宽温度范围大口径高精度变温标准黑体辐射源研制

张玉国孙红胜王加朋杜继东郭亚玭张 徐

（北京振兴计量测试研究所，北京 100074）

1 引 言

红外成像探测在国民经济中发挥着重要的作用，广泛应用于对地遥感、环境监测、农业观测、气候研究等领域。 随着技术的进一步发展，其应用环境越来越复杂，逐步扩展至野外、高空、临近空间、外层空间等，其工作适应温度范围越来越宽，低温可达到－50 ℃以下，高温可达到70 ℃以上，红外成像探测系统需要在宽温度范围内满足定量化探测技术要求，确保完成相应功能。

为了保证红外探测系统满足要求，必须对在整个温度范围内对其进行性能测试、辐射定标、量值溯源等操作，而大口径高精度变温标准黑体辐射源就是必不可少的标准器，实现标准红外辐射的产生。 为了确保性能测试、辐射定标、量值溯源等准确性，需要使变温标准黑体辐射源与被测的红外探测系统处于同一环境，并且覆盖整个温度范围。 因此，要求固定点红外辐射源必须能够在－50 ℃～70 ℃的宽温度范围内可靠工作，满足红外探测系统的使用要求。

此外，由于当前红外探测系统分辨率越来越高，为了在形成特定大小的目标，就要求变温标准黑体辐射源具有更大的口径，更好的均匀性，对变温标准黑体辐射源的性能提出了很高的要求。

为了解决上述问题，研制的宽温度范围条件下大口径变温标准黑体辐射源，采用循环介质与细分分布控温方法保证整体性能。 经初步试验验证，取得了较好的应用效果。

2 总体设计及原理

宽温度范围条件下大口径高精度变温标准黑体辐射源总体结构组成及工作原理如图1所示，主要包括光阑组件、辐射腔、辐射腔内壁涂层、加热组件、温度控制组件、气路接口、电气接口、支撑结构、密封结构等。 辐射腔为核心部件，其有效发射率由空腔腔型、内壁涂层的辐射性能确定，采用蒙特卡洛方法针对辐射腔各种腔型比较计算，确保发射率在0.999 以上；使用纯铜制成薄壁空腔，可减小空腔内壁上的温度梯度，提升均匀性。 采用细分加热的方式，实现温度的高均匀性控制。

图1 系统组成及工作原理图Fig.1 Principal diagram of system composition and working

黑体辐射腔放置于一个密封结构内，密封结构只有黑体辐射出射口与外界连通。 为防止低温工作条件下，黑体辐射腔内壁面结露结霜，影响表面发射率和温度值，采用双路配气保护系统。 其中一路直接通过气路接口，干燥气体直接进入密封结构内部，在密封结构内部形成正压环境，阻隔外部空气进入密封腔内部，另外一路，设置在黑体辐射出射口外的一个密封夹层内，使空气进入密封夹层，在密封夹层内形成正压，其气压小于密封结构内的气压，使干燥气体通过黑体辐射出射口排出。 通过双路配气保护系统，可较彻底的隔绝外部空气，避免结露结霜。

密封结构上，设置了电气接口，实现内部黑体辐射源与外部的电气连接，实现加热、温度监测等的功能。 电气接口可采用真空密封接插件，该接插件采用玻璃烧结密封，在保证密封性的同时，保证信号连接可靠，以保证电气连接效率。 在密封结构底部，设置橡胶减震支脚，增加环境适应性。

3 分系统组成

3.1 黑体辐射腔腔型设计及材料选择

辐射腔是宽温度范围条件下大口径高精度变温标准黑体辐射源的核心部件，其几何参数的选择、内壁表面发射率及表面温度均匀性等因素直接影响黑体的整体性能。 目前，辐射腔腔型形式较为多样，如图2所示。

在设计过程中，黑体辐射腔由空腔腔型、内壁涂层的辐射性能决定，黑体辐射腔有效发射率计算采用蒙特卡洛方法，对图2黑体辐射源空腔腔型进行计算并比较计算，在内壁面涂层辐射特性相同的前提下，计算腔型的有效发射率，以此为依据，结合加工制备可行性，确定黑体辐射源腔型。

