红外隐身涂层光谱发射率测量定标研究

李 猛,郭 娟,季新杰,陈立海,李越峰

(1.空军工程大学航空机务士官学校,河南 信阳 464000;2.河北石油职业技术大学,河北 承德 067000;3.中国航发四川燃气涡轮研究院,四川 成都 610500)

1 引 言

不断发展的红外探测、跟踪、制导技术推动武器系统目标红外探测距离大幅提高,严重威胁飞机的突防能力和战场生存能力[1-3]。在飞机主要辐射源[3-4]上涂覆红外隐身涂层可减弱红外辐射,降低飞机的可探测性,并提高其生存能力[2]。

红外涂层隐身性能取决于发射率和温度两个因素[5],涂覆能控制并降低发射率的涂层材料是提高飞机红外隐身能力的有效途径之一。但因高温、潮湿、气动应力等因素作用,涂层容易产生气泡、裂纹、剥落等损伤[6-7],影响飞机的隐身能力。美军F-22、F-35隐身涂层就因涂层频繁剥落,给其监控和维护带来了巨大的挑战。国产隐身飞机也面临类似的保障问题。通过检测涂层光谱发射率,对其进行状态监控,及早发现涂层物性变化,是隐身飞机保障工作的一个重点研究方向。

红外发射率测量设备的误差将直接影响监测结果的准确度,为控制测量误差,确保量值一致,需要对其定标开展研究。文献[8]设计了积分球定向——半球反射比(也叫反射率,本文统称为反射比)测量系统,研究了反射比随波长的变化趋势和系统误差。文献[9]针对红外隐身材料光谱发射率测评,建立固体材料定向光谱发射率测量装置,分析了系统测量误差。文献[10]研究了红外发射率测量技术的不确定度分析方法。文献[11]研究了红外光谱发射率测量校准发展趋势,指出采用反射比法测量,通常溯源到美国国家标准与技术研究院(NIST)。

在军用隐身飞机领域,开展红外隐身涂层测量定标研究的文献较少。本文研究发射率测量原理、方法和误差构成,确定定标基准和校准方法,并开展定标和校准试验,为红外隐身涂层状态监控提供了可靠、可溯源的定标方法。

2 测量系统组成及原理[8,12-14]

2.1 定向积分反射比法系统结构

测量采用定向半球积分反射比法,系统(如图1所示)由高稳定型光源、高反射率漫射内表面积分球、探测器、标准样品构成。测量对象为待测样品。

2.2 测量原理

如图1所示,样品置于积分球样品架,一定能量入射光条件下,探测器输出相应的电压信号V。

图1 定向积分反射比法系统结构示意图

待测样品对应的输出电压Vs(θ,λ)为:

Vs(θ,λ)=K(R,ρλ)Lrs(θ,λ)

(1)

其中,K(R,ρλ)是与积分球半径、内壁发射率和探测器相关的系统相应输出函数；Lrs(θ,λ)是待测样品反射的辐射亮度。

参考样品对应的输出电压VB(θ,λ)为:

VB(θ,λ)=K(R,ρλ)LrB(θ,λ)

(2)

式中,LrB(θ,λ)是参考样品的反射辐射亮度。

根据能量守恒原理,非透明材料光谱吸收率α(θ,λ)可表示为:

α(θ,λ)=1-ρ(θ,λ)

(3)

其中,ρ(θ,λ)为光谱反射比(反射率)。

如果材料表面温度稳定,则光谱发射率与光谱吸收率相等。则有发射率ε(θ,λ):

ε(θ,λ)=1-ρ(θ,λ)

(4)

公式(4)表明,将已知的辐射能量投射到被测的不透明样品表面,并用积分球反射计测出表面反射能量,计算出反射比ρ(θ,λ),即可求得样品的反射率[8,12,15]。

含有参考样品的反射比测量系统,分别测量参考样品和被测样品的探测器信号。假设探测器、光学系统相应函数稳定,则被测样品的反射比可按照下式计算:

(5)

其中,ρx(θ,λ)为被测样品的反射比；ρb(θ,λ)为参考样品的反射比；Vx(θ,λ)为被测样品对应的探测器信号；Vb(θ,λ)为参考样品时的探测器信号；V0(θ,λ)为无样品状态下的探测器信号。

根据公式(4)、(5),待测样品的发射率为:

(6)

式中,εx(θ,λ)为被测样品的发射率;εb(θ,λ)为参考样品的发射率。

考虑到系统Vx(θ,λ)≫V0(θ,λ)、Vb(θ,λ)≫V0(θ,λ),反射比和发射率计算公式分别简化为(7)和(8):

(7)

(8)

公式(8)就是采用反射比测量系统测量涂层发射率的最终计算公式。

3 系统校准及定标方法

3.1 发射率测量方法

本文采用的测量流程如图2所示。

①黑体辐射源通电,设定黑体温度T。

②用参考样品校准设备,找到输出信号与参考样品表面发射率的线性关系,即满足公式(9)的系数k:

k=ε1/V1=ε2/V2=ε3/V3

(9)

