多是常温状态的透过率，由于温度差异大，常温数据难以扩展到高温状态，不能满足红外透波窗口对探测性能影响评估的需求。目前，红外透波材料辐射传输特性测量多采用测量透过率的方法，基于透过率给出衰减系数，进一步推算自身热辐射，这种测量方法不仅忽略了红外透波材料制备过程中产生的或材料本身的散射因素，更重要的是需要采用红外透波材料自身热辐射为零的假设，导致该方法不能用于高温状态测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对高温状态的红外透波材料辐射传输特性测量问题，发明了一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，以得出红外透波材料的透过率和自身热辐射及其光谱特性。

一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，步骤包括，

S1，将红外透波材料制作成平板试验件，两侧平面镀增透膜；

S2，将平板试验件加热到测量要求温度T；

S3，调整面源黑体的温度到T_b，采用红外测量仪测量面源黑体在响应波段Δλ的红外辐射L_Δλ,obj；

S4，将平板试验件放置于面源黑体和红外测量仪之间，测量光路垂直穿过平板试验件，采用红外测量仪测量透过试验件在响应波段Δλ的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

S5，改变T_b，重复S2和S4，测量至少两组不同面源黑体温度的红外辐射数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot，直到红外测量仪出现饱和现象，饱和现象对应的测量数据无效；

S6，根据试验件在温度T的测量数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot，进行线性拟合，得到红外透波材料平板试验件在测量要求温度T、响应波段Δλ的透过率和自身热辐射拟合公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T;$

S7，根据测量要求的红外透波材料微层厚度Δ_exp和红外透波材料平板试验件厚度Δ_win计算最大公约数Δ_com，得到分层数计算厚度为Δ_com的红外透波材料透过率和自身热辐射分别是

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}=\sqrt[n]{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}=\frac{L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{i-1}}$

S8，根据计算得到的计算测量要求厚度为Δ_exp的红外透波材料的透过率和自身热辐射分别是

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}={\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^m$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\·\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{k-1}$

S9，指定新的平板试验件测量要求温度T，面源黑体温度T_b重新回到初始值，重复S2至S8，计算多个测量要求温度下红外透波材料的透过率和自身热辐射；直到测量要求温度全部测量完毕。

所述红外测量仪为红外光谱仪或红外成像仪或红外辐射计。

所述红外透波材料为锗、蓝宝石或者硫系玻璃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)测量过程中没有采用红外透波材料自身热辐射为零的假设，使该方法可以用于高温状态测量。

(2)不仅直接测量出红外透波材料的透过率，还同时直接测量出红外透波材料的自身热辐射。在现有技术中，自身热辐射是推算出来。

(3)直接测量出的红外透波材料自身热辐射包含了材料本身的散射因素，真实放映了红外透波材料中的辐射传输过程。在现有技术中，假设散射辐射为零或者散射辐射考虑不完善。

(4)适用于任何类型的红外透波材料。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为蓝宝石红外透波材料试验件在温度为100℃的情况下测量数据线性拟合

图3为蓝宝石红外透波材料试验件在不同温度下的透过率。

图4为蓝宝石红外透波材料试验件在不同温度下的自身热辐射。

图5为0.1毫米厚蓝宝石红外透波材料在不同温度下的透过率。

图6为0.1毫米厚蓝宝石红外透波材料在不同温度下的自身热辐射。

具体实施方式

本发明提供了一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，参见图1所示，具体实施步骤如下：

(1)将用于制作中波红外透波窗口的蓝宝石红外透波材料制成平板试验件，厚度为Δ_win，两侧平面镀增透膜。

(2)根据应用情况分析红外透波材料试验件的测量要求温度，在此选择测量要求温度集合T＝{100,150,200,250,300,350}，单位是℃，并选择面源黑体温度T_b的起始值为0℃。首先选定第一个测量要求温度T＝100℃

(3)将红外透波材料平板试验件放置在高温加热炉内，设置加热炉温度为测量要求温度T＝100℃，加热炉达到设置温度后，保温一段时间(约30分钟)，使试验件整体温度分布更加均匀；

(4)设置面源黑体的温度到指定温度T_b＝0℃，面源黑体温度稳定后，采用红外测量仪测量面源黑体在波段Δλ的的红外辐射L_Δλ,obj。此具体实施例中红外测量仪选择FLIR公司的SC7300M中波红外热像仪，响应波段Δλ＝3.7～4.8um，测量得到的透过率和自身热辐射均对应此波段。