图2 辐射腔腔型形式图Fig.2 Form diagram of radiation cavity

进行有效发射率仿真计算时，结果为5 位有效数字。 对于0.99 至0.999 9 范围内的黑体辐射腔有效发射率计算，光束确定为100 万条，能量流阈值设为10。 发射率计算结果的不确定度与光束数量平方根的倒数成正比，100 万条光线对应的发射率计算结果不确定度在10以下，可满足要求。

经初步计算，辐射腔的长径比为6.67，锥底角120°，腔体内表面发射率为0.9，圆锥－圆柱辐射腔发射率为0.999 5，同时该腔型加工制备可行性好，因此，选择圆锥－圆柱辐射腔。 此外，辐射腔内表面加工成圆形图案，通过增加反射次数，进一步提升辐射腔辐射性能。

考虑到黑体辐射源耐用性和导热性的要求，采用纯铜作为腔体材料，可有效提升均匀性、温度准确性等性能。 黑体空腔使用纯铜制成薄壁空腔，可减小空腔内壁上的温度梯度，空腔壁厚2 mm，内壁喷涂超黑材料高发射率黑漆，发射率本身在0.98以上。 为保证空腔口部与腔底等温，空腔全部浸入恒温套中，辐射腔结构如图3所示。 空腔开口为60 mm，内部长度为400 mm。

图3 辐射腔结构三维图Fig.3 3D diagram of radiation cavity

3.2 黑体辐射腔均温加热设计

为确保黑体辐射腔温度均匀性，除了采用高导热率的纯铜制作腔体外，还需要采用细分加热的方式，实现温度的高均匀性控制。 其原理图如图4所示。

图4 细分加热原理图Fig.4 Principal diagram of subdivision heating

图4中，为确保均匀性，采用细分加热的方式。整个黑体辐射腔共分为8 个加热区域，沿轴向设置6 个加热区域，腔底设置两个加热区域，对应设置8个温度传感器，通过对应温度传感器控制对应区域，使所有区域加热均匀，温度一致，确保均温效果。

其中，黑体辐射腔放置在液冷恒温套内，恒温套采用外部恒温制冷液槽连接，实现制冷功能，通过加热丝加热，可实现整个温度范围的覆盖。

3.3 黑体辐射源温度测量系统设计

温度传感器选用标准铂电阻温度传感器，为保证辐射量值准确性，必须准确测量黑体辐射腔的温度，并且要保证各个测温点的温度测量一致性。 这就需要传感器经过出厂、计量两次筛选，确保传感器准确性、一致性满足要求。 为提高面源黑体测温精度，本项目使用的铂电阻传感器引线为4 线制，长度大于8 m使得试验时线缆可以在高低温箱内外实现可靠电气连接，选用AF250－0.12 多股电缆，直接焊接在电气插座上，减少接触电阻，提升测量准确性。 传感器尺寸如图5所示。

图5 传感器结构图Fig.5 Structure diagram of sensor

为保证测温一致性和温度采集精度，采取以下温度传感器一致性修正措施。 首先将选用的一批传感器进行检定，选用温度偏差较小且温度一致性较好的传感器作为备选传感器，此时使用的电测仪器为检定机构提供。 再将计量过的精度较高的控温仪，作为电测仪器与备选传感器相连接后整体进行第二次检定，以便对传感器和控温仪整体产生的测量温差进行一次性修正。 在整个温度范围内进行多点修正，每2 个温度点之间采用线性插值法修正其温度值。 将温度传感器和控温仪表作为一个整体进行计量，并对测量结果进行修正，最终修正后值的测量不确定度包括：测量重复性引入的不确定度分量、计量标准引入的不确定度分量；主要包括恒温槽插孔温差、电测仪表误差、标准传感器自热等因素引入的不确定度分量。

为了减少传感器与被测部位之间的热阻，保证测量准确性与动态响应特性，在装配过程中，选择合理材料及封装形式。 采用金属焊接密封的方法，实现传感器与被测部位的热连接，焊接金属材料应选择与被测部位热膨胀接近的材料，经过试验，选择金属铟作为封装金属材料。 安装图如图6所示。