式中,k是探测器输出电压与被测物体表面的发射率的比率；εi是第i块参考样品的发射率；Vi是第i块参考样品对应的输出电压。

图2 光谱发射率测量流程

③把待测样品置于样品架上进行测量,读取并记录样品对应的输出信号电压Vxi；

④重复②、③的操作3次。输出不稳定时,重复该步骤。

记录的待测样品测量数据,按下式计算样品的发射率:

(10)

式中,εk为样品发射率；n为测量次数；i为测量序号,i=1,2,3；Vxi为第i次测量时的输出信号电压。

3.2 误差分析

定向半球积分发射比测量系统中,光路系统和探测器相对稳定,可忽略其对测量示值误差的影响。在测量过程中,黑体作为辐射源,其温度稳定性将带给测量结果一定的误差。同时,参考样品的光谱分析仪器进行定标给出,因此其发射率数据误差也是一个误差源。

黑体辐射能量受温度变化范围的影响归结为下式:

(11)

式中,W为黑体辐射照度的数值。

控制黑体辐射源温度T稳定度为±T′,则T的最大变化为ΔT=2T′。控制目标为T′=±0.25 K,则T的最大变化为ΔT=0.5 K,同时,黑体温度设定为T=500 K。根据公式(11)得到ΔW/W=0.004,即黑体辐射源温度稳定性引起的最大误差为0.004。

参考样品光谱发射率误差的控制目标为≤0.02。测量三块参考样品发射率并拟合发射率直线,则可控制该项误差符合要求(≤0.02)。

测量系统总的示值误差为:0.004+0.02=0.024<0.03。所以,定向半球积分反射比法测量系统的误差为:±0.03。参考样品发射率误差占比0.02/0.024=83.3 %,为主要误差。因此,系统定标的主要任务就是缩小参考样品的发射率误差。

3.3 参考样品定标方法

为降低参考样品的发射率误差,保持量值统一和溯源性,设计并加工三块反射比科溯源至NIST[11]的参考样品。参考样品反射比定标基准选择有效发射率在0.9897～0.992之间黑体腔,因此黑体腔的发射率为0.991±0.0023。

定标方法:在一定温、湿度条件下,采用傅里叶变换红外光谱仪对参考样品反射比进行测量。

4 定标及校准试验

4.1 参考样品光谱发射率定标试验

将傅里叶变换红外光谱仪波数设置为2.5～15 μm,反射比测量范围设置为0.1～1.0。在环境温度(22.0±2.0) ℃,湿度为(20.0±5.0) % RH条件下,对三块参考样品反射比进行定标(如图3所示)。

图3 参考样品光谱反射比定标结果

从图3可以看出,同一块参考样品反射比在3～5 μm波段和8～12 μm波段内稍有变化,8～12 μm波段内的反射比要大一些。2#参考样品反射比与标准黑体辐射源反射比的误差最大,达到|0.991-0.973|=0.018<0.002,符合参考样品误差控制标准。因此,三块参考样品符合定标要求。

已知参考样品反射比,根据公式(4)计算出各参考样品的发射率(如图4所示)。可以看出,三块样品发射率之间的发射率一致性较好,表明参考样品制造工艺满足要求,为控制示值误差奠定了基础。

图4 参考样品光谱发射率定标结果

4.2 示值误差校准试验

按照反射比测量方法,在3～5 μm波段测量三块参考样品的发射率与测量系统输出电压关系如图5所示。

图5 参考样品光谱发射率与输出信号的关系

图5表明,在3～5 μm、8～12 μm波段内,参考样品的光谱发射率与输出电压比非常稳定,测量系统稳定可靠。同时,参考样品的发射率与输出信号比率拟合曲线可以看出,在3～5 μm波段k=0.0812,在8～12 μm波段k=0.0638。通过校准试验确定的系数k,可以用于待测样品的测量。

4.3 涂层样品发射率测量试验

经过定标的测量设备对红外隐身涂层样品发射率开展测量,得到不同红外波段的测量结果如图6、图7所示。

图6 3～5 μm波段涂层光谱发射率测量结果

从图6可以看出,在3～5 μm波段,红外隐身涂层样品的发射率逐渐增大。测量结果的示值误差最大值为0.0117<0.03,符合标准要求。

图7表明,在8～12 μm波段,红外隐身涂层样品的发射率也是逐渐增大的趋势。最大测量误差约在8 μm波长处,误差值为0.0083<0.03,结果也符合标准要求。

图7 8～12 μm波段涂层发射率测量结果

此外,图6、图7也表明,涂层样品的光谱发射率在整个光谱范围内,随着波长增加而逐渐减小。

5 结 论

对红外隐身涂层发射率测量系统定标方法开展了研究,主要结论如下。

(1)定向积分反射比法中,黑体温度稳定性和参考样品的光谱发射率误差是主要误差源,参考样品的光谱发射率误差占支配地位。

(2)对参考样品开展可溯源的定标测量,参考样品反射比与参考黑体发射比之间的误差<0.02,能够控制系统总的示值误差<0.03。

(3)参考样品与输出信号比拟合系数k,能有效控制测量误差。