(5)从高温加热炉中取出红外透波材料平板试验件，并放置于面源黑体和红外热像仪之间，测量光路垂直穿过平板试验件，采用红外热像仪测量透过试验件的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot。

(6)提高面源黑体温度T_b，幅度为20℃，但是保持平板试验件的测量要求温度T不变，重复(3)-(5)，测量多组不同面源黑体温度的红外辐射数据，直到红外热像仪出现饱和现象，饱和现象对应的测量数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot无效。提高面源黑体温度T_b后，L_Δλ,obj或L_Δλ,tot有一个不变化，则认为是饱和现象。

(7)根据红外透波材料平板试验件在温度T的有效测量数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot，采用最小二乘方法线性拟合，即

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T$

那么该线性关系的拟合参数和分别是试验件在温度T下、对应波段Δλ的透过率和自身热辐射，如图2为蓝宝石红外透波材料试验件在温度为100℃的情况下测量数据线性拟合，斜率是试验件的透过率，与Y轴的交点是试验件的自身热辐射。

(8)根据测量要求的红外透波材料微层厚度Δ_exp和红外透波材料平板试验件厚度Δ_win计算最大公约数Δ_com，然后计算分层数将红外透波材料平板试验件沿厚度方向等分为n层，那么厚度为Δ_com的红外透波材料透过率和自身热辐射分别是

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{co}m}}=\sqrt[n]{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}=\frac{L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{i-1}}$

(9)如果厚度Δ_com和测量要求厚度Δ_exp一致，那么红外透波材料的透过率和自身热辐射

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}$

如果厚度Δ_com和测量要求厚度Δ_exp不一致，根据两者的倍数计算测量要求厚度Δ_exp的辐射特性透过率和自身热辐射即

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}={\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^m$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{\exp }}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\·\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{k-1}$

(10)指定下一个测量要求温度T，面源黑体温度回到初始值T_b＝0℃，重复(3)-(9)，测量获得红外透波材料在其他测量要求温度T下的辐射特性透过率和自身热辐射直至所有的测量要求温度T测量完毕，蓝宝石红外透波材料试验件在不同温度下的透过率和自身热辐射如图3和图4，0.1毫米厚蓝宝石红外透波材料在不同温度下的透过率和自身热辐射，如图5和图6所示。

红外测量仪为红外热像仪、红外辐射计时，获得对应红外响应波段的红外透波材料辐射传输特性。

红外测量仪也可以为红外光谱仪，此时可以对每一个光谱点重复(3)-(10)，获得红外透波材料平板试验件的透过率和自身热辐射的光谱特性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，其特征在于，包括，

S1，将红外透波材料制作成平板试验件，两侧平面镀增透膜；

S2，将平板试验件加热到测量要求温度T；

S3，调整面源黑体的温度到T_b，采用红外测量仪测量面源黑体在响应波段Δλ的红外辐射L_Δλ,obj；

S4，将平板试验件放置于面源黑体和红外测量仪之间，测量光路垂直穿过平板试验件，采用红外测量仪测量透过试验件在响应波段Δλ的面源黑体红外辐射L_Δλ,tot；

S5，改变T_b，重复S2到S4，测量至少两组不同面源黑体温度的红外辐射数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot，直到红外测量仪出现饱和现象；

S6，根据试验件在温度T的测量数据L_Δλ,obj和L_Δλ,tot，进行线性拟合，得到红外透波材料平板试验件在测量要求温度T、响应波段Δλ的透过率和自身热辐射拟合公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},tot}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},obj}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T+L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T;$

S7，根据红外透波材料测量要求厚度Δ_exp和红外透波材料平板试验件厚度Δ_win计算最大公约数Δ_com，得到分层数计算厚度为Δ_com的红外透波材料透过率和自身热辐射分别是

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}=\sqrt[n]{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}=\frac{L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^T}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{i-1}}$

S8，根据计算得到的计算测量要求厚度为Δ_exp的红外透波材料的透过率和自身热辐射分别是

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{exp}}={\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^m$

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{exp}}=L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\·\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ},win}^{T,{\mathrm{\Δ}}_{com}}\right)}^{k-1};$

S9，指定新的平板试验件测量要求温度T，重复S2至S8，计算多个测量要求温度下红外透波材料的透过率和自身热辐射；直到测量要求温度全部测量完毕。

2.根据权利要求1的一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，其特征在于，所述红外测量仪为红外光谱仪或红外成像仪或红外辐射计。

3.根据权利要求1或2的一种红外透波材料辐射传输特性测量方法，其特征在于，所述红外透波材料为锗、蓝宝石或者硫系玻璃。