图6 传感器安装图Fig.6 Diagram of sensor installation

3.4 黑体辐射源温度控制系统设计

黑体辐射源由于采用了分区加热，同时结合了液体搅拌恒温槽均温方式，因此，采用多路协同控温技术，该技术需要许多单控制回路协同工作，其前提是单控制回路具有高控温精度，为了保证控温精度，需要采用采用基于PID 参数自整定算法的控温技术，确保控温精度满足系统要求。

由于常规PID 控制设计过于依赖被控对象的数学模型，本系统黑体辐射源种类多，均温方式、加热方式模型复杂，难以建立精确地数字模型，随着外部环境变化数学模型也在变化，一旦数学模型变化，又要重新确定新的数学模型以及比例、积分、微分系数，工作量大，传统的PID 控制器应用在这种非线性、时变的复杂系统不能有满意的控制效果。 因此可以采用模糊控制解决传统PID 控制带来的影响。 PID 表达式为：

式中：（）——控制器的输出；——采样序号；——采样周期；（），（－1）——控制器的输入；K，K，K——比例、积分、微分放大系数；T——积分时间常数；T——微分时间常数。

PID 算法根据递推原理可得：

用式（2）减去式（1）可得：

进一步改写为：

式中：A，B，C——常数。

且：

由式（6）可以看出，采用增量式控制算法时采样周期恒定，只要确定了K，K，K，使用3 个采样值的偏差即可得控制增量。 增量式数字PID 控制算法的优点在于它的输出控制量与前一刻的状态有关，可以有效防止因突然死机导致控制器的崩溃。

模糊控制的基本思想就是采用模糊数学语言描述的控制规律，模仿人们的基本操作经验做出模糊决策的控制方式，鲁棒性强，适于解决常规PID控制难以解决的控制问题。

模糊控制所依据的控制规律不是确切定量的公式，属度函数的选择、模糊关系的运算法则、解模糊化的转换方法，都带有任意性，很难从理论上精确的评价模糊控制器的性能，需要根据实际效果来判断性能优劣。

模糊控制系统的组成可以分为4 个部分：模糊控制器、执行机构、被控对象、传感器、外部接口。模糊控制系统框图如图7所示。

图7 模糊控制系统框图Fig.7 Block diagram of fuzzy control system

模糊PID 的自整定控制算法就是将PID 算法与模糊控制算法相结合，确定PID 三个控制参数K，K，K和被控量之间的模糊关系，在运行过程中通过不断检测输入量，利用模糊控制方法对PID 控制参数实现实时修正，以满足不同输入量对控制性能的不同要求，从而使控制性能满足要求，具有满意的动态、静态性能。 其结构如图8所示。

图8 模糊PID 自整定控制算法结构框图Fig.8 Block diagram of fuzzy PID control algorithm with adaptive parameters

这种控制器控制精度、稳态误差、系统鲁棒性、控制曲线平滑性均优于前两种传统算法，在强非线性的扰动作用下通过参数优化依然可以出现理想的控制曲线，采用此种控制算法，复杂控制系统易于达到高精度控制的效果。

4 高低温环境下试验验证

采用大口径高精度变温标准黑体辐射源在高低温试验箱内，对某高精度定量化红外成像探测系统进行辐射参数校准，校准波段为中波波段，校准数据如表1所示。

表1 校准数据表Tab.1 Calibration data table

分别在环境温度为－50 ℃，70 ℃条件下，对定量化红外成像探测系统进行辐射参数校准，获得对应温度下的响应度，初步满足了定量化红外成像探测系统特殊环境下参数校准需求。

经对比测试，在高低温环境下进行了验证试验，该固定点红外辐射源工作稳定可靠，系统可达到以下指标：有效发射率≥0.999，空腔开口直径≥60 mm，温度测量不确定度10 mK（＝2），温度分辨率0.1 mK，温度稳定性≤2 mK／h。 经验证，可满足宽温度范围条件红外探测系统的计量测试要求。

5 结束语

介绍了一种宽温度范围条件下大口径高精度变温标准黑体辐射源研制方法，可在高低温环境下实现定量化红外成像探测系统的关键参数校准，并取得了较好的应用效果。 后续，可将该标准设备系列化，应用于其它领域，包括对地遥感、复杂条件目标特性测量、环境监测、气候研究等，对特殊环境定量化红外探测技术具有积极的意